虚拟现实技术在中学化学实验教学中的应用

王春

摘要：结合中学化学学科教学实例，重点介绍虚拟现实技术的基本特征、教学优势以及在化学实验教学中的具体应用，并对今后如何有效开展虚拟现实技术支持下的实验教学提出了几点思考。

关键词：虚拟现实技术;化学实验教学;实验演示

文章编号：1005-6629（2021）05-0064-05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1问题的提出

2019年11月，教育部印发的《关于加强和改进中小学实验教学的意见》中指出，教师在今后的教学中应注重将传统实验教学与现代新兴科技进行有机融合，切实增强实验教学的趣味性和吸引力，提高实验教学质量和效果。对于因受时空限制而在现实世界中无法观察和控制的事物和现象、变化太快或太慢的过程以及有危险性、破坏性和对环境有危害的实验，可用增强现实、虚拟现实等技术手段进行呈現。由此可见，新时代背景下的中学化学实验教学迫切需要在传统实验教学模式的基础上变革教学方式，有效融合信息化技术手段，增强实验演示效果，克服传统实验的局限性。随着信息技术的不断发展，虚拟现实技术在中学化学实验教学中正发挥其独特优势，并能在学生进行实验探究活动上起到关键的作用，因此，积极探索虚拟现实技术在中学化学实验教学中的应用具有一定的研究价值和意义。

2虚拟现实技术概述

2.1虚拟现实技术的基本内涵

虚拟现实（Virtual Relity，简称VR）是20世纪末发展起来的一门涉及众多学科的高新技术。它综合利用计算机图形学、光电成像技术、传感器技术、多媒体技术、人工智能和人机交互等多种技术，创建一个栩栩如生的具有视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等多种感知的计算机虚拟现实系统（如图1所示），体验用户借助数据手套、头盔显示器、鼠标、键盘等交互设备沉浸于虚拟环境之中，与虚拟环境进行交互，从而产生如同真实环境的感受和体验。

2.2虚拟现实技术的基本特征

1993年世界电子年会上，美国科学家本德（Grigore C.Burdea）和科菲特（Philippe Coiffet）共同发表了“虚拟现实系统及其应用”（Virtual Reality systems and applications）一文，文中提出了虚拟现实技术的三个极为显著的特征：（1）沉浸性（Immersion），指体验者处在虚拟环境中，如同沉浸在真实环境中，在自我感知上具有同样的感受，仿佛是身临其境。沉浸性是虚拟现实技术中最重要的特征。（2）交互性（Interactive），指体验者处于计算机生成的这种虚拟环境中，通过专门设定的外部连接的传感设备（虚拟现实设备）使其产生一种如同在真实环境中直接与对象发生沟通与交流的感觉，与虚拟环境进行交互，从而达到和真实客观世界中一样的感受效果。（3）构想性（Imagination），指体验者在虚拟建模环境中根据所获信息和行为，通过逻辑推理等复杂思维过程充分发挥其想象力，扩大认知范畴，从而较为深层次地认识和理解系统运行机理与运行规则，获取自己对事物的感受和理解，实现理性与感性的高度融合。

3虚拟现实技术在中学化学实验教学中的优势

3.1将抽象晦涩的知识变得直观形象

中学化学实验教学的重点和难点在于讲解和剖析实验原理，在传统的常规实验教学过程中，对于较为抽象的实验内容，很多教师希望用简单易懂的词语讲解，达到深入浅出的目的，但往往会适得其反，无法全面系统地将实验原理进行深度剖析。而虚拟现实技术的应用，可以很好地构建一种模拟环境，将实验原理及实验过程等内容以直观形象的形式呈现出来，让学生能透过现象看本质，有效地突破了学生的学习障碍。

3.2有利于节省实验资源及实验成本

在中学化学实验教学中，教师和学生要完成完整的真实实验需要实验场地、大量的实验器材及实验药品等，因为实验耗材成本较大，很多学校可能无力承担，导致学生实验学习受限。另外，很多实验药品不能重复使用，导致每一次实验都会造成不同程度的浪费。虚拟现实技术的应用缓解了实验条件不足和实验需求大之间的矛盾，借助含有相应软件的计算机就能完成一个完整的实验，学生还可以多次进行重复实验，极大节省了硬件设施成本和资源成本，克服了学校资源短缺的困难，为更多地区学校进行实验教学创造了有利条件。

3.3创建了灵活的实验学习方式

传统的学生实验操作通常在实验室进行，教师的演示实验也局限于教室和实验室;传统的实验教学往往是授课教师根据教材所安排的实验教学内容设置相应的课时，学生只能在固定的时间内进行学习。将虚拟现实技术应用于化学实验教学中，能让学生借助计算机或相应移动设备，可以在教室、实验室、微机房甚至是课外、家里进行实验探究，教师和学生可以借助虚拟实验教学平台进行交流互动，使得学生的学习方式和教师的教学方式更加灵活和高效。

3.4提升了实验的安全性

在中学化学实验内容中，很多实验因为实验药品自身的毒性和易燃易爆性对学生和教师的实验安全有较大影响，并造成环境污染。将虚拟技术应用于实验教学中，则可通过三维技术制作的高度仿真实验，有效地避免有毒气体的逸出以及火灾和爆炸性事故的发生，让学生在绿色化的环境下进行实验探究，无需担心实验试剂、实验器材和自身的安全问题。

4虚拟现实技术在中学化学实验教学中的应用案例分析

随着信息技术的快速发展，虚拟现实技术已广泛应用于基础教育理科实验教学中，并在教学中发挥较为重要的作用，较好地促进了实验教学的发展。下面结合虚拟现实技术在中学化学学科中的应用实例探讨虚拟现实技术在中学化学实验教学中的应用价值。

4.1转变传统教育模式，促进学生进行自主探究学习

因为长期受传统教学观念及应试教育的影响，教师在教学过程中过分关注学生的考试成绩，教学中注重对教材理论知识的讲解，忽视学生的实践动手能力和创新精神，这种教育观念和教育模式，较为严重地束缚了学生的思维，不利于学生的全面发展。新课程理念下的教学模式倡导教师在教学中积极开展探究性学习活动，主张学生在教师的引领下根据教学内容进行小组交流和合作探究。例如：在初中化学“燃烧的条件”教学中，常常因为实验操作不够便利、实验药品管控限制等原因使得教师在教学过程中往往只能根据教材实验装置图进行分析讲解，这种局限性导致学生对实验内容和实验原理理解不够深刻，实验操作能力和实验创新思维不能得到很好的训练和发展。借助虚拟现实技术实验研究平台，教师可以通过任务驱动方式，引导学生根据相关实验内容进行实验设计，自由搭建实验装置，自主探究物质发生燃烧需要具备的条件，并且可以多次进行验证和操作（如图2所示）。由此可见，虚拟现实技术在化学实验中的应用，能很好弥补传统实验分组探究的局限性，有效地促进了学生的自主探究，全面提升了学生的实验动手能力和创新思维能力。

4.2有效实现宏微结合，促进学生对知识的深入理解

在中学化学实验教学中，有很多实验涉及到微观粒子的运动，传统实验很难通过现有的仪器进行探究和演示，这部分实验内容因为较为抽象，导致学生在知识的理解上遇到较大的困惑。借助虚拟现实技术将宏观现象进行微观化仿真模拟，能有效展示构成物质的空间结构，并能动画模拟微观粒子在一定条件下的运动，有效突破教学难点。例如：在高中化学“酸碱盐在水溶液中的电离”章节中涉及到食盐晶体溶解过程的讲解，学生虽然很熟悉生活中常见的食盐，但对其晶体结构及其在水中溶解的过程很难通过肉眼去观察和理解。借助虚拟现实技术很好地模拟了食盐从宏观晶体到由钠离子（Na⁺）和氯离子（Cl^-）微粒构成的空间结构，同时用动画模拟了食盐晶体加入水中，在水分子的作用下溶解并发生解离，钠离子（Na⁺）和氯离子（Cl^-）脱离晶体表面进入水中，与水分子形成能够自由移动的水合钠离子和水合氯离子的全过程（如图3所示）。由此可见，虚拟现实技术在化学微观粒子运动实验中的应用，能很好地将微观现象作宏观化展示，有效地促进了学生对某些抽象内容的理解，突破了学生学习的障碍。

4.3突破空间地域限制，规避实验安全风险

在中学化学实验教学中，有很多实验涉及工业生产模拟，因受实验空间的限制，学生很少有机会亲临工业生产基地去参观，了解工业生产的基本流程。因此，对于这方面的实验教学内容，教师往往停留在理论知识讲解的层面，学生也很难去进行实验操作探究相关实验原理。另外，在中学化学实验教学中，还有很多实验属于危险系数较高的实验，学生在进行实验时可能会由于操作不慎或其他原因，使人身安全或仪器设备安全受到威胁或造成损失;对于一些高危险类的化学实验，一般也不会安排学生去体验。例如，在初中化学“金属的冶炼”高炉炼铁一节，重点介绍了实验室通常用有毒气体CO还原Fe₂O₃模拟工业上炼铁。但在实际教学中，学生很难深入到炼钢厂进行参观和体验，了解工业冶炼铁的全过程，对此知识的理解不够全面和深入，在探究工业炼铁的基本原理的实验上也会因为操作的复杂性和cO的毒性仅停留在理论分析上。借助虚拟现实技术可以模拟工业炼铁的真实场景，并在探究CO还原Fe₂O₃的过程中可以从实验正常操作进行动手实践，也可以验证假设实验进行错误操作时造成的硬质玻璃管炸裂的场景（如图4所示）。由此可见，虚拟现实技术在中学化学实验中的应用，可以很好地突破时间和空间的限制，对工业生产流程和一些高危险性实验进行有效模拟仿真，全过程展现了工业生产情景和原理，并有效避免了实验安全事故的发生。

4.4突破时间进度限制，提升课堂教学效率

在中学化学实验教学中，有很多实验需要较长时间才能产生实验现象和生成实验结果，而现实的课堂教学时间有限，教师在课堂上操作演示这类实验费时费力，也不容易得出相关的实验结论，导致教师在处理这类实验时往往以传授知识为主，学生只能被动接受和记忆，不利于学生思维能力的发展。例如，在初中化学“金属的腐蚀”这节内容中，教材以金属铁为例介绍金属发生锈蚀需要具备的几个条件。教师在教学过程中若要让学生深切体会到金属铁发生锈蚀需要具备的几个条件时，需要借助实验探究每个条件对金属铁发生锈蚀产生的影响，而这些条件使金属铁发生锈蚀需要較长的时间，课堂上很难进行演示实验。借助虚拟现实技术可以进行建构实验场景，让学生首先进行实验方案设计，然后亲自动手探究不同条件下金属铁发生腐蚀的实验过程，并可通过虚拟仿真实验观看不同时间内金属铁发生锈蚀的实验结果（如图5所示）。由此可见，虚拟现实技术在中学化学实验中的应用，可以很好地跨越时间的限制，能在较短时间内让学生清楚地观察到金属铁生锈的全过程，大大节省了实验时间，提升了课堂效率。

5虚拟现实技术在中学化学实验教学中应用的几点思考

虚拟现实技术在中学化学实验教学中虽然有着信息技术上的优势，但其呈现方式毕竟停留在模拟和仿真层面，不能真实地再现化学实验现象和实验结果，因此，在中学化学实验教学中，需要将传统化学实验与虚拟现实技术进行融合。现就虚拟现实技术在我国中学化学实验教学中的应用提出几点思考。

5.1应注重虚拟现实技术与传统实验进行有效融合

将虚拟现实技术合理应用到中学化学实验教学中的确有其优势所在，但应注意不能用虚拟仿真实验完全代替真实实验，走进实验室仍然是进行实验教学的主要形式，虚拟现实技术只能作为一种好的补充手段。实验教学的魅力就在于，在实际操作过程中总会出现一些意想不到的实验现象，得到意料之外的实验结论，以此为契机，激活学生的思维，促进学生的思考，帮助学生在真实问题的解决中获得进步。而虚拟仿真实验是运用信息技术手段和相应软件设置好的实验程序，并且实验场景处于理想状态，与学生的真实实验体验和思维发展相比还是存在不足的。因此，教师在实际教学过程中需要注意充分发挥传统真实实验和虚拟仿真实验各自的优势，做好虚实融合，相互补充，凸显虚拟现实技术在实验教学中的应用价值，促进实验教学质量的提升。

5.2应注重挖掘虚拟现实技术在实验教学中的价值

当前，中学化学实验教学中研发出来的虚拟仿真实验产品大多是按照教材实验内容进行仿真设计和动画模拟展示，没有充分考虑到虚拟现实技术在实验中应用的价值功能，导致很多可以用传统实验进行演示且实验效果不错的实验采用虚拟现实技术进行模拟，让学生逐渐丧失很多观察真实的实验演示效果的机会，一味停留在虚拟想象的空间，不利于学生实验素养的培养。因此，虚拟仿真实验产品的研发需要一线教师根据实验教学的实际需求首先确定主题，进行脚本设计，然后交给相关产品研发公司进行开发和制作，再由教师在教学中进行实践检验，并进行产品完善。真正体现虚拟现实技术在中学理科实验教学中应用的必要性，充分发挥虚拟现实技术在化学实验教学中的功能价值。

5.3应注重创建完整的虚拟仿真实验管理平台

当前，中学化学实验教学中某些虚拟仿真实验的应用大多停留在已有的虚拟实验产品在教学过程中的呈现和操作，并未很好地实现教师和学生的互动，也不能对学生的探究性实验活动进行评价，更没有真正实现互联网平台下虚拟现实技术与实验教学的深度融合。因此，需要创建完整的虚拟仿真实验平台，既有利于学校教务对实验教学进行规范化管理，方便教师实验备课、资源下载、作业批改、成绩评定、操作点评，还能方便于学生在课外或家里随时随地进行实验探究操作练习，真正实现学生课前预习、课后练习，并及时获得教师的在线指导。

综上所述，将虚拟现实技术应用到中学化学实验中是教学改革和时代发展的必然趋势。随着科学技术的发展，需要进一步优化虚拟现实技术，将虚拟现实技术与实验教学进行深度融合，充分发挥其在中学化学实验教学中的应用价值，提高学生对化学实验的学习兴趣和动手操作的实践能力，培养更多创新型与应用型人才，全面深化我国基础教育化学实验教学的改革。