虛擬現(xiàn)實技術在化學教學中的應用現(xiàn)狀分析

王查利，荊永君，張朋輝

（沈陽師范大學 教育技術學院，遼寧 沈陽 110034）

虛擬現(xiàn)實技術在化學教學中的應用現(xiàn)狀分析

王查利，荊永君，張朋輝

（沈陽師范大學 教育技術學院，遼寧 沈陽 110034）

虛擬現(xiàn)實技術在教育領域的應用，帶來了教育環(huán)境的進一步提升。本文在介紹了虛擬現(xiàn)實的概念及其類型的基礎上，通過對國內(nèi)外幾個典型案例的研究分析，總結了虛擬現(xiàn)實技術在化學教學中的應用現(xiàn)狀，并對其應用前景提出展望。

虛擬現(xiàn)實；化學教育；應用現(xiàn)狀；分析

化學是一門依托實驗教學的實用性很強的學科，在教學過程中其教學信息大部分都是通過實驗來傳遞，然而，化學實驗中相當一部分實驗具有危險性（如氫氣的驗純實驗），或者實驗現(xiàn)象不易觀察（如脂化反應、核外電子運動狀態(tài)）。因此，通過輔助手段來減少傳統(tǒng)實驗存在的劣勢，從而增加實驗對學習的促進作用，成為研究者日漸關注的問題。虛擬現(xiàn)實技術作為一種新興的技術手段，能夠?qū)嶒瀮?nèi)容進行模擬仿真，不僅可以增加學生的感性認識、提高學生的動手能力，而且能夠節(jié)約實驗成本和減少實驗危害。虛擬現(xiàn)實技術所具有的優(yōu)勢將會給教育領域特別是教育中的實驗學科提供全新的學習方法、學習環(huán)境。

一、虛擬現(xiàn)實的概念及其類型

虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，簡稱VR）由美國的加隆·雷尼爾（JaronLanier）于1989年正式提出，國內(nèi)還有學者將其翻譯為“靈境”、“虛擬環(huán)境”等。虛擬現(xiàn)實指的是利用三維多媒體信息處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對現(xiàn)實事物各種變化過程描述具有逼真的視、聽、觸、動等多種感知功能的虛擬環(huán)境。通過對場景的虛擬能夠為學生營造自主學習的虛擬環(huán)境，學生在虛擬環(huán)境中，能夠與虛擬對象以各種方式產(chǎn)生交互，從而達到感知虛擬環(huán)境中的信息并獲得知識和技能的目的，這樣就從根本上改變了傳統(tǒng)的 “以教促學”的方式。[1]而在具體的實現(xiàn)形式上，就必須要考慮虛擬現(xiàn)實技術的特殊性，用最恰當?shù)姆绞絹沓尸F(xiàn)知識是虛擬現(xiàn)實技術在教育中應用的關鍵。[2]

布魯?shù)拢˙urdgeG）在1993年的Electro93國際會議上提出了虛擬現(xiàn)實的三個基本特征：沉浸感、交互性、想象性。[3]

虛擬現(xiàn)實的沉浸感是其最根本的特征，它能夠使對象完全投入到虛擬環(huán)境中去，通過親身體驗來獲得對世界的感知，這樣形成的知識更容易形成長時記憶。交互性是指用戶在虛擬環(huán)境中能夠自由操縱虛擬對象并能夠得到反饋，它是虛擬現(xiàn)實技術區(qū)別于其他技術的核心。例如，用戶可以通過傳感手套用手握住虛擬環(huán)境中的水杯，能夠感受到水杯的重量，當搖晃水杯時，能感受到杯中水的晃動。想象性是指用戶在虛擬環(huán)境中，通過與虛擬環(huán)境的各種交互作用，從依靠單一的定量計算轉(zhuǎn)變成依靠定性和定量的綜合集成環(huán)境中獲得感性和理性知識，從而可以加深對概念的理解。

普通意義上的虛擬現(xiàn)實，需要數(shù)據(jù)頭盔、傳感手套等昂貴設備，數(shù)據(jù)頭盔提供立體圖像深度暗示，它的顯示范圍包含人的整個視覺范圍，并且將用戶與現(xiàn)實世界完全屏蔽；傳感手套采用光纖作為傳感器，通過光纖而獲得光強數(shù)據(jù)從而間接獲知指關節(jié)的彎曲程度，最后感知手的變化。用戶在使用時可以依照自身的參與程度而選擇相對應的設備。

根據(jù)國內(nèi)外眾多學者的研究，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以分為以下四種類型。

1．桌面虛擬現(xiàn)實

桌面虛擬現(xiàn)實（DesktopVR），是指用戶通過計算機的屏幕獲得一個虛擬的觀察通道，依靠虛擬現(xiàn)實的簡單外部設備達到與虛擬環(huán)境的交互。由于桌面虛擬現(xiàn)實的沉浸感有限，導致了用戶在使用過程中無法擺脫現(xiàn)實世界的束縛，而不能夠完全沉浸在虛擬世界中，這是DVR的不足之處，然而其低廉的成本和實現(xiàn)技術較簡單卻使其有著很廣闊的應用前景。[4]如汽車駕駛模擬器、金華科仿真化學實驗室等都屬于桌面式虛擬現(xiàn)實的應用。

2．沉浸式虛擬現(xiàn)實

沉浸式虛擬現(xiàn)實（ImmersiveVR）主要是指用戶在數(shù)據(jù)頭盔、傳感手套等一些交互設備的作用下，自身的視、聽覺及其他感覺大部分或完全被人為地隔絕，而完全沉浸在虛擬的世界中，［5］在與虛擬世界中的物體交互的過程中產(chǎn)生新的視、聽及其他感覺，達到獲得經(jīng)驗和知識的目的，這是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中最有代表性和技術性的系統(tǒng)。多投影面沉浸式虛擬環(huán)境（CaveAutomaticVirtualEnvironment）就是較有代表性的投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

3．增強型虛擬現(xiàn)實

增強型虛擬現(xiàn)實（AugmentedVR），是指在用戶觀察真實環(huán)境中的物體的同時，將虛擬環(huán)境的圖形與真實環(huán)境中的物體疊加在一起，把與真實物體有關的、儲存在計算機中的信息展現(xiàn)給用戶，達到增強現(xiàn)實的目的。中科院心理研究所從美國引進的IS－900運動跟蹤儀和SimEye XL100A頭盔，可以跟蹤身體各部位的運動以及眼睛所看到的物體，并將這些信息呈現(xiàn)在顯示儀上。這兩種設備已經(jīng)用于人類空間認知基礎研究和增強現(xiàn)實研究。

4．分布式虛擬現(xiàn)實

分布式虛擬現(xiàn)實（DistributedVR）是基于沉浸式虛擬現(xiàn)實而產(chǎn)生的，主要通過計算機系統(tǒng)的網(wǎng)絡功能而將多個用戶連接到同一虛擬環(huán)境中，實現(xiàn)信息共享提高協(xié)同工作的效率。分布式虛擬現(xiàn)實使虛擬現(xiàn)實上升到另外一種高度。[6]例如軍事演習的虛擬戰(zhàn)爭模擬就是分布式虛擬現(xiàn)實的應用。

虛擬現(xiàn)實在教育領域中的出現(xiàn)，帶來了學習效果的提高、思維活動方式的改善等一系列教育功能的優(yōu)化。從目前來看，教育領域中虛擬現(xiàn)實的運用并沒有大規(guī)?；?，其根本原因在于虛擬現(xiàn)實的軟硬件成本還沒有降低到教育系統(tǒng)能夠廣泛接受的程度。目前教育中應用的相關的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)多屬于桌面虛擬現(xiàn)實。

二、虛擬現(xiàn)實的研究現(xiàn)狀

1．國外研究現(xiàn)狀

美國作為虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)源地，其研究水平基本上代表了國際虛擬現(xiàn)實發(fā)展的水平。目前美國在該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。虛擬現(xiàn)實在航空航天、醫(yī)療、建筑等行業(yè)的應用已經(jīng)比較廣泛和深入，但在教育中的應用還未完全普及。

在國外研究成果中，應用于化學領域比較有代表性的學習軟件如下：

（1）ChemLab

ChemLab由美國Corel公司于1996年推出。它是一個交互式的化學實驗模擬工具，通用的實驗裝置和步驟用于模擬一步一步執(zhí)行化學實驗，如圖1所示。該軟件以任務為主線，首先，由教師制定一系列學習任務和學習目標，學生在領會學習任務和目標的前提下，通過引導而最大程度地獨立完成實驗。ChemLab的功能比較突出，但實驗器具和試劑偏少，實驗模塊之間的自由構建功能體現(xiàn)不足，擴展功能也很有限并且不具備味覺和觸覺功能。[7]

（2）IrYdiumChemistryLab

IrYdiumChemistryLab軟件由美國CarnegieMellon大學基于Java開發(fā)，有很好的跨平臺性，但運行速度不是很快。它的優(yōu)點在于學生通過網(wǎng)絡來查看學習進度，充分利用空閑時間進行自主學習；將化學藥品的屬性直接展現(xiàn)在屏幕上，方便學生直接使用，如圖2所示。但是該軟件只設置了部分實驗，實驗藥品和裝置都不是很充足，在實驗范圍的廣度上有待提升；針對學習者在實驗中可能產(chǎn)生的錯誤沒有做出預測，缺乏錯誤的提示和糾正功能。

2．國內(nèi)研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實技術在國內(nèi)的地位處于日漸上升的階段，多個領域都相繼引入虛擬現(xiàn)實并取得了較好的成果。目前，虛擬現(xiàn)實技術在教育領域中主要應用于航空航天、建筑、醫(yī)療、規(guī)劃、設計、電子電路等學科教學中，而在化學實驗教學中的應用還未得到大范圍的推廣。目前，國內(nèi)有代表性的虛擬化學實驗系統(tǒng)主要有以下幾種：

（1）浙江大學有機化學虛擬實驗室

浙江大學有機化學虛擬實驗室，是基于Web的虛擬實驗，如圖3所示，該系統(tǒng)的實驗內(nèi)容主要從基本操作、制備實驗和分離實驗三個方面，實現(xiàn)對有機化學實驗的虛擬操作。整個實驗系統(tǒng)內(nèi)容全面、界面清晰、操作步驟明晰并伴有操作提示，能夠讓學習者在提示作用下快速完成實驗內(nèi)容。但對于錯誤的實驗完全屏蔽并且每一步都有提示，缺乏對學習者能力的檢測與監(jiān)測。

（2）金華科仿真化學實驗室

金華科仿真化學實驗室，軟件界面設計靈活，實驗內(nèi)容較豐富，實驗過程具有嚴謹?shù)目茖W性和開放的交互性，既是化學課堂中的教學平臺，也是化學教師的課件制作平臺和學生的交互式學習平臺。該虛擬實驗系統(tǒng)由仿真化學實驗室、三維分子展示（如圖4所示）、中學化學小百科三部分組成。仿真化學實驗室的設計界面是二維結構，用戶可以按照自己的需要搭建實驗器材，獨自進行實驗。在實驗整體性上有自己的優(yōu)勢，并且能夠清晰地看到發(fā)光、氣泡等現(xiàn)象，不足之處在于它沒有對實驗過程中可能存在的錯誤進行分析，并給出錯誤提示和更正處理。

（3）東師理想初中化學虛擬仿真實驗室軟件

東師理想初中化學虛擬仿真實驗室軟件，囊括了整個初中化學實驗內(nèi)容，對全部實驗儀器做了總結并給出了圖形介紹，每個實驗內(nèi)容又分為操作演示、虛擬操作、實驗儀器展示、實驗介紹四個部分。該軟件通過實驗介紹闡述實驗的教學目標以及實驗的實用性和重要性，用語音和圖形把實驗操作和注意事項展現(xiàn)給學生，最后通過學生自己的虛擬操作達到理解實驗的目的，如圖5所示。整個教學過程思路清晰、目標明確，學生按照既定的操作步驟在操作提示的引導下自主搭建實驗器材，獨立完成實驗，這既鍛煉了學生的動手能力，又能夠避免真實實驗的危險。此系統(tǒng)在實驗流程上還屬于線性的，缺乏發(fā)散思維和創(chuàng)新思維的引導，通過既定的儀器完成既定的實驗任務是該系統(tǒng)的不足之處。

從技術領域來說，目前應用于化學學科教學中的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)大部分都是二維的結構，金華科仿真化學實驗室以及東師理想初中化學虛擬仿真實驗室中涉及的分子結構模型是三維呈現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實技術目前主要采用建模工具軟件，如 3DSMAX、MultigenCreator、Maya、Solid-Works等，進行環(huán)境建模；再利用虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)工具和平臺提供的強大引擎和SDK工具包實現(xiàn)場景的實時繪制、仿真和交互操作等功能；最后優(yōu)化并生成特定文件格式的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品并發(fā)布。目前使用的虛擬現(xiàn)實技術的開 發(fā) 工 具 和 平 臺 有 Java3D、OpenGVS、VRML、Cult3D、EON、Quest3D、Virtools等，不同的技術各有其特點。

虛擬實驗系統(tǒng)在技術上已經(jīng)很容易實現(xiàn)，但在教與學的方式還需要進一步改善。以上系統(tǒng)都只是采用傳統(tǒng)的以教為中心的教學模式，整個學習過程只是按照既定的教學步驟而進行，不能對學生的思維進行引導；實驗過程中不能突出對學生技能的訓練，缺乏對學生的智慧技能以及協(xié)作學習能力的考察；對學生在實驗中所出現(xiàn)的錯誤沒有作出預測并及時更正也是以上系統(tǒng)所缺乏的功能。[8]

三、虛擬現(xiàn)實技術的應用前景

虛擬現(xiàn)實技術的蓬勃發(fā)展，必然使教育領域產(chǎn)生一種全新的改革，對于實驗性的學科來說，受到的影響更大?；瘜W學科實驗過程的復雜性、現(xiàn)象的隱蔽性以及操作的危險性等都直接影響了學生對實驗數(shù)據(jù)的獲取以及對實驗結果的認知。虛擬現(xiàn)實的出現(xiàn)，讓實驗性學科的研究者和教學者感到煥然一新。

雖然虛擬現(xiàn)實有著無可或缺的技術優(yōu)勢和良好的發(fā)展前景，但是也還有其自身的缺陷：從理論方面來看，它仍然需要更有依據(jù)性的理論作為支撐，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)以其獨特的實現(xiàn)方式得到了眾多學者的青睞，但在國內(nèi)教育技術領域還沒引起足夠的重視；[9]從技術方面來說它仍然需要性價比更高的設備來為教育系統(tǒng)服務，目前虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，還只是延伸了計算機的接口，側(cè)重于研究人的感知系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)與計算機的連接作用問題，而對于“大腦是怎樣儲存和加工處理人在實踐中所得到的感知信息，并使之成為人對客觀世界的認識”這一重要過程的研究還有待進一步深入。[10]只有真正涉及這些問題并能夠以技術實現(xiàn)時，信息處理系統(tǒng)與人的關系才能夠明朗化，才能夠讓虛擬現(xiàn)實的發(fā)展更快速，更有針對性。

縱觀虛擬現(xiàn)實的應用現(xiàn)狀，虛擬現(xiàn)實技術在與化學學科整合后，其日后的研究應主要包括以下幾個方面：虛擬現(xiàn)實中有關教與學的理論；虛擬現(xiàn)實技術所帶來的虛擬實驗的積極影響與它所帶來的負面問題；虛擬情境中參與對象的行為變化的監(jiān)測；虛擬現(xiàn)實中的有關教與學的多模式發(fā)展研究。

[1]趙志剛.虛擬現(xiàn)實技術對實驗教學的影響[J].中國電化教育，2007（12）.

[2]張力.應用虛擬現(xiàn)實技術提高網(wǎng)絡教學質(zhì)量的研究[J].電化教育研究，2003（6）.

[3]周思躍，龔振邦.虛擬現(xiàn)實定義的探討[J].計算機仿真，2006（9）.

[4]黃劍玲，鄒輝.基于虛擬現(xiàn)實技術的實驗教學系統(tǒng)及其特點[J].中國電化教育，2009（4）.

[5]李敏，劉剛，王力.虛擬現(xiàn)實技術在化學反應工程實驗教學中的應用[J].計算機與應用化學，2006（10）.

[6]李鳴華.分布式虛擬學習環(huán)境的設計與應用研究[J].電化教育研究.2009（4）.

[7]蔡邦宏.化學實驗的真實再現(xiàn)—CorelChemLab軟件的應用[J].計算機與應用化學.2006（10）.

[8]宋正國，刁秀麗.虛擬實驗教學環(huán)境研究現(xiàn)狀及趨勢探悉[J].現(xiàn)代教育技術，2009（12）.

[9]李凌云，王海軍.網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代教育技術，2008（4）.

[10]王琳琳，劉洪利.虛擬現(xiàn)實下的頤和園[J].首都師范大學學報，2009（1）.

（編輯：金冉）

G434

A

1673-8454（2012）09-0060-04