利用VR技術(shù)開(kāi)發(fā)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐研究

劉瑞淇 劉赟宇 王寶金

摘 要：很多高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)存在危險(xiǎn)性，應(yīng)用VR技術(shù)來(lái)虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，使學(xué)生“身臨其境”感受實(shí)驗(yàn)效果，既生動(dòng)又安全。文章通過(guò)應(yīng)用Unity軟件、手機(jī)和VR眼鏡開(kāi)發(fā)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，并采用問(wèn)卷調(diào)查和分析的方法，驗(yàn)證VR實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效果，具有推廣普及的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：化學(xué)實(shí)驗(yàn);虛擬現(xiàn)實(shí);教學(xué)評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1673-8454（2019）06-0094-03

高中化學(xué)課程中教師講到“水入酸”實(shí)驗(yàn)，會(huì)產(chǎn)生酸液飛濺現(xiàn)象，飛濺的高溫腐蝕液十分危險(xiǎn)。類(lèi)似實(shí)驗(yàn)還很多，出于安全考慮，很多類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)無(wú)法嘗試，目前的教學(xué)方式大都是通過(guò)文字語(yǔ)言描述使學(xué)生理解。因此，應(yīng)用VR技術(shù)虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，使學(xué)生能夠“身臨其境”感受到實(shí)驗(yàn)的真實(shí)效果，既安全又生動(dòng)。本文通過(guò)VR技術(shù)設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)實(shí)踐分析驗(yàn)證學(xué)習(xí)效果。

一、VR技術(shù)

VR是Virtual Reality的縮寫(xiě)，即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在20世紀(jì)60年代被首次提出，VR可將體驗(yàn)者帶入創(chuàng)造的虛擬三維空間，打造完全在現(xiàn)場(chǎng)的感覺(jué)，核心是產(chǎn)生沉浸感，使用者可以達(dá)到一種進(jìn)入其他時(shí)空的感覺(jué)，帶來(lái)更加身臨其境的體驗(yàn)。對(duì)教育領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，VR技術(shù)可以虛擬科技場(chǎng)景，形象有趣地將抽象的科學(xué)知識(shí)呈現(xiàn)出來(lái)， 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(shí)驗(yàn)，本身涉及的知識(shí)抽象、領(lǐng)域廣泛，青少年對(duì)化學(xué)反應(yīng)了解少，尤其是危險(xiǎn)化學(xué)反應(yīng)，比如，高中化學(xué)課程講到“水入酸”實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生酸液飛濺現(xiàn)象，十分危險(xiǎn)，一般只做理論說(shuō)明，不能真實(shí)實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性認(rèn)識(shí)不足。因此，如何應(yīng)用VR技術(shù)來(lái)虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，替代化學(xué)課程中的危險(xiǎn)類(lèi)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，提高安全意識(shí)，并通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證學(xué)習(xí)效果，是本文研究的主要問(wèn)題。

二、技術(shù)調(diào)研與分析

1.技術(shù)基礎(chǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，是一門(mén)富有挑戰(zhàn)性的前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(shí)技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入普及應(yīng)用階段。

2.開(kāi)發(fā)軟件

虛擬現(xiàn)實(shí)軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)引擎已經(jīng)非常成熟，常見(jiàn)軟件包括VRP、Quest 3D、Unity等， Unity3D是一款虛擬現(xiàn)實(shí)、跨平臺(tái)應(yīng)用程序開(kāi)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(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等類(lèi)型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開(kāi)發(fā)工具，目前Unity2017個(gè)人版免費(fèi)，專(zhuān)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(dòng)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(jī)實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單有效的虛擬現(xiàn)實(shí)效果，目前常見(jiàn)的VR眼鏡有HTC Vive、Facebook Oculus Rift、Sony PlayStation VR、Samsung Gear VR、Google Cardboard。

4.交互方式

虛擬現(xiàn)實(shí)被很多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是下一個(gè)時(shí)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(jiàn)的交互方式包括眼部跟蹤、動(dòng)作捕捉、語(yǔ)音識(shí)別、手勢(shì)識(shí)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(wèn)題，我們確定采用Unity軟件開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)，暴風(fēng)魔鏡VR眼鏡和安卓手機(jī)展示虛擬實(shí)驗(yàn)的方案。具體見(jiàn)表1。

雖然這個(gè)方案里使用的設(shè)備只有手機(jī)和VR眼鏡，但是使用起來(lái)卻很方便，正如現(xiàn)在人們使用智能手機(jī)來(lái)聽(tīng)音樂(lè)，效果并不是最好的那個(gè)，但是至少可以隨時(shí)隨地聽(tīng)，使用很方便，使用手機(jī)學(xué)習(xí)也是這樣，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)可以隨時(shí)進(jìn)行，簡(jiǎn)單方便。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)替代危險(xiǎn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，需要考慮將危險(xiǎn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)效果及技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)通過(guò)虛擬的方式展示出來(lái)，從化學(xué)實(shí)驗(yàn)用品準(zhǔn)備到實(shí)驗(yàn)操作步驟、注意事項(xiàng)、安全知識(shí)、效果呈現(xiàn)，結(jié)合化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行技術(shù)分析后確定項(xiàng)目采用的技術(shù)路線， 認(rèn)為此方案可行性強(qiáng)。同時(shí)，考慮該方案的知識(shí)性、便捷性、趣味性和功能性于一體，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)充滿趣味性、真實(shí)性、交互性的虛擬場(chǎng)景，形象展現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)。

因此，VR化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線如下：首先梳理高中化學(xué)的知識(shí)體系，歸納整理出由于危險(xiǎn)不能實(shí)際操作的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體風(fēng)格;然后以“水入酸”實(shí)驗(yàn)為例開(kāi)展工作，進(jìn)行虛擬場(chǎng)景的具體內(nèi)容開(kāi)發(fā)，制作各個(gè)場(chǎng)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(yǔ)音資料;最后搭建虛擬場(chǎng)景、編寫(xiě)控制程序，通過(guò)VR眼鏡和手機(jī)，采用真實(shí)感和趣味性的人機(jī)交互手段形成實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容，并通過(guò)學(xué)習(xí)體驗(yàn)總結(jié)學(xué)習(xí)效果。

三、開(kāi)發(fā)過(guò)程

Unity虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)流程主要包括MAX制作模型、導(dǎo)入U(xiǎn)nity、設(shè)計(jì)相機(jī)代碼、設(shè)計(jì)UI、build。具體包括：①通過(guò)Unity的菜單確定基本的視圖、比例和結(jié)構(gòu);②建立場(chǎng)景里面的坐標(biāo)系統(tǒng)和向量;③創(chuàng)建基本的場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)游戲?qū)ο?、組件、腳本;④導(dǎo)入網(wǎng)格、材質(zhì)、貼圖、動(dòng)畫(huà)等基本元素;⑤確定游戲?qū)ο?、組件、腳本彼此之間的關(guān)系;⑥設(shè)定攝像機(jī)、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。

本實(shí)驗(yàn)的具體開(kāi)發(fā)過(guò)程如下：

首先，模型創(chuàng)建（3D MAX），如圖1所示。

第二，場(chǎng)景搭建（Unity）：下載并安裝Unity，打開(kāi)軟件，新建項(xiàng)目。

第三，UI設(shè)計(jì)（Unity） 和腳本編寫(xiě)（Visual Studio）：開(kāi)發(fā)玻璃棒攪拌程序腳本和VR具體實(shí)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。

四、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教程

實(shí)驗(yàn)儀器： 智能手機(jī)、VR眼鏡。

設(shè)計(jì)高中化學(xué)“酸水混合”虛擬實(shí)驗(yàn)教程如下：

首先，在手機(jī)打開(kāi)“suanshuirongye”程序。

第二，將手機(jī)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(chǎng)景，熟悉實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

第四，將屏幕中的提示“黃標(biāo)點(diǎn)”移動(dòng)到裝有“酸”的燒杯，這個(gè)燒杯將被拿起，將酸緩慢注入裝有“水”的燒杯中，同時(shí)玻璃棒進(jìn)行攪拌，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象，完成“酸入水”實(shí)驗(yàn)，如圖4。

第五，同理，將屏幕中的提示“黃標(biāo)點(diǎn)”移動(dòng)到裝有“水”的燒杯，這個(gè)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，完成“酸入水”實(shí)驗(yàn);

第六，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、注意事項(xiàng)、總結(jié)心得和收獲。

五、效果驗(yàn)證

1.調(diào)查數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)際效果，通過(guò)專(zhuān)家評(píng)價(jià)法，確定主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，并設(shè)計(jì)了科學(xué)有效的調(diào)查問(wèn)卷，在學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷反饋學(xué)習(xí)效果。最后利用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，根據(jù)事物的隨機(jī)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(wèn)卷發(fā)放給中學(xué)生、大學(xué)生及教師各10名，要求獨(dú)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(gè)方面的情況，問(wèn)卷按照中學(xué)生、大學(xué)生、教師分成三組，選項(xiàng)包括差、較差、一般、較好、好五個(gè)級(jí)別（對(duì)應(yīng)分值1-5分），根據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)每組的平均值。

重點(diǎn)對(duì)中學(xué)生的調(diào)研問(wèn)卷進(jìn)行了分析，在課外學(xué)習(xí)活動(dòng)中隨機(jī)發(fā)放問(wèn)卷，學(xué)生來(lái)自南開(kāi)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(duì)VR之前有了解，體驗(yàn)過(guò)VR，對(duì)于虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，點(diǎn)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(qiáng)”“對(duì)學(xué)習(xí)有幫助”（分別占被調(diào)研人數(shù)的60-70%）;同時(shí)，分值統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，按平均分統(tǒng)計(jì)（滿分5分），“操作便捷”4.6分、“運(yùn)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(qiáng)自信”4分，學(xué)生對(duì)虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)指標(biāo)打分都在4分（大于或等于）以上，認(rèn)可度高，說(shuō)明大家很容易接受這種實(shí)驗(yàn)方式。

同時(shí)，對(duì)10名大學(xué)生、10名教師也進(jìn)行了隨機(jī)問(wèn)卷調(diào)查與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)大家的觀點(diǎn)類(lèi)似，都認(rèn)為這種實(shí)驗(yàn)方式很容易接受，能夠提高學(xué)習(xí)效果，同時(shí)，也有人提出目前這樣的教學(xué)資源還很少，隨著技術(shù)進(jìn)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。

根據(jù)三組不同類(lèi)型人員調(diào)查的結(jié)果，得到各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的雷達(dá)圖，如圖5所示。

被調(diào)查的30個(gè)人大部分都認(rèn)為此化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)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(shì)，在未來(lái)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(qiáng)立體真實(shí)感的優(yōu)勢(shì)。但不可否認(rèn)在教師組的“運(yùn)行可靠”指標(biāo)比較低（3.7分），實(shí)驗(yàn)初期請(qǐng)幾位教師體驗(yàn)時(shí)，由于第一版的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^多、貼圖復(fù)雜，造成運(yùn)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(duì)于系統(tǒng)的軟件硬件都是個(gè)考驗(yàn)，因此，后面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了修改調(diào)試，將模型和貼圖進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，修改后軟件運(yùn)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(jìn)步，未來(lái)的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)會(huì)更加可靠、效果也會(huì)更好。

六、結(jié)論

虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景對(duì)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(shí)空?qǐng)鼍耙约艾F(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)的或肉眼無(wú)法觀察到的物體的多維展示。具體到化學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)講，由于很多化學(xué)實(shí)驗(yàn)存在危險(xiǎn)性或?qū)嶒?yàn)成本較高，若用實(shí)物進(jìn)行，從安全和經(jīng)濟(jì)角度考慮都不理想，同時(shí)，有些看不見(jiàn)的、原理性的知識(shí)，僅靠實(shí)物也無(wú)法直觀看到。而借助VR技術(shù)形成真實(shí)的沉浸感，使學(xué)生“沉浸”到學(xué)習(xí)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶和環(huán)境的深度交互，同時(shí)具有攜帶方便、成本低廉的特點(diǎn)，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(shí)，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(yàn)替換抽象枯燥的板書(shū)教學(xué)，認(rèn)知過(guò)程充滿樂(lè)趣，通過(guò)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琕R虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將對(duì)未來(lái)學(xué)習(xí)方式的升級(jí)起到巨大的推動(dòng)作用，未來(lái)課堂將更多應(yīng)用情境教學(xué)，帶來(lái)更多精彩的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)。

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（編輯：魯利瑞）