虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王保安 蘇丹 李亞利 吳燕

（亳州市第三完全中學(xué)，安徽 亳州 236800）

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，化學(xué)核心素養(yǎng)是化學(xué)學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生未來融入社會(huì)所需的必備品格和關(guān)鍵能力有著重要影響。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基于化學(xué)特點(diǎn)，通過營(yíng)造自主學(xué)習(xí)的虛擬環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中與虛擬對(duì)象以各種方式產(chǎn)生交互，幫助學(xué)生感知、獲得、加工處理虛擬環(huán)境中的信息，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)“離身”教學(xué)方式中出現(xiàn)的學(xué)生主體性失落、課堂教學(xué)程式化、工具化、形式化以及學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)困難等不足，有力地促進(jìn)了學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

我們所熟知的VR 技術(shù)，雖然出現(xiàn)時(shí)間不長(zhǎng)，但是其應(yīng)用領(lǐng)域卻日益廣泛，不僅影視娛樂、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域會(huì)應(yīng)用到VR 技術(shù)，與此同時(shí)，VR 技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用也日益普遍。通過將VR 技術(shù)引入教育領(lǐng)域中，能夠通過模擬真實(shí)的環(huán)境，促使學(xué)生對(duì)環(huán)境能夠具有較強(qiáng)的沉浸感，學(xué)生能夠在真實(shí)的情境中學(xué)習(xí)。VR 技術(shù)有幾個(gè)重要特征，具體如下：首先，VR 技術(shù)具有較強(qiáng)的沉浸性特征。借助虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，用戶仿佛置身于一個(gè)真實(shí)的世界，不僅能夠感受到觸覺、味覺、嗅覺以及運(yùn)動(dòng)方面的感官刺激，與此同時(shí)，還能促使用戶主動(dòng)在虛擬的現(xiàn)實(shí)世界中沉寂，用戶能夠獲得真實(shí)的活動(dòng)體驗(yàn)，進(jìn)而在真實(shí)的情境中完成相應(yīng)的活動(dòng)任務(wù)。其次，VR 技術(shù)具有較強(qiáng)的交互性特點(diǎn)。用戶身處于虛擬的空間之中，當(dāng)觸碰到相關(guān)的物體的時(shí)候，希望能夠產(chǎn)生真實(shí)的感知體驗(yàn)。與此同時(shí)，用戶在活動(dòng)的過程中做出的某一個(gè)動(dòng)作則往往也會(huì)使所觸碰到的物體的狀態(tài)以及位置發(fā)生變化，具有較強(qiáng)的交互性特點(diǎn)。最后，VR 技術(shù)具有多感知性特點(diǎn)。通過使用VR技術(shù)，能夠使人的多項(xiàng)感知能力得到有效激活，其范圍不僅包含上文中提到的嗅覺、味覺以及觸覺，同時(shí)也包含系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)感知以及聽覺感知，而伴隨著相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，VR 技術(shù)的多感知性豐富程度也在逐漸提升，其應(yīng)用范圍也會(huì)越來越廣泛。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的必要性和優(yōu)勢(shì)

（一）必要性

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是課程改革的要求，在中國(guó)現(xiàn)行的《化學(xué)考試大綱說明》中，就寫了要求學(xué)生通過化學(xué)學(xué)習(xí)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)掌握分析問題的過程和成果，然后能夠用準(zhǔn)確的術(shù)語進(jìn)行文字、模型和圖表的分析和處理的能力。其中尤其強(qiáng)調(diào)了模型和模型方法這種科學(xué)思維方式和認(rèn)識(shí)手段，能夠幫助學(xué)生理解一些抽象的化學(xué)概念或者分析一些化學(xué)現(xiàn)象，除此之外，通過模型法還能夠描述一些化學(xué)事實(shí)和對(duì)一些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)，在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中尤為重要。其次，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是信息化教學(xué)發(fā)展的要求。隨著國(guó)家信息化水平的不斷提升，信息技術(shù)已經(jīng)普遍運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域行業(yè)其中就包括教育領(lǐng)域，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的教育模式已經(jīng)滿足不了新時(shí)期對(duì)教學(xué)效果的要求和期望，只有將新的信息技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中才能適應(yīng)學(xué)生的時(shí)代感和提高教學(xué)效率。并且隨著學(xué)校規(guī)模的擴(kuò)大導(dǎo)致了學(xué)生數(shù)量的大幅增加，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材已經(jīng)不能夠滿足激增的學(xué)生數(shù)量，實(shí)驗(yàn)器材的缺失必然會(huì)影響學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和效率。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)是時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)。

（二）優(yōu)勢(shì)

1.具有可重復(fù)性，提高實(shí)驗(yàn)效率。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)生可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作，熟悉實(shí)驗(yàn)基本步驟和注意事項(xiàng)，為后期進(jìn)行實(shí)踐時(shí)間時(shí)打下基礎(chǔ)和避免一些操作失誤，從而延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)器材的使用壽命。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中具體實(shí)施虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以利用計(jì)算機(jī)程序?qū)W(xué)生的模擬實(shí)驗(yàn)步驟和過程進(jìn)行考核，當(dāng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握達(dá)到一定程度時(shí)，通過模擬實(shí)驗(yàn)也能引發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的思考，結(jié)合模擬和具體實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻^化學(xué)實(shí)驗(yàn)有更深的了解和認(rèn)識(shí)。

2.增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)，節(jié)約資源?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)過程體驗(yàn)感極高的過程，通過每個(gè)步驟都能發(fā)生肉眼可見的化學(xué)變化和現(xiàn)象，微弱的操作變化都能夠影響最終的化學(xué)現(xiàn)象，但是如果想要看到這些微弱的變化和差別，用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器是極其浪費(fèi)的，而且付出的成本和回報(bào)是不成正比的。但是通過模擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，這個(gè)過程能夠在計(jì)算機(jī)上被實(shí)現(xiàn)，不受到實(shí)驗(yàn)室時(shí)間、空間和物品數(shù)量上的限制，并且能夠進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，如果學(xué)生一次不能感受到化學(xué)變化的過程，在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中老師也是不會(huì)為了個(gè)別學(xué)生再重復(fù)進(jìn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)的，但是使用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)就可以重復(fù)進(jìn)行許多次。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生能夠直觀了解實(shí)驗(yàn)器材的組建和現(xiàn)象，當(dāng)實(shí)驗(yàn)過程發(fā)生變化或者由于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)掌握的不全面導(dǎo)致某些實(shí)驗(yàn)步驟沒有正確進(jìn)行，那么在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中是極有可能造成實(shí)驗(yàn)失誤導(dǎo)致學(xué)生有現(xiàn)實(shí)危險(xiǎn)，但是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬操作就可以避免這些實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提醒學(xué)生注意實(shí)驗(yàn)安全，能更有效地提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效果。

三、高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的因素

（一）教師對(duì)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重視程度不高

相比傳統(tǒng)的教學(xué)理念而言，新課改對(duì)學(xué)生探究能力和思維能力培養(yǎng)的重視程度得到了明顯提升。盡管如此，仍有很大一部分教師還是堅(jiān)守應(yīng)試教育理念，十分重視學(xué)生的卷面分?jǐn)?shù)。再加上化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)耗時(shí)比較長(zhǎng)，而初中化學(xué)教學(xué)時(shí)間有限，為了達(dá)到“舍遠(yuǎn)求近”的目的，有不少教師減少了學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，親自動(dòng)手演示，要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象進(jìn)行記憶。甚至還有少部分教師直接利用多媒體為學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)，通過“云實(shí)驗(yàn)”的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。無論是哪種教學(xué)方式，都嚴(yán)重違背了化學(xué)學(xué)科科學(xué)性、探究性的本質(zhì)，造成學(xué)生科學(xué)探究意識(shí)和能力無法得到有效發(fā)展。

（二）學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和自控力有所欠缺

新課改下，自主學(xué)習(xí)、思考和探究的學(xué)習(xí)形式都到了大力提倡，有些教師也積極響應(yīng)新課改的要求，給予學(xué)生充足的自主學(xué)習(xí)探究的時(shí)間和空間，但是最終的教學(xué)效果并不明顯。一方面是教師忽略了自身的引導(dǎo)作用，沒有及時(shí)給予學(xué)生正確合理的引導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生無法順利地完成科學(xué)探究。另一方面是學(xué)生自身學(xué)習(xí)動(dòng)力和自控力不足導(dǎo)致的，正處于荷爾蒙急速增長(zhǎng)的時(shí)期，外界對(duì)其有著不可抗拒的吸引力，很容易在外界的左右下，出現(xiàn)各種不良學(xué)習(xí)行為。再加上他們自控能力差，不善于進(jìn)行自我管理，學(xué)習(xí)態(tài)度消極等不良現(xiàn)象，這些因素都給高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果造成了惡劣影響，從而阻礙了學(xué)生科學(xué)探究能力的發(fā)展。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用分析

（一）形象認(rèn)識(shí)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生微觀辨析與模型認(rèn)知能力

選擇性必修課程“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”側(cè)重從物質(zhì)結(jié)構(gòu)、微粒間不同作用力的微觀角度分析物質(zhì)性質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生深入探析物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系。相關(guān)理論與模型的學(xué)習(xí)能夠豐富對(duì)物質(zhì)構(gòu)成規(guī)律的認(rèn)識(shí)，提升學(xué)生根據(jù)認(rèn)知模型進(jìn)行理論推測(cè)，分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的能力。以“分子的立體構(gòu)型”教學(xué)為例，課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生能夠結(jié)合實(shí)例認(rèn)識(shí)特定分子的空間結(jié)構(gòu)，運(yùn)用價(jià)層電子對(duì)互斥理論、雜化軌道等理論與模型解釋、預(yù)測(cè)特定共價(jià)分子的空間結(jié)構(gòu)，這需要學(xué)生具有較強(qiáng)的空間想象能力、抽象思維能力與模型認(rèn)知能力。傳統(tǒng)化學(xué)教學(xué)中教師普遍選擇利用圖片展示和球棍實(shí)物模型演示的方式幫助學(xué)生獲得感性體驗(yàn)從而達(dá)到教學(xué)目的。在課堂教學(xué)效率方面，采用啟發(fā)講授式教學(xué)需要教師花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行理論推導(dǎo)，重復(fù)講解抽象知識(shí)、分析共價(jià)分子空間構(gòu)型;采用探究式教學(xué)提供球棍模型讓學(xué)生自己推測(cè)分析的空間結(jié)構(gòu)費(fèi)時(shí)較多，且學(xué)生對(duì)于分子的空間結(jié)構(gòu)依然停留在二維或三維的認(rèn)識(shí)水平，兩種教學(xué)方式課堂效率較低。

（二）預(yù)演實(shí)驗(yàn)方案，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力與創(chuàng)新意識(shí)

在進(jìn)行氯元素及其化合物教學(xué)中，由于氯氣有毒危害較大，出于師生安全的考慮教師往往采用視頻、圖片、板書以及口述的方式代替實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生對(duì)氯氣性質(zhì)的探究性學(xué)習(xí)也被記憶化學(xué)方程式和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的機(jī)械學(xué)習(xí)取代，學(xué)生缺乏對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的感性認(rèn)知，不利于科學(xué)探究能力的發(fā)展。一些教師雖然在課堂通過演示實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)氯氣的相關(guān)性質(zhì)，但對(duì)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的新問題，通常采取“忽視”或直接講授解答學(xué)生疑惑的方式處理。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無法給學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的條件，只是讓學(xué)生課后改進(jìn)設(shè)計(jì)環(huán)保型的實(shí)驗(yàn)方案，改進(jìn)方案得不到驗(yàn)證，科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng)流于形式。利用金華科NOBOOK 仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室不僅可以為師生創(chuàng)設(shè)安全、綠色的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，還可以給學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的條件。學(xué)生可以在課前認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)操作需要用到的試劑與儀器，對(duì)即將學(xué)習(xí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)演、分析與總結(jié)。課后反復(fù)演練實(shí)驗(yàn)，反思總結(jié)實(shí)驗(yàn)裝置與操作的不足，探究性地改進(jìn)并驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案。這不僅激發(fā)了學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)興趣，加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)原理的理解，提高了分析問題、解決問題與合作學(xué)習(xí)的能力，也使學(xué)生科學(xué)探究能力與創(chuàng)新意識(shí)的發(fā)展落到實(shí)處。

五、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展策略

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合

虛擬和傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)兩者各有優(yōu)勢(shì)，它們不是對(duì)立的關(guān)系，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不能完全被虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)所取代，同時(shí)也不能只做傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該將兩者有機(jī)結(jié)合，相互補(bǔ)充，達(dá)到一加一大于二的效果。例如，有些設(shè)計(jì)類綜合實(shí)驗(yàn)比較復(fù)雜，我們可以首先通過虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是否可行，可行后在通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步深入展開，這既節(jié)約了時(shí)間和成本，又提高了實(shí)驗(yàn)效率。

（二）虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享

當(dāng)前虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展還不完善，在絕大部分院校中的規(guī)模較小，只是一種輔助教學(xué)的存在形式，在軟件開發(fā)和教學(xué)資源方面，虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)有很大的局限性。因此，將多個(gè)院校的教育資源進(jìn)行整合，建設(shè)高校間的協(xié)作研究虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以節(jié)約資源，促進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的快速發(fā)展。

結(jié)束語：綜上所述，學(xué)校在實(shí)際組織化學(xué)教學(xué)活動(dòng)的過程中，要想真正實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量以及教學(xué)效率的有效提升，還需要對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行更新，教學(xué)中要合理應(yīng)用新技術(shù)，使教學(xué)能夠真正做到與時(shí)俱進(jìn)，通過一些科學(xué)的、先進(jìn)的、現(xiàn)代化教學(xué)方法的應(yīng)用，為學(xué)生未來更好地適應(yīng)工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。而從高中實(shí)訓(xùn)教學(xué)的角度來講，通過V R技術(shù)的應(yīng)用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)真實(shí)工作場(chǎng)景的模擬，使學(xué)生在最接近于真實(shí)情境的環(huán)境中參與實(shí)踐，還能使學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情以及學(xué)習(xí)積極性都得到有效激發(fā)。