虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)領(lǐng)域的設(shè)計和運(yùn)用研究

吳麗華，文豐玉

西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川南充 637009

化學(xué)實驗在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中是一種非常重要的方法，能夠提高學(xué)生對化學(xué)理論的理解程度，而利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)打造虛擬實驗平臺和系統(tǒng)可以打破時間和空間的限制，對于一些難以用真實環(huán)境開展的化學(xué)實驗，都可以用仿真實驗來完成。所以運(yùn)用仿真實驗也能夠提高教學(xué)的有效性，給學(xué)生充足的思考和實踐空間，將比較抽象的化學(xué)概念展示出來，實驗教學(xué)也更加生動和正式，可以提升實驗效果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助教學(xué)具有較廣闊的應(yīng)用前景，不僅能夠為學(xué)生提供更多的學(xué)習(xí)平臺和機(jī)會，還能夠彌補(bǔ)教學(xué)器材不足的問題，促進(jìn)教師真正實現(xiàn)因材施教的教學(xué)理念，設(shè)計出符合中學(xué)生思維模式的實驗教學(xué)系統(tǒng)，提高教學(xué)效率。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的內(nèi)涵

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展以及我國教育事業(yè)的不斷改革，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育工作中的運(yùn)用也更加廣泛。虛擬現(xiàn)實技術(shù)實際上是利用計算機(jī)對現(xiàn)實世界進(jìn)行全面仿真的一種技術(shù)，而在利用該技術(shù)開展教學(xué)的過程中，能夠通過創(chuàng)建虛擬實驗室與虛擬實驗平臺，為實驗教學(xué)提供更加豐富的條件。虛擬現(xiàn)實是通過計算機(jī)技術(shù)與其他現(xiàn)代化技術(shù)手段的融合生成的一種集逼真視聽觸覺一體化虛擬環(huán)境，用戶在這個環(huán)境中可以與虛擬環(huán)境的對象進(jìn)行交流和合作，雖然該環(huán)境并不是真實存在的，但是也能夠讓用戶產(chǎn)生比較真實的感覺。而利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行化學(xué)實驗就是以計算機(jī)的模擬技術(shù)為中心，需要軟件和硬件設(shè)施的配合和支撐，幫助學(xué)生在仿真的實驗設(shè)計中了解客觀的世界。虛擬教學(xué)環(huán)境具有分布式、實時性等特點(diǎn)，也能夠為教學(xué)創(chuàng)建真實的情景。學(xué)生可以在這種環(huán)境中獲得學(xué)習(xí)的主動性，成為學(xué)習(xí)過程的主體，有利于推動學(xué)生實現(xiàn)個性化的學(xué)習(xí)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的研究需要建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的支撐，也就是要通過情景的構(gòu)建促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行合作探索和交流，從認(rèn)知發(fā)展到行為實踐中，以此來替身學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。從本質(zhì)上來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用實際上就是信息技術(shù)和課程改革的結(jié)合，利用信息技術(shù)改變了教學(xué)環(huán)境和結(jié)構(gòu)，對培養(yǎng)創(chuàng)造型的綜合人才具有重要意義。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中的運(yùn)用價值

2.1 擴(kuò)大實驗的范圍

高中化學(xué)實驗中，有許多難以用現(xiàn)實環(huán)境和工具開展的實驗，而有的化學(xué)實驗條件非?？量?，根本不能靠真實的實驗器材和環(huán)境來完成，所以在進(jìn)行實驗時就會受到一定的限制。而利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來開展實驗可以提供更加充足的實驗器材，而且可以利用計算機(jī)系統(tǒng)和仿真軟件對實驗的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，按照實驗的需求構(gòu)建符合條件的實驗環(huán)境，提高實驗情境的真實性和準(zhǔn)確性，才能真正提高實驗教學(xué)的價值。同時虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠打破時間和空間的限制，學(xué)生不僅可以在課堂上開展實驗研究，還可以在課后任何時間利用虛擬實驗環(huán)境來參與實驗探討，為學(xué)生提供更加廣闊的學(xué)習(xí)空間，對培養(yǎng)學(xué)生的自主探索能力具有重要意義。

2.2 有利于提高實驗的可觀性

在化學(xué)實驗過程中，了解實驗器材、觀察實驗現(xiàn)象是幫助學(xué)生明白實驗原理的重要過程，在實際實驗的過程中，可能有的實驗器材無法滿足實驗條件，或者在實驗過程中，難以準(zhǔn)確地記錄到實驗現(xiàn)象和變化，導(dǎo)致學(xué)習(xí)實驗的效果并不好。而利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行實驗時，是通過計算機(jī)系統(tǒng)來完成的，學(xué)生可以對實驗過程中的任何環(huán)節(jié)進(jìn)行放大、暫停等操作，可以擁有充足的觀察和思考空間，所以能夠幫助學(xué)生更好地了解實驗的原理，保障了實驗的可視性，有利于提高學(xué)生的理解能力。同時很多化學(xué)實驗涉及到燃燒、爆炸等比較危險的操作，利用虛擬實踐能夠降低危險性，也能夠避免因為教學(xué)條件不足導(dǎo)致學(xué)生無法通過實驗來獲取知識的問題，對提高教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。

2.3 有利于實驗數(shù)據(jù)的及時反饋

在化學(xué)實驗中，對數(shù)據(jù)的記錄和整理是幫助學(xué)生分析化學(xué)規(guī)律的重要依據(jù)，但是在實際實驗時，由于存在一定的限制因素和誤差，難以獲得比較全面和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。而利用仿真實驗就能夠通過計算機(jī)軟件記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)實驗的需求來篩選數(shù)據(jù)，還能夠重復(fù)設(shè)置不同的實驗參數(shù)，提高實驗的科學(xué)性，幫助學(xué)生全面認(rèn)識化學(xué)知識。在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，能夠?qū)崿F(xiàn)真實情境下的形象化教學(xué)，學(xué)生在具體操作的過程中也可以隨時提出自己的問題，留下實驗的數(shù)據(jù)和信息。學(xué)生在實驗完成后也可以通過觀看和反思實驗過程來總結(jié)自己的實踐效果，不斷調(diào)整學(xué)生的學(xué)習(xí)方法。同時教師也能夠通過虛擬環(huán)境更全面地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，從而加強(qiáng)重難點(diǎn)知識的教學(xué)，提高教學(xué)效果。

2.4 提高實驗的具體性和生動性

仿真實驗可以模擬真實實驗的各種場景，還能夠?qū)Σ荒軐崿F(xiàn)的化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行模擬，提高實驗的形象性。而且也能夠避免實驗過程中的危險，提高實驗教學(xué)的效率。而且利用計算機(jī)進(jìn)行實驗，可以讓學(xué)生根據(jù)自己的需求來進(jìn)行實驗探索，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，滿足他們在學(xué)習(xí)中的主體需求，提高教學(xué)質(zhì)量。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持下的化學(xué)實驗可以構(gòu)建豐富的實驗教學(xué)模型，包括驗證型實驗、探究實驗、模擬實驗以及對照實驗等，教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的實際情況來選擇實驗類型，學(xué)生也能夠根據(jù)自己的需求自主選擇實驗?zāi)Ｊ?，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，也能夠豐富實驗的內(nèi)容。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中心化學(xué)實驗教學(xué)中的設(shè)計研究

3.1 構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)平臺

傳統(tǒng)化學(xué)實驗教學(xué)中，教師和學(xué)生在進(jìn)行實驗時，學(xué)生的自主性是比較差的，學(xué)生實驗的條件和時間也受到了一定的限制。而隨著計算機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用到教育工作中，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的仿真實驗室成為了實驗教學(xué)的重要工具。而要引導(dǎo)學(xué)生在虛擬實驗室中完成實驗學(xué)習(xí)，就要為教學(xué)構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)和平臺，提高實驗的可能性，開發(fā)智能化學(xué)虛擬仿真實驗方案，從而滿足化學(xué)實驗教學(xué)的需求。而虛擬實驗系統(tǒng)平臺的構(gòu)建需要達(dá)到幾個基本的要求，比如要能夠為學(xué)生提供真實逼真的虛擬實驗環(huán)境，同時學(xué)生能夠在虛擬實驗環(huán)境中任意操作儀器和設(shè)備，可以根據(jù)自己的需求和實驗要求選擇儀器和設(shè)備，才能夠為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供開闊的空間，促進(jìn)學(xué)生思維能力的發(fā)展。同時，虛擬實驗室更要擁有實驗指導(dǎo)、演示、記錄以及答疑等基本的功能，真正實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的智能化處理，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。因此學(xué)校需要從硬件設(shè)施的建設(shè)上為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用提供充足的條件。除了要加大學(xué)校多媒體教育環(huán)境的投資，還要根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的要求進(jìn)行改造，打造虛擬實驗平臺應(yīng)用的教室，以推動化學(xué)實驗教學(xué)的順利開展。

3.2 虛擬實驗環(huán)境系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

在化學(xué)教學(xué)中，部分實驗由于條件有限，是無法在現(xiàn)實中進(jìn)行操作的，此時就可以利用仿真實驗軟件設(shè)計具體的化學(xué)實驗情景，引導(dǎo)學(xué)生深入觀察實驗內(nèi)容和現(xiàn)象，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)意識。而在設(shè)計虛擬實驗系統(tǒng)平臺的過程中，應(yīng)該根據(jù)化學(xué)實驗教學(xué)的特點(diǎn)來設(shè)計各個功能模塊，以滿足教師不同教學(xué)階段的需求。一般包括了學(xué)前測試模塊、實驗指導(dǎo)、交互模塊以及成果評價模塊等，而針對具體的實驗，也要設(shè)計相應(yīng)的實驗條件。學(xué)前測試是為了幫助教師更好地掌握學(xué)生的實際情況，從而可以不斷調(diào)整指導(dǎo)方案。實驗指導(dǎo)模塊就是學(xué)生在自主實驗的過程中，平臺可以充當(dāng)指導(dǎo)的角色，讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)探究的目標(biāo)，對一些儀器進(jìn)行指導(dǎo)說明，還可以更好地組織學(xué)生參與實驗準(zhǔn)備和探索，豐富學(xué)生的知識。交互模塊就是學(xué)生在實驗探索的過程中能夠針對實驗中的問題與教師和同伴進(jìn)行實時交流，將實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果匯報給教師，以幫助教師對學(xué)生的實驗過程進(jìn)行評價。而成果評價模塊就是系統(tǒng)能夠自動給出學(xué)生實驗探究的結(jié)果和成績，也能指出相應(yīng)的錯誤，幫助學(xué)生實現(xiàn)自主反思和總結(jié)。

3.3 教學(xué)模式的選擇和教學(xué)設(shè)計

在利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展實驗時，仍然要對實驗的器材、實施過程以及結(jié)果記錄等進(jìn)行設(shè)計，要讓學(xué)生在明白實驗原理的前提下開展仿真實驗，只有明確了實驗的目標(biāo)，才能通過一步步實驗設(shè)計提升學(xué)習(xí)的效果。同時針對不同類型的實驗，教師也要參與虛擬環(huán)境實驗教學(xué)的設(shè)計和模式選擇，要加強(qiáng)實驗的引導(dǎo)，幫助學(xué)生科學(xué)規(guī)劃仿真實驗的步驟，提高實驗的準(zhǔn)確性。教師要關(guān)注學(xué)生在實驗中可能出現(xiàn)的問題，進(jìn)行科學(xué)引導(dǎo)，提高實驗質(zhì)量。一般在虛擬環(huán)境下開展化學(xué)實驗需要進(jìn)行以下的教學(xué)設(shè)計：學(xué)生分析、任務(wù)分析、探究問題的可行性分析、目標(biāo)分析、過程和方法設(shè)計以及準(zhǔn)備階段。比如在探索氧氣的制取方式時，就有多種不同的制取方式和驗證方式，而針對不同的方法需要提供不同的實驗工具和儀器。因此教師要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的選擇進(jìn)行工具的準(zhǔn)備，明確學(xué)習(xí)的任務(wù)。

4 結(jié)語

綜上所述，在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠有效提升實驗的生動性和準(zhǔn)確性，教師要以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)為中心，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建具象的情景，提升實驗教學(xué)的針對性，同時借助豐富多彩的計算機(jī)軟件幫助學(xué)生掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)學(xué)生對知識和世界進(jìn)行不斷的創(chuàng)新和探索，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力。