虚拟现实技术在中学化学教学实践中的应用研究

虞京军,余勇军

(1.武汉市四美塘中学,湖北 武汉 430062;2.武汉市长虹中学,湖北 武汉 430070)

虚拟现实技术是一种利用计算机生成模拟环境,让用户通过多种感官(视觉、听觉、触觉等)与之交互,从而获得类似于真实世界体验的技术。虚拟现实技术融合多项智能技术于一体,生成虚拟现实场景,体验者通过显示屏、智能穿戴设备(如立体眼镜、头盔显示器、数据手套、智能服装等)、跟踪反馈器等终端设备,通过五官的自然体验方式与虚拟环境进行实时交互,获取类似于自然实境的沉浸式体验。

化学作为一门以实验为基础的自然科学,强调实验操作和化学原理的探究,虚拟现实技术应用在化学教学中,具有逼真、互动、自主、安全以及资源共享等特点,有着传统教育技术和教学方法无法达到的优势。中学化学教学与虚拟现实技术有着高度的契合度。因此,在中学化学教学实践中,运用虚拟现实技术可以为教学提供更加丰富的手段和更加逼真的教学体验,有着广泛的应用前景。

近年来,国内外许多研究者对虚拟现实技术在中学化学教学中的应用进行了探索和研究。例如,王春分析了虚拟现实技术在中学化学教学中存在的问题,如设备成本高、软件内容质量参差不齐、教师专业素养不足等,并提出了相应的解决对策和建议[1]。他还基于虚拟现实技术开发了一套中学化学实验教学系统,并通过实验验证了该系统对提高学生化学兴趣、理解能力和操作技能的积极作用[2]。杨壮林等人[3]探讨了虚拟现实技术在中学化学教学中的应用模式、原则和策略,提出了虚拟现实技术应与传统教学相结合,以达到最佳教学效果。

然而,目前关于虚拟现实技术在中学化学教学中的应用研究还存在一些不足之处。一方面,大多数研究只是从理论层面或局部角度探讨了虚拟现实技术在中学化学教学中的应用价值和意义,并没有涉及到具体的教学内容、活动的设计和开发;另一方面,大多数研究只是从单一或简单的指标或维度评价了虚拟现实技术在中学化学教学中的应用效果和质量,并没有考虑到多元或复杂的因素或影响。因此,有必要从更加全面和深入的角度,对虚拟现实技术在中学化学教学实践中的应用进行系统和细致地研究。

本文旨在探究中学化学课程教学中运用虚拟现实技术的必要性,通过走访调研部分中学化学课堂教学中虚拟现实技术应用情况,分析中学化学课堂教学中运用虚拟现实技术存在的问题及解决思路,提出在中学化学课堂教学中合理利用虚拟现实技术的建议,在中学化学教育改革和发展的理论和实践方面进行初步探讨。

1 中学化学教学中运用虚拟现实技术的必要性

首先,虚拟现实技术的互动性和沉浸感,可以极大提升学生的学习兴趣和参与感。化学作为一个强调动手操作和直观体验的学科,如何激发和维持学生的学习兴趣尤为重要。研究表明,虚拟现实技术的互动性和沉浸感可以充分挖掘学生的学习潜能,调动他们的多种感官参与学习活动,从而产生更高的心理体验,使学生在愉悦和自主的学习状态下主动探索知识、锻炼能力。与传统的教学方式相比,虚拟现实技术无疑更能吸引数字时代学生的眼球,激发他们的好奇心和探索欲,让学生在虚拟环境中“亲身”体验化学实验的魅力。这种基于虚拟现实技术的沉浸式学习经历,是学生主动学习化学知识、培养学科兴趣的关键。

其次,逼真的虚拟化学实验可以让学生更直观地理解和掌握化学实验原理,达到事半功倍的教学效果。虚拟现实技术下的虚拟化学实验室,可以提供和真实环境高度还原的三维视觉效果、真实的操作体验及实时的交互反馈。学生可以重复操作虚拟实验以加深印象,安全地探究各种条件下化学反应的可能,这在传统教学中难以实现。宏观上看,虚拟现实技术打破了时间和空间的局限,学生可以随时随地沉浸式地进入虚拟实验环境中学习。微观上看,逼真的虚拟实验使抽象的化学知识通过直观的感官体验转化为具体的认知印象, 从而促进学生知识的内化和迁移。综合来看,虚拟现实技术很大程度上提升了化学实验教学的效率和效果。

再次,虚拟实验可降低实验设备和材料成本,减少安全隐患,这在中学阶段的化学实验教学中具有重要意义。中学生理解能力和操作能力都存在一定局限,进行真实的化学实验存在较大的安全隐患,而虚拟实验可大大降低这方面的风险。教师可以根据学生的能力设定虚拟实验的复杂程度,使其既能锻炼实践能力,又能控制在安全范围内。此外,虚拟实验也减轻了学校实验室的设备购置和维护的压力。综合来看,虚拟实验在充分保障学生安全的前提下,降低了中学化学实验教学的门槛。

另外,虚拟实验可提高学生的学习自主性,促进学生之间地交流合作,这对培养学生的科学探究精神和团队合作能力大有裨益。在虚拟环境中,学生可以根据自己的学习进度和兴趣选择实验项目,多次重复操作实验直到完全掌握,并主动设计新实验测试自己的想法,在这个过程中提高自主学习的能力。同时,虚拟实验平台还可以连接多位学生同时进行虚拟。

综上所述,在中学化学教学实践中,运用虚拟现实技术开展虚拟化学实验,可以极大促进化学教学方法的现代化改革,提供更加丰富的教学手段和更加沉浸式的学习体验,使抽象的化学知识通过虚拟现实技术得到直观的感性认知,有效提高教学质量和学习效果。具体来说,虚拟现实技术的互动性和沉浸感能极大调动学生的学习兴趣和主动参与的内在动力;逼真的虚拟化学实验又能直观地帮助学生加深对化学知识的理解;此外,虚拟实验还可以降低教学成本和安全风险,提供个性化的自主学习和团队合作的机会。综合这些独特的优势与特色,运用虚拟现实技术进行中学化学教学,不仅切合学科的实践性特点,也契合当代学生的认知特征和学习需求,是实现化学教学模式变革,提高教学质量与学习效果的重要举措,具有重要而必要的意义。

2 中学化学教学中运用虚拟现实技术存在的问题

首先,虚拟现实技术需要昂贵的硬件设备支撑,这给学校带来较大经济压力。虚拟现实系统需要包括强大的计算平台、头戴显示设备、手持控制器、运动跟踪系统等一系列硬件设施,这需要学校投入大量资金。例如,单个HTC Vive头显设备就需要人民币万元以上,若要满足一个班30人同时进行虚拟实验,成本将非常高昂。这对经济条件有限的学校来说存在较大的经济压力。一些经济欠发达地区的学校可能难以承担这样的投入,导致虚拟实验无法普及应用。

其次,虚拟实验无法完全取代真实实验的重要作用,学生仍需进行真实操作以深入理解化学原理。虽然虚拟实验可以模拟实验过程和结果,但毕竟是对现实的接近还原,不是现实本身。真实的化学实验可以让学生亲自动手操作仪器设备,近距离观察实验现象,提出疑问并修改方案,设计新的实验方案验证,这种真实的体验是虚拟实验无法完全替代的。直接的实际操作可以加深学生对化学原理的理解,培养科学思维,这是仅有虚拟实验难以达到的。因此,虚拟实验和真实实验应该结合使用,发挥各自的优势。

再者,当前虚拟实验内容过于简单,无法涵盖全部实验操作,会对学科学习带来限制。受技术水平限制,现有的虚拟实验系统多依赖简单的模式和预设环境,实验内容和形式都比较单一。但化学实验的范围非常广泛,操作复杂、条件变化多端的实验很多。现有虚拟实验内容难以涵盖所有化学实验,这对学生全面学习化学知识带来一定制约。如果长期过度依赖虚拟实验,学生可能无法接触到足够丰富的化学实验现象,也就难以对化学原理形成深刻的理解。

此外,虚拟实验可能导致学生不重视真实实验,引发部分学生的身体不适。由于只是虚拟模拟,学生可能认为虚拟实验没有实际操作那么重要,不需要投入太多精力。长此以往可能会导致学生漠视真实实验的重要性。另外,长时间使用VR设备也可能导致部分学生出现头晕、眼疲劳等症状,这会直接影响学生的身体健康及学习状态。

最后,最大的问题是因缺乏丰富的虚拟现实教学资源,需要大量投入建立真正沉浸式的三维虚拟环境。现有的虚拟实验系统功能简单,多以简单三维动画或视频呈现,与真实环境还存在距离[4]。要打造真正沉浸式的虚拟实验室,需要汇集各学科专家、计算机技术人员等力量,对实验环境及仪器设备进行三维建模、编程及添加交互设计,制作高质量的教学资源。这需要持续、长期的人力及财力投入。缺乏这方面的资源投入,会严重制约虚拟技术在化学教学中的推广应用。

3 中学化学教学中运用虚拟现实技术解决思路

针对虚拟实验系统昂贵的硬件成本问题,普通公立中学可以考虑采用校企合作的模式。 校企合作可以充分利用企业的资金和技术优势,帮助学校建立虚拟实验系统。例如可以与当地的高新科技公司合作,以学校提供场地设施,企业提供硬件设备和技术支持的方式共建虚拟实验室。中学还可以联合附近的大学,使用大学已建成的虚拟实验系统和设施,降低自身的投入成本。

针对虚拟实验无法完全替代真实实验的问题,中学可以采取虚拟实验和真实实验有机结合的方式,可以根据不同的教学目标采取不同的实验形式。对于需要操作仪器、亲身体验的教学目标,则安排真实实验项目;而涉及危险操作或需要反复演示的实验可以采用虚拟实验。同时,也可以在虚拟实验后进行真实实验,加深学生的理解。

针对当前虚拟实验内容不足的问题,中学可以采取分阶段建设的策略。可以优先选择相关性强且对学生意义重大的化学实验开发虚拟内容。同时,教师可以针对存在的虚拟实验内容制作相关教学课件或任务,引导学生主动利用这些资源。在资源积累充分后,再逐步扩充其他虚拟实验项目。

针对学生可能不重视虚拟实验的问题,教师需要从教学理念上转变,重视过程性评价,不仅看结果也看学生的虚拟实验过程,给予及时反馈和鼓励,引导学生重视虚拟实验。教学内容上也要设计与虚拟实验相关的课堂活动或家庭作业,促进使用虚拟资源。此外,也可以适当加入虚拟现实的趣味元素,提升学生的参与感。

中学还需要继续加大虚拟实验内容建设投入。优先选择校内教师力量,设计开发适合本校学生的虚拟实验项目。同时,也可以利用网络资源,整合目前免费的虚拟实验素材。还可以鼓励教师团队跨校合作,分工开发虚拟资源。这些举措可以逐步丰富中学虚拟实验内容。

综上所述,针对当前虚拟现实技术在中学化学教学应用中存在的问题和局限,可以从多角度入手,校企合作、教学内容改革、资源整合与分阶段建设等可行措施,在现有条件下谋求最佳的教学效果,逐步推进虚拟技术在化学教学中的落地应用。这需要化学教育工作者持续努力,才能实现虚拟现实技术在中学化学教学中发挥应有的推动作用。

4 中学化学教学中合理利用虚拟现实技术的建议

在当前阶段如何在现有条件下,合理利用虚拟现实技术,实现其在中学化学教学中的有效应用,是我们需要深入思考和探讨的重要课题。根据中学化学教学的实际需求,在总结先前经验的基础上,探讨运用虚拟现实技术的合理化建议,以期为推进中学化学教学改革与发展提供借鉴和参考。

首先,在中学化学教学中,可以充分发挥虚拟现实技术的优势,通过虚拟仿真让学生身临其境地体验中国古代重要的化学发现与发展过程,这可以极大激发学生的民族自豪感和学习兴趣。例如在讲授必修1的相关内容时,可以设置虚拟场景,让学生亲身参与模拟我国古代炼丹师在实验室里进行沙里淘金、炼制火药等经典过程。学生可以身临其境地进行虚拟操作,这种直接的体验可以加深他们对中国早期化学成就的认识,增强民族自豪感和学习热情。与传统的文字讲解相比,这种虚拟现实的沉浸式体验可以使抽象的历史知识变得更加具体、直观,也更容易激发学生的热情。同时,虚拟现实也可以让学生近距离体验科学前沿的魅力,开拓他们的知识视野。如设置未来主义的虚拟实验室,学生可以在虚拟环境中接触各种未来科技和材料,甚至可以“亲身”参与太空科学探索。这可以培养学生的科学想象力和创新精神。除此之外,虚拟现实技术还可以应用于复杂或危险的前沿实验操作的模拟。学生可以安全地在虚拟环境中学习使用各种高端设备仪器,培养他们科学探索的兴趣。如设计虚拟沙里淘金的场景和过程,学生可以身临其境地参与全过程,这比简单的视频演示更能加深对混合物分离方法的理解。在虚拟环境中也可以不受限制地设计和尝试多种淘洗方法,达到主动学习的学习效果。同样,虚拟模拟火箭发射也可以让学生全方位地观察燃料装填、点火燃烧等每一个环节,并可以反复地演练,这对掌握复杂的化学反应过程大有裨益。将这些虚拟情景融入相关章节的教学中,可以帮助学生形成更立体、深刻的化学知识体系,实现更好的学习效果。

其次,虚拟现实技术可以打破时间和空间的限制,让学生身临其境地体验在现实中难以达到的场景,这可以极大地丰富化学学习的途径。例如,学生可以在虚拟环境中真实感受太空失重状态,进行各种悬浮实验,观察太阳光的直射,进行光谱相关的实验,这对于理解一些仅存在于太空的特殊化学现象大有裨益。学生也可以 “深潜” 到海底,通过虚拟仿真观察海底热泉的化学作用,近距离观察深海生物的结构与行为等。这些虚拟体验可以极大拓宽学生的视野,获得现实中难以获取的学习经历。

将这一优势应用于具体教学中,可以针对一些环境相关的化学知识,设计沉浸式的虚拟场景,让学生在游戏中学习。例如设计一款虚拟森林生存游戏,学生需要在森林中取水、觅食、生火等。游戏可以设置在早晨树叶出现丁达尔效应的虚拟场景,让学生在游戏中亲身感受;如果需要生活用水,可以使用游戏中配置的明矾对水源进行净化。这种知识的游戏化学习可以增强学生的参与感和学习兴趣。此外,也可以设计置身于熔岩中的虚拟场景,让学生身临其境地观察钻石的形成;或者在虚拟海洋环境中,在海边通过阳光、海风等虚拟盐田产盐;通过虚拟现实,进入地下,了解地下煤矿的形成,钻石在熔岩中的形成等。这些都可以使抽象的化学知识更直观具体。

第三,虚拟现实技术的一个巨大优势在于可以直观地呈现原子和分子这些微观世界,这对于中学化学教学意义重大。具体来说,可以建立虚拟的原子模型,学生可以真实地观察电子配置、核外电子运动状态等过程。例如可以呈现不同轨道电子层叠的三维效果,以及电子在能级间跃迁的动态视角,这比传统的静态原子模型直观和形象得多。学生还可以“化身”为电子,在虚拟环境中自主探索原子内部结构,这样主动的学习可以加深对原子理论的理解。例如虚拟呈现核外电子排布过程,学生可以多角度观察电子排列顺序及运动规律,反复模拟操练,可以大大减少排布错误。三维虚拟环境也可以直观展示3个P轨道的方向性,以及不同轨道之间和分子轨道的杂化过程,这些微观现象的动态可视化可以极大推进对抽象概念的理解。再如在晶胞的结构中,构成晶胞的离子如何进行划分,得到顶点、棱、面等可以通虚拟实现的切割完成,学生通过对照虚拟现实原子、离子等进行确定其对晶体的贡献,或者虚拟进入晶体内容,确定原子、离子、分子间的位置关系等,这样的学习,必然印象深刻。将这种沉浸式的虚拟原子学习融入相关章节,将传统的静态图示转变为可交互的三维动态模型,可以极大激发学生的学习兴趣。他们可以不受限制地从不同角度观察原子内部结构,进行虚拟操作实验,这种主动探究的学习方式可以达到更好的学习效果。相比传统教学方法,这种虚拟技术无疑可以极大推进对原子理论和微观过程的理解,也是当前中学化学教学改革的重要方向。

第四,虚拟现实技术可以让学生身临其境地参观各种复杂的工业生产流程,这对学习相关的应用化学原理大有裨益。例如,学生可以在虚拟环境中观察化工厂内各种反应装置的运转过程,这可以加深对工业级设备结构与运行原理的理解,可以建立氨气合成工艺和硫酸制取工艺的虚拟车间,学生可以在虚拟环境中穿行其中,逐一观察各关键设备的内部构造与运转情况。例如在虚拟的硫酸工艺线中,学生可以亲身体验沸腾炉的高温状况,观察热交换管的设置方式,然后接触室中的氧化反应过程,以及后续吸收塔内三氧化硫被吸收的全过程。这种虚拟仿真可以使单纯的文字叙述或视频展示难以达到的视角与效果,极大地加深对硫酸工业流程及设备运作原理的理解。其他如氨气合成都可以设置类似的虚拟车间,实现沉浸式的学习体验。如果条件允许,还可以加入一定交互性,学生可以根据所学知识对虚拟工艺过程进行适当调整,观察结果的变化,实现真实的知识内化。总之,这种虚拟工业体验可以极大推动化学知识的应用学习,使学生通过直接的虚拟体验了解化工生产的过程,加深对专业设备与工艺流程的理解记忆。它是传统教学方法难以实现的,也是虚拟技术应用于中学化学教学的又一重要实践。

第五,虚拟现实技术可以很好地模拟在实际操作中存在危险或无法开展的化学实验,这对安全教学大有裨益。例如,一些发生爆炸或产生剧毒气体的实验,学校现实中难以演示,但在虚拟环境中可以逼真模拟整个过程,特别可以设置出现危险情况的情形。例如可以模拟氧气与氢气反应时的爆炸场面,也可以设置学生在虚拟实验中出现操作失误导致的后果。这种虚拟的潜在危险情景,可以让学生深刻理解正确操作的重要性,也可以反复模拟练习规范的实验步骤,从而提高学生的实际实验能力与安全意识。

中学化学中有些实验是有毒、易爆的实验,存在学生易操控失误的操作等[5]。许多教师教学中并没有进行演示一氧化碳还原氧化铜的实验,因为这个实验不仅有毒,而且易爆。通过虚拟现实,可以对实验很好进行演示和模拟,对不规范的操作,模拟出现爆炸,出现中毒等,让学生进一步意识到规范操作的重要性。借助虚拟现实技术,这些实验都可以通过虚拟仿真的方式实现视觉呈现,以及对异常情况的规避演练。这种基于虚拟仿真的安全教学,既能保证学习效果,又可以杜绝实际操作的潜在危险,是传统教学方法难以实现的。将虚拟仿真有机融入相关章节,对一些危险性实验采取“虚拟示范,学生自我操作”的教学模式,可以达到事半功倍的效果。这种教学创新不仅可以提高学生的学习兴趣,也是当前安全教学的重要发展方向,值得在中学化学教学中推广应用。

虚拟现实技术在中学化学教学实践中的应用具有广泛的应用前景,可以提供更加丰富的教学手段和更加逼真的教学体验,为学生的学习和发展提供更多的机会和更加广阔的空间。教师应该将虚拟现实技术与化学本质和实验原理相结合,引导学生深入思考化学现象背后的本质规律。这也需要化学教师加强对虚拟现实技术应用的研究和探索,不断完善与创新中学化学教学的方式和方法,以更好地发挥其在教育教学中的作用。当然,教师需根据具体教学目标合理选择合适的虚拟现实技术,避免盲目跟风和过度追求效果,同时应该认识到虚拟现实技术应该是化学教学的辅助手段,而非替代手段,教师仍需让学生进行实验和操作,培养其实践能力。