VR技術(shù)與中學(xué)化學(xué)教學(xué)

許維群

摘 要：VR是一種類(lèi)似于潛水的沉浸式體驗(yàn)，能夠創(chuàng)建與現(xiàn)實(shí)社會(huì)類(lèi)似的環(huán)境，讓人們主動(dòng)經(jīng)歷、親身感受世界。在高中化學(xué)學(xué)習(xí)中有些知識(shí)涉及微觀粒子，它們用肉眼看不見(jiàn)，有些實(shí)驗(yàn)有一定的危險(xiǎn)性，或者有些反應(yīng)速率過(guò)慢，有些反應(yīng)條件過(guò)于苛刻，這些問(wèn)題目前可以采用視頻、圖片配合教師的描述解決，但因?yàn)閷W(xué)生沒(méi)有親身感受，有些知識(shí)理解起來(lái)還不深刻。上述的問(wèn)題可以通過(guò)VR技術(shù)，讓學(xué)生有直觀的感受，從而更好地理解相關(guān)知識(shí)。

關(guān)鍵詞：VR（virtual reality，虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)；中學(xué)化學(xué)；教學(xué)

一、VR技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality），簡(jiǎn)稱(chēng)VR技術(shù)，也稱(chēng)人工環(huán)境。 它利用電腦或其他智能計(jì)算設(shè)備模擬產(chǎn)生一個(gè)三度空間的虛擬世界，可以認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)，在多維信息空間上創(chuàng)建了一個(gè)虛擬信息環(huán)境，提供用戶(hù)關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬，讓用戶(hù)如同身臨其境一般，可以及時(shí)、沒(méi)有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)入中學(xué)化學(xué)教育的優(yōu)勢(shì)

1.拓展化學(xué)學(xué)習(xí)的多維度空間

虛擬現(xiàn)實(shí)可以打破時(shí)間和空間的限制，比如在學(xué)習(xí)教材中的科學(xué)視野“可燃冰”時(shí)，我們可以讓學(xué)生暢游在深海中去探尋可燃冰，近距離地觀察它的結(jié)構(gòu)，甚至用手觸摸和感知。又比如，我們?cè)趯W(xué)習(xí)“工業(yè)制取硫酸”的時(shí)候，學(xué)生可以身臨其境地觀察每個(gè)工藝流程，每一個(gè)細(xì)節(jié)。

2.激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣

直觀體驗(yàn)更能激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。最近，我們學(xué)校引進(jìn)了VR技術(shù)，建立了VR教室，我們?cè)谥v解“金屬晶體的原子堆積模型”這部分知識(shí)時(shí)，就用了VR技術(shù)輔助教學(xué)。通過(guò)使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)裝備，學(xué)生跟著老師進(jìn)入虛擬的原子世界，動(dòng)手嘗試堆積原子模型，尋找配位數(shù)，選取晶胞，“好玩”“有趣”“簡(jiǎn)單易理解”是孩子體驗(yàn)之后的普遍評(píng)價(jià)。將虛擬現(xiàn)實(shí)引入教學(xué)，讓學(xué)習(xí)游戲化、情境化，激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)與中學(xué)化學(xué)教學(xué)結(jié)合的實(shí)例

我們的具體操作如下：

1.課前準(zhǔn)備

（1）集體備課。我們課題組的老師先確定課題，接著集體備課。然后與VR團(tuán)隊(duì)的技術(shù)人員共同討論本節(jié)課中需要用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展現(xiàn)的知識(shí)。

（2）VR技術(shù)制作。此階段完全是由VR團(tuán)隊(duì)的技術(shù)人員完成的，此階段因?yàn)榧夹g(shù)含量高，所以耗時(shí)最長(zhǎng)。

2.教學(xué)實(shí)施

我們將高二年級(jí)四個(gè)同層次的理科班分成兩組，高二3班和高二8班按照原來(lái)的方式，應(yīng)用圖片、乒乓球模型學(xué)習(xí)；高二5班和高二7班用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)習(xí)。對(duì)于原子在二維平面的堆積，四個(gè)班的同學(xué)都很容易理解，原子在三維平面的堆積3班和8班的學(xué)生反映比較抽象，不好理解。而采用VR技術(shù)的5班和7班的學(xué)生則進(jìn)行手動(dòng)操作，放錯(cuò)了可以重新再來(lái)，也有語(yǔ)音提示正確和錯(cuò)誤。學(xué)生通過(guò)動(dòng)手，通過(guò)多方位的切換視角觀察（視角不僅可以換方位、換角度，還可以放大和縮?。?，比較容易和清晰地完成了金屬原子的四種堆積方式，也比較順利地提取出了簡(jiǎn)單立方堆積、體心立方堆積和六方最密堆積的晶胞，但不能自己提取面心最密堆積的晶胞，不過(guò)通過(guò)技術(shù)的幫助，學(xué)生能理解面心晶胞的提取。因?yàn)閷?duì)晶胞有比較深刻的理解，學(xué)生在計(jì)算晶胞中的個(gè)數(shù)、配位數(shù)和原子的空間利用率時(shí)都能較好地解決。

3.檢測(cè)評(píng)價(jià)與反思

學(xué)習(xí)完成后，我們對(duì)這四個(gè)班就此節(jié)知識(shí)出題考查，結(jié)果如下表所示。

我們打算過(guò)1個(gè)月以后，再針對(duì)這節(jié)知識(shí)進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)采用不同的方式教學(xué)學(xué)生的遺忘率如何。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)與中學(xué)化學(xué)教學(xué)的結(jié)合面臨的具體問(wèn)題及解決措施

1.硬件技術(shù)的局限

目前設(shè)備使用不便、硬件的處理速度遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足在虛擬世界中實(shí)時(shí)處理大量數(shù)據(jù)的需求。學(xué)生上課需要戴頭盔，有部分學(xué)生反映頭盔帶久了感覺(jué)頭暈，眼睛不舒服，在操控按鈕時(shí)也不熟練。

2.制作一個(gè)VR課件太費(fèi)時(shí)

想制作出和教學(xué)內(nèi)容高度匹配的VR課件需要精通教學(xué)和計(jì)算機(jī)的人才，但目前對(duì)于我們學(xué)校來(lái)說(shuō)這是一個(gè)最大的難題。目前，我校和四川師范大學(xué)正在聯(lián)合制作VR課件，這就能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

3.效果不夠理想

在虛擬現(xiàn)實(shí)的感知方面，有關(guān)視覺(jué)合成方面的研究較多，對(duì)聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)關(guān)注較少，真實(shí)性、實(shí)時(shí)性不足，基于嗅覺(jué)、味覺(jué)的設(shè)備還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)商品化。此外，在交互效果方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人的自然交互不足，在語(yǔ)音識(shí)別、人工智能方面的效果尚不能令人滿(mǎn)意。

總之，VR虛擬現(xiàn)實(shí)可以改變我們的生活和教育，讓學(xué)習(xí)變得更加生動(dòng)有趣。對(duì)于化學(xué)學(xué)科而言，它可以讓學(xué)生和老師近距離地體會(huì)微觀的世界，放手去做很多不敢嘗試的實(shí)驗(yàn)，不限時(shí)間、地點(diǎn)地進(jìn)入虛擬的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，從而有更多機(jī)會(huì)體會(huì)化學(xué)的美。