利用VR技術(shù)開發(fā)高中化學(xué)實驗的教學(xué)實踐研究

劉瑞淇，劉赟宇，王寶金

（1.天津中學(xué)，天津 300384；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)、天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300222）

高中化學(xué)課程中教師講到“水入酸”實驗，會產(chǎn)生酸液飛濺現(xiàn)象，飛濺的高溫腐蝕液十分危險。類似實驗還很多，出于安全考慮，很多類似的實驗無法嘗試，目前的教學(xué)方式大都是通過文字語言描述使學(xué)生理解。因此，應(yīng)用VR技術(shù)虛擬化學(xué)實驗過程，使學(xué)生能夠“身臨其境”感受到實驗的真實效果，既安全又生動。本文通過VR技術(shù)設(shè)計化學(xué)實驗，并通過實踐分析驗證學(xué)習(xí)效果。

一、VR技術(shù)

VR是Virtual Reality的縮寫，即虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在20世紀(jì)60年代被首次提出，VR可將體驗者帶入創(chuàng)造的虛擬三維空間，打造完全在現(xiàn)場的感覺，核心是產(chǎn)生沉浸感，使用者可以達(dá)到一種進入其他時空的感覺，帶來更加身臨其境的體驗。對教育領(lǐng)域來說，VR技術(shù)可以虛擬科技場景，形象有趣地將抽象的科學(xué)知識呈現(xiàn)出來，VR的“身臨其境”，與教育學(xué)領(lǐng)域中的“情景構(gòu)建”理論非常契合。

高中課程中學(xué)習(xí)到的化學(xué)反應(yīng)實驗，本身涉及的知識抽象、領(lǐng)域廣泛，青少年對化學(xué)反應(yīng)了解少，尤其是危險化學(xué)反應(yīng)，比如，高中化學(xué)課程講到“水入酸”實驗，由于實驗會產(chǎn)生酸液飛濺現(xiàn)象，十分危險，一般只做理論說明，不能真實實驗，導(dǎo)致學(xué)生對實驗的危險性認(rèn)識不足。因此，如何應(yīng)用VR技術(shù)來虛擬實驗過程，替代化學(xué)課程中的危險類化學(xué)實驗，增強學(xué)生對實驗的認(rèn)識，提高安全意識，并通過實踐驗證學(xué)習(xí)效果，是本文研究的主要問題。

二、技術(shù)調(diào)研與分析

1.技術(shù)基礎(chǔ)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是仿真技術(shù)的一個重要方向，是一門富有挑戰(zhàn)性的前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有多感知性、存在感、交互性、自主性等特征，2004年之后虛擬現(xiàn)實技術(shù)開始進入普及應(yīng)用階段。

2.開發(fā)軟件

虛擬現(xiàn)實軟件、虛擬現(xiàn)實引擎已經(jīng)非常成熟，常見軟件包括VRP、Quest 3D、Unity等，Unity3D是一款虛擬現(xiàn)實、跨平臺應(yīng)用程序開發(fā)引擎，可以輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，目前Unity2017個人版免費，專業(yè)版有30天全功能試用期。

3.硬件設(shè)備

硬件設(shè)備包括數(shù)據(jù)手套、數(shù)字頭盔、頭部跟蹤、動作捕捉。此外，還有位置追蹤器、VR眼鏡，其中VR眼鏡可以結(jié)合手機實現(xiàn)最簡單有效的虛擬現(xiàn)實效果，目前常見的VR眼鏡有 HTC Vive、Facebook Oculus Rift、Sony PlayStation VR、SamsungGearVR、GoogleCardboard。

4.交互方式

虛擬現(xiàn)實被很多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是下一個時代的交互方式，它比平面圖形交互擁有更加豐富的形式，常見的交互方式包括眼部跟蹤、動作捕捉、語音識別、手勢識別、傳感器等。

5.確定方案

結(jié)合上述技術(shù)調(diào)研結(jié)果，考慮成本問題，我們確定采用Unity軟件開發(fā)虛擬實驗，暴風(fēng)魔鏡VR眼鏡和安卓手機展示虛擬實驗的方案。具體見表1。

雖然這個方案里使用的設(shè)備只有手機和VR眼鏡，但是使用起來卻很方便，正如現(xiàn)在人們使用智能手機來聽音樂，效果并不是最好的那個，但是至少可以隨時隨地聽，使用很方便，使用手機學(xué)習(xí)也是這樣，設(shè)計的實驗可以隨時進行，簡單方便。使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)替代危險化學(xué)實驗，需要考慮將危險化學(xué)實驗的實驗步驟、實驗效果及技術(shù)關(guān)鍵點通過虛擬的方式展示出來，從化學(xué)實驗用品準(zhǔn)備到實驗操作步驟、注意事項、安全知識、效果呈現(xiàn)，結(jié)合化學(xué)實驗進行技術(shù)分析后確定項目采用的技術(shù)路線，認(rèn)為此方案可行性強。同時，考慮該方案的知識性、便捷性、趣味性和功能性于一體，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計充滿趣味性、真實性、交互性的虛擬場景，形象展現(xiàn)化學(xué)實驗的基礎(chǔ)知識。

表1 開發(fā)方案

因此，VR化學(xué)實驗設(shè)計的技術(shù)路線如下：首先梳理高中化學(xué)的知識體系，歸納整理出由于危險不能實際操作的化學(xué)實驗，設(shè)計實驗平臺整體風(fēng)格；然后以“水入酸”實驗為例開展工作，進行虛擬場景的具體內(nèi)容開發(fā)，制作各個場景所需要的虛擬三維模型、材質(zhì)、貼圖，制作相關(guān)文字及語音資料；最后搭建虛擬場景、編寫控制程序，通過VR眼鏡和手機，采用真實感和趣味性的人機交互手段形成實驗的具體內(nèi)容，并通過學(xué)習(xí)體驗總結(jié)學(xué)習(xí)效果。

三、開發(fā)過程

Unity虛擬現(xiàn)實設(shè)計流程主要包括MAX制作模型、導(dǎo)入Unity、設(shè)計相機代碼、設(shè)計 UI、build。具體包括：①通過Unity的菜單確定基本的視圖、比例和結(jié)構(gòu)；②建立場景里面的坐標(biāo)系統(tǒng)和向量；③創(chuàng)建基本的場景，開發(fā)游戲?qū)ο?、組件、腳本；④導(dǎo)入網(wǎng)格、材質(zhì)、貼圖、動畫等基本元素；⑤確定游戲?qū)ο蟆⒔M件、腳本彼此之間的關(guān)系；⑥設(shè)定攝像機、燈光、地形、渲染、粒子系統(tǒng)、物理系統(tǒng)等；⑦向量的加減法、光照法線貼圖、內(nèi)存管理、圖形優(yōu)化等。

圖1 模型創(chuàng)建

本實驗的具體開發(fā)過程如下：

首先，模型創(chuàng)建（3D MAX），如圖1所示。

第二，場景搭建(Unity)：下載并安裝Unity，打開軟件，新建項目。

第三，UI設(shè)計(Unity)和腳本編寫（Visual Studio）：開發(fā)玻璃棒攪拌程序腳本和VR具體實現(xiàn)程序腳本 (具體腳本略)。

第四，調(diào)試完善。

最后作品展示，如圖2所示。

圖2 作品展示

圖3

四、設(shè)計實驗教程

實驗儀器：智能手機、VR眼鏡。

設(shè)計高中化學(xué)“酸水混合”虛擬實驗教程如下：

首先，在手機打開“suanshuirongye”程序。

第二，將手機放入VR眼鏡，如圖3。

第三，佩戴VR眼鏡，嘗試轉(zhuǎn)頭并觀察四周的場景，熟悉實驗室環(huán)境。

第四，將屏幕中的提示“黃標(biāo)點”移動到裝有“酸”的燒杯，這個燒杯將被拿起，將酸緩慢注入裝有 “水”的燒杯中，同時玻璃棒進行攪拌，記錄實驗過程和現(xiàn)象，完成“酸入水”實驗，如圖4。

第五，同理，將屏幕中的提示“黃標(biāo)點”移動到裝有“水”的燒杯，這個燒杯將被拿起，將水注入裝有“酸”的燒杯中，觀察隨后發(fā)生的現(xiàn)象，分析、記錄實驗現(xiàn)象，完成“酸入水”實驗；

第六，實驗結(jié)束，在實驗報告中填寫實驗內(nèi)容、注意事項、總結(jié)心得和收獲。

圖4

五、效果驗證

1.調(diào)查數(shù)據(jù)

為了驗證虛擬化學(xué)實驗設(shè)計的實際效果，通過專家評價法，確定主要評價指標(biāo)，并設(shè)計了科學(xué)有效的調(diào)查問卷，在學(xué)習(xí)過程中發(fā)放調(diào)查問卷反饋學(xué)習(xí)效果。最后利用統(tǒng)計學(xué)知識，根據(jù)事物的隨機性規(guī)律收集、分析調(diào)查數(shù)據(jù)并得出結(jié)論。

2.調(diào)查數(shù)據(jù)分析

調(diào)查問卷發(fā)放給中學(xué)生、大學(xué)生及教師各10名，要求獨立完成，調(diào)研內(nèi)容主要體現(xiàn)學(xué)習(xí)效果、學(xué)習(xí)興趣、情境效果、便捷性、可靠性五個方面的情況，問卷按照中學(xué)生、大學(xué)生、教師分成三組，選項包括差、較差、一般、較好、好五個級別（對應(yīng)分值1-5分），根據(jù)結(jié)果統(tǒng)計每組的平均值。

重點對中學(xué)生的調(diào)研問卷進行了分析，在課外學(xué)習(xí)活動中隨機發(fā)放問卷，學(xué)生來自南開中學(xué)、天津中學(xué)、天津一中、42中、耀華中學(xué)等學(xué)校，很多學(xué)生對VR之前有了解，體驗過VR，對于虛擬化學(xué)實驗的優(yōu)點，點贊人數(shù)最多的是 “有吸引力”，認(rèn)為能夠提高自己的學(xué)習(xí)興趣（占被調(diào)研人數(shù)的80%）；其次是“操作便捷”“情境效果佳”“立體感強”“對學(xué)習(xí)有幫助”（分別占被調(diào)研人數(shù)的60-70%）；同時，分值統(tǒng)計結(jié)果中，按平均分統(tǒng)計（滿分5分），“操作便捷”4.6 分、“運行可靠”4.6 分、“學(xué)習(xí)效果”4.47 分、“總體感受”4.4、“情境效果”4.3 分、“學(xué)習(xí)興趣”4分、“增強自信”4分，學(xué)生對虛擬化學(xué)實驗的各項指標(biāo)打分都在4分（大于或等于）以上，認(rèn)可度高，說明大家很容易接受這種實驗方式。

同時，對10名大學(xué)生、10名教師也進行了隨機問卷調(diào)查與數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)大家的觀點類似，都認(rèn)為這種實驗方式很容易接受，能夠提高學(xué)習(xí)效果，同時，也有人提出目前這樣的教學(xué)資源還很少，隨著技術(shù)進步，希望今后這樣的學(xué)習(xí)方式能夠在更多的學(xué)科領(lǐng)域推廣普及。

圖5 評價指標(biāo)雷達(dá)圖

根據(jù)三組不同類型人員調(diào)查的結(jié)果，得到各項評價指標(biāo)的雷達(dá)圖，如圖5所示。

被調(diào)查的30個人大部分都認(rèn)為此化學(xué)虛擬實驗就其“總體感受”“學(xué)習(xí)效果”“操作便捷”“情境效果”方面都有一定的優(yōu)勢，在未來也具備較大的發(fā)展空間。尤其是“情境效果”方面，普遍體現(xiàn)出了利用 VR技術(shù)具有較強立體真實感的優(yōu)勢。但不可否認(rèn)在教師組的“運行可靠”指標(biāo)比較低（3.7分），實驗初期請幾位教師體驗時，由于第一版的虛擬實驗?zāi)Ｐ洼^多、貼圖復(fù)雜，造成運行速度較慢，要想制作成細(xì)膩度較高的虛擬展廳教學(xué)系統(tǒng)，對于系統(tǒng)的軟件硬件都是個考驗，因此，后面對系統(tǒng)進行了修改調(diào)試，將模型和貼圖進行了簡化處理，修改后軟件運行速度明顯好轉(zhuǎn)。相信隨著設(shè)備軟硬件技術(shù)的不斷進步，未來的虛擬化學(xué)實驗設(shè)計會更加可靠、效果也會更好。

六、結(jié)論

虛擬現(xiàn)實場景對青少年群體有著特別的吸引力，學(xué)生戴上VR眼鏡，即可重現(xiàn)跨時空場景以及現(xiàn)實中難以實現(xiàn)的或肉眼無法觀察到的物體的多維展示。具體到化學(xué)實驗來講，由于很多化學(xué)實驗存在危險性或?qū)嶒灣杀据^高，若用實物進行，從安全和經(jīng)濟角度考慮都不理想，同時，有些看不見的、原理性的知識，僅靠實物也無法直觀看到。而借助VR技術(shù)形成真實的沉浸感，使學(xué)生“沉浸”到學(xué)習(xí)環(huán)境中，實現(xiàn)用戶和環(huán)境的深度交互，同時具有攜帶方便、成本低廉的特點，因此易于推廣，可更好地引起學(xué)生的興趣并激發(fā)其想象力和創(chuàng)新力。

同時，VR具備的“身臨其境”特性和教育的“情景構(gòu)建”理論不謀而合，利用VR沉浸式體驗替換抽象枯燥的板書教學(xué)，認(rèn)知過程充滿樂趣，通過情境教學(xué)更加符合教育認(rèn)知規(guī)律，從而提高學(xué)習(xí)效果。因此，VR技術(shù)非常適合在化學(xué)、物理、生物、地理等學(xué)科的教學(xué)中推廣應(yīng)用?？傊?，VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)將對未來學(xué)習(xí)方式的升級起到巨大的推動作用，未來課堂將更多應(yīng)用情境教學(xué)，帶來更多精彩的體驗式學(xué)習(xí)。