虚拟现实技术在化学实验教学中的应用探索

    陈芮 杨天林

    

    

    摘 ?要 基于虚拟现实技术及其在化学实验教学中的独特优势，针对传统化学实验教学中存在的不足，通过整合虚拟现实技术应用于化学实验教学的优势，以一氧化碳还原氧化铁为例，探索虚拟现实技术在化学实验教学中的应用，以期为一线教学提供借鉴和参考。

    关键词 虚拟现实技术;虚拟教学;化学实验教学;情境教学;一氧化碳还原氧化铁;虚拟实验室

    中图分类号：TP391.9 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）11-0109-03

    1 引言

    虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种基于多媒体计算机技术、传感技术、仿真技术的沉浸式交互环境[1]。VR技术的三个最突出的特征是沉浸性、想象性和交互性。

    虚拟现实技术是数字图像处理与模式识别、智能技术、多媒体技术、语音处理与音响技术、网络技术、传感器技术等多个信息技术分支的集成与综合应用[2]。同时，虚拟现实技术融合了心理学、计算机图形学、数据库、控制学、实时分布系统、电子学、多媒体技术等[3]。也就是说，虚拟现实技术是对多种技术的综合应用与多学科的融合发展，相比于传统的虚拟仿真技术构建的扁平的二维环境，其构建的虚拟环境是多维度的、立体的，更接近于现实环境。基于虚拟现实技术的人机交互也更生动、自然、逼真，能最大限度给人以身临其境的感觉，人们可以沉浸在虚拟世界中全身心地感受虚拟世界与自身的互动。

    虚拟教学是基于VR技术在虚拟空间中进行教育学习的一种新型教学模式，即运用VR技术构建一个虚拟的学习环境，通过对知识点客观、真实的模拟重现，使教师和学生在虚拟环境中完成教与学的全过程[4]。

    2 虚拟现实技术应用于化学实验教学的优势

    化学实验教学是化学教学的重要组成。可以说，化学学科的发展是以实验为基础的。从化学学科发展历程来看，化学实验是探索物质性质的重要研究方法[5]。同时，化学实验也是学生进行探究学习的重要途径。通常，在进行化学探究实验之前，学生要通过查阅文献和书籍来设计实验方案或对已有实验方案进行改进;在实验过程中，学生要自主地通过积极思考、深入探究、相互协作来解决可能遇到的各种困难;实验结束后，学生要进行数据分析和实验反思，总结规律与经验。化学实验可以培养和发展学生的创新能力、团队合作能力、交流能力、社会责任感和信息素养。

    然而，当前化学实验教学中依然存在诸多问题，例如：欠发达地区的学校往往化学实验设施器材落后、药品种类不全;教师不重视化学实验教学，几乎不进行化学实验教学，学生死记硬背实验原理、实验步骤、实验注意事项等知识点以应付考试;实验教学仅限于按照书本完成实验步骤，缺乏思考与探究的过程;有些化学实验或具有一定危险性，或反应所需时间过久，或反应条件苛刻，或反应现象不明显，不适合进行化学实验教学。

    随着虚拟现实技术的发展，VR逐渐走进人们的生活，走入学科教学[6]。将VR技术应用于化学实验教学，不仅可以很大程度上解决以上问题，还能够提高实验教学的效率，激发学生对实验的探索兴趣。VR技术应用于化学实验教学的优势主要表现在教学环境虚拟化、教学过程情境化、教学知识集成化、学生学习自主化四个方面。

    教学环境虚拟化 ?虚拟教学，简单地说，就是通过多种先进技术构建一个虚拟的、交互的、接近于现实环境的学习环境，学生可以通过与虚拟环境互动获得体验与知识，由此达到教学目的的一种教学手段。虚拟现实教学中的教学环境是非现实存在的，也就避免了现实环境条件、时间、空间对于教学的限制。传统化学实验教学往往不可避免地受限于教学条件，如实验的时间、空间有限，实验器材与实验药品价格昂贵与损耗严重，某些实验的反应条件苛刻，等等，都在一定程度上限制了教学。利用VR技术构建的虚拟教学环境可以通过解决现实条件限制问题增加学生学习实践的机会，从而提高学习效率。

    教学过程情境化 ?情境教学是指学生在创设的真实情境中通过问题探究和问题解决，达到自主学习知识、建构意义的目的的教学[7]。情境教学认为知识只有在情境中才产生意义，情境构建是意义建构的必要前提，而意义建构是学习的目的。也就是说，学生需要通过情境主动建构知识，从而达到意义建构的目的。

    虚拟教学环境的特征是沉浸性、想象性、交互性，其虚拟环境是逼真的、生动的、直观的、互动良好的。学生沉浸于虚拟环境中可以感受多维的感官刺激，获得近似真实的实践体验，以此主动地进行知识建构。因此，VR建构虚拟环境是实现情境教学的有效手段之一。化学实验情境化可以更有效地帮助学生深化对化学与生活、生产之间关系的認识，拓宽学生对化学实验的认知，激发学生对化学的兴趣，提升学生的化学核心素养。

    教学知识集成化 ?虚拟现实系统通过计算机将图像、图表、音频、视频和动画等进行复杂集成，以人类认知特点为基础构建教学环境，组织和展现教学知识，体现了知识信息的形式及内容的多样性和复杂性，为学生提供动态、开放、自由的结构化认知形式，有利于学生综合掌握和运用所学知识[5]。

    传统教学往往仅聚焦于化学学科，注重单一学科知识的系统学习，教科书以文字、图片等方式展示实验教学内容，展示方式是扁平、生硬的。学生难以有效地建构情境并将所学新知识与已有经验建立联系，难以进行多学科融合学习。传统教学方式不可避免地会造成学科之间的割裂，且不利于学生建立学科之间的逻辑关系。虚拟教学不仅可以生动展示化学学科基本内容，也能直观地帮助学生认识到化学与其他学科之间的联系，从而建立起综合的知识结构，提高学生的创新能力与实践能力。

    学生学习自主化

    一是激发学生的学习动机和兴趣。刘德建提出，VR教学对于学校教育的主要作用就是激发学生的学习兴趣[8]。学生可以通过VR体验真实情境，在真实情境中进行教学能最大限度地激发学生的参与兴趣，提高学生的学习效率。

    二是增强学生的主体地位。虚拟教学是以学生为主体的教学。传统教学往往有固定的教学顺序，即教师讲解，然后学生记忆、理解、练习，最终达到教学目的。学生在传统教学中往往是被动接受的角色。而虚拟教学则更强调学生主动参与知识建构，学生在虚拟环境中可以自主选择、自主思考、大胆探索，在自主思考、分析、归纳、综合的过程中进行知识建构，从而达到教学目的。这将很大程度上解决学生死记硬背，难以学以致用、学习负担重、学习效率低等教育教学问题。

    3 应用案例设计：一氧化碳还原氧化铁

    一氧化碳还原氧化铁实验不仅要求学生掌握实验原理、实验装置与实验现象，也要求学生掌握其实验操作的注意事项及其原因并能够灵活应用与迁移。各省市中考化学试卷考查本实验时，往往聚焦于实验操作的注意事项，例如：反应开始前通入一氧化碳气体与点燃酒精灯的顺序及其错误操作的后果;反应结束后停止加热与停止通一氧化碳的顺序及其错误操作的后果;尾气处理及其改进;防倒吸及其错误操作的后果;等等。

    现实中进行一氧化碳还原氧化铁实验教学存在很多困难，例如：实验需持续通入一氧化碳气体，而一氧化碳有毒;实验装置存在爆炸的危险;实验需进行尾气处理，若尾气处理不彻底，会产生安全隐患;实验需在通风橱中进行，学生观察实验现象不方便;实验耗时较长;等等。基于以上原因，本实验不具备课堂现场演示或学生操作的条件。因此，教师往往采取实验视频播放、动画演示等方式进行教学，而学生往往通过口诀或死记硬背的方式来记忆实验现象、点燃酒精灯与通一氧化碳的先后顺序以及错误操作带来的后果。此方法虽然安全性高、耗时短、简单快捷，却无法激发学生的探索欲望，难以增强学生学习动机，更谈不上优化学生的学习体验，培养其化学兴趣。

    利用VR技术构建虚拟的化学实验室，学生在虚拟实验室中体验实验操作，可有效解决以上问题。

    VR实验案例 ?利用3D MAX软件进行实验室相关模型的创建和场景搭建，搜集文字、语音等素材，以Unity 3D作为VR应用程序开发引擎，根据需要编写程序，经过调试改善后连接硬件设备，即可进行虚拟实验。虚拟现实硬件设备分为头戴式、桌面式、手持式。其中，头戴式虚拟现实设备应用较为广泛，也更适合进行化学虚拟实验操作。头戴式虚拟现实设备包括头盔显示器、数据手柄、位置追踪器等，如图1所示。

    以矩道3D虚拟实验室为操作平台，虚拟实验室环境如图2所示。在虚拟实验室中，学生可以按照教科书实验图示连接实验仪器，依照实验步骤进行本实验的操作，如图3所示。除此之外，学生还可以对实验进行进一步探索与试误，如选择尝试先加热氧化铁，再通入一氧化碳。如此操作后，学生将会观察到硬质玻璃管炸裂，并听到爆炸的声音，如图4、图5所示。

    师生对话与教师的积极参与是教育活动的基础[9]。技术互动并不能完全替代教师与学生的互动，VR作为化学实验教学的有效补充，是为了帮助教师更好地进行教育教学。虚拟实验结束后，教师可以组织学生进行交流、分析、总结和评价。

    在虚拟实验室中，学生根据自身需要，有的严格按照实验步骤进行实验，有的对实验进行了进一步的探索、试误或改进。例如：先加热氧化铁，再通入一氧化碳;或先通入一氧化碳气体，再点燃尾气处理处的酒精灯;或未完全冷却便停止通入一氧化碳;等等。不同的实验操作将会得到不同的实验现象和实验结果。

    实验结束后，教师组织学生以小组形式交流各自的实验操作过程及实验结果，讨论分析出现相应实验现象的原因，探究实验的改进方法。交流讨论结束后，教师组织进行汇总，引导学生归纳总结各种情况下的实验现象与原因，并进行实验反思，形成实验报告。VR虚拟实验教学应用于本实验不仅培养了学生的动手能力，还增强了学生的主体意识，培养了学生的探究能力、思考能力、合作交流能力，提高了学生的实验安全意识。

    4 结语

    虚拟现实技术作为一种新型技术应用于实验教学，依然存在设备昂贵、行业标准不完善、教育资源开发难度高等问题，但是，其在实验教学中的优势仍是无可比拟的。随着VR技术的发展与相关问题的解决，VR技术在实验教学中的应用将进一步拓展。

    参考文献

    [1]张建武，孔红菊.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用[J].电化教育研究，2010（4）：109-112.

    [2]黄鑫.基于VR技术的虚拟教学应用研究[D].武汉：华中师范大学，2005.

    [3]薛亚娣.基于虚拟现实技术的计算机辅助教学研究[J].兰州文理学院学报：自然科学版，2017，31（1）：116-119.

    [4]梁利东，江本赤，贾文友.VR技术在实践教学中的应用研究[J].教育教学论坛，2019（16）：50-52.

    [5]吴星.对高中化学核心素养的认识[J].化学教学，2017（5）：3-7.

    [6]李勋祥，游立雪.VR时代开展实践教学的机遇、挑战及对策[J].现代教育技术，2017，27（7）：116-120.

    [7]张华.课程与教学论[M].上海：上海教育出版社，2000：477.

    [8]张志祯.虚拟现实教育应用：追求身心一体的教育：从北京師范大学“智慧学习与VR教育应用学术周”说起[J].中国远程教育，2016（6）：5-15，79.

    [9]芬伯格.技术批判理论[M].韩连庆，曹观法，译.北京：北京大学出版社，2005：146，157，162.