虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)在中學(xué)高?；瘜W(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用初探

吳鋒

摘要： 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展起來的一種僅次于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要技術(shù)，探索將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于中學(xué)高危化學(xué)實(shí)驗(yàn)，解決目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中遇到的問題和困難，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例，從多個(gè)角度深入探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用及意義，為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用和未來發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 中學(xué)化學(xué); 實(shí)驗(yàn)教學(xué); 多媒體技術(shù)

文章編號(hào)： 10056629（2020）06005804? 中圖分類號(hào)： G633.8? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 引言

化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為中學(xué)化學(xué)課程中重要的基礎(chǔ)部分，對(duì)學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)原理，掌握實(shí)驗(yàn)操作過程，反思實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果有重要的作用。當(dāng)前的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，受師資力量、資源配置、危險(xiǎn)系數(shù)等條件的限制，學(xué)生親自動(dòng)手的實(shí)驗(yàn)僅僅局限于一部分操作簡(jiǎn)單、試劑便宜以及危險(xiǎn)系數(shù)較低的實(shí)驗(yàn)，例如焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)、酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)、萃取實(shí)驗(yàn)等。大部分涉及濃硫酸、濃硝酸、液態(tài)苯等危險(xiǎn)化學(xué)品的實(shí)驗(yàn)主要由教師演示完成。部分重要的高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)，僅使用觀看視頻或錄像的方式進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生缺乏主觀感受，難以起到激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、鍛煉動(dòng)手能力的作用。為了解決教學(xué)需要和安全保障之間的矛盾，多媒體工具應(yīng)運(yùn)而生并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到不斷發(fā)展。將現(xiàn)代化多媒體技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，能夠解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的許多問題[1]。

目前在教學(xué)過程中得到廣泛應(yīng)用的主流多媒體工具主要有Flash模擬實(shí)驗(yàn)室[2]和交互式智能電子白板[3]兩種。Flash模擬實(shí)驗(yàn)室通過計(jì)算機(jī)建立一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，且具有豐富的動(dòng)畫功能和強(qiáng)大的可交互性。學(xué)生只需要在一臺(tái)普通電腦上通過操作鼠標(biāo)就可以完成像真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣從選擇實(shí)驗(yàn)儀器、組裝實(shí)驗(yàn)儀器、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整個(gè)過程。交互式智能電子白板作為一種新興的教學(xué)工具，將傳統(tǒng)的可書寫白板和智能投影機(jī)結(jié)合在一起，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，為教師在課堂上進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)提供了極大的便利，已經(jīng)在各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中發(fā)揮了積極的作用。

上述多媒體工具在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中雖然能夠發(fā)揮重要的作用，卻又無法解決全部問題。雖然Flash模擬實(shí)驗(yàn)室不接觸任何化學(xué)藥品，能夠解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的安全問題，但是僅通過鼠標(biāo)的操作和屏幕的顯示，不能充分鍛煉學(xué)生的實(shí)際操作能力，且整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程基本按照設(shè)計(jì)好的流程進(jìn)行，與觀看教學(xué)視頻沒有本質(zhì)上的區(qū)別。交互式智能電子白板雖然使得教師演示實(shí)驗(yàn)十分便利，能夠做到隨機(jī)應(yīng)變地處理問題，但是學(xué)生依然只是“旁觀者”，沒有直接參與實(shí)驗(yàn)過程，違背了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初衷。以上兩種多媒體工具，沒有在根本上解決學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作不足的問題，不利于學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題，學(xué)生的啟發(fā)性思維得不到鍛煉。所以，中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)迫切需要一種安全性高、參與性強(qiáng)、能提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、鍛煉實(shí)驗(yàn)操作能力、培養(yǎng)創(chuàng)新思維同時(shí)減輕教師教學(xué)負(fù)擔(dān)的新工具。

2 VR技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality， VR）[4]技術(shù)，又稱靈境技術(shù)，是20世紀(jì)發(fā)展起來的一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種集合仿真技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，由計(jì)算機(jī)和專用顯示設(shè)備創(chuàng)造出來的與真實(shí)世界相似的模擬環(huán)境[5]。通過攝像機(jī)、陀螺儀、加速度計(jì)等多種傳感設(shè)備感知環(huán)境的變化（例如頭的轉(zhuǎn)動(dòng)和手的運(yùn)動(dòng)），同時(shí)通過VR眼鏡、耳機(jī)和傳感手套等一系列視覺、聽覺以及觸覺傳感設(shè)施向使用者實(shí)時(shí)、直觀、自然地反饋各種變化，使使用者在虛擬環(huán)境中獲得與現(xiàn)實(shí)世界相同的感知。VR技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，將VR技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域，可以為學(xué)生創(chuàng)建一個(gè)生動(dòng)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，豐富學(xué)生的想象力，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，有助于學(xué)生掌握教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，鍛煉基本技能，提高學(xué)習(xí)效率[6]。

如果利用VR技術(shù)創(chuàng)建化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，就可以避免前面提到的各種問題。學(xué)生穿戴智能體感設(shè)備后，就會(huì)置身于一個(gè)虛擬的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)存放著各種各樣的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)藥品，學(xué)生通過身體的動(dòng)作拿起或放下需要的物品，完成實(shí)驗(yàn)儀器的選擇和組裝，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的操作并獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。與Flash模擬實(shí)驗(yàn)室全部使用鼠標(biāo)操作不同，在VR化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中學(xué)生能獲得和真實(shí)實(shí)驗(yàn)室操作實(shí)驗(yàn)儀器一樣的感受，卻又不存在和現(xiàn)實(shí)世界一樣的危險(xiǎn)，能充分鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力，并且會(huì)為使用者的錯(cuò)誤操作做出反饋，例如燒杯掉在地上會(huì)破碎，酒精燈使用不當(dāng)會(huì)起火甚至爆炸，濃硫酸滴落到地面上會(huì)產(chǎn)生腐蝕效果，這種視覺、聽覺和觸覺上的多重刺激，更有利于學(xué)生對(duì)所學(xué)習(xí)的知識(shí)產(chǎn)生深刻的印象，達(dá)到和真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的效果。同時(shí)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容完全不受時(shí)間與空間的限制，實(shí)驗(yàn)者可跨地域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，甚至多個(gè)實(shí)驗(yàn)者可以在不同地域協(xié)同完成實(shí)驗(yàn)，更有利于教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的監(jiān)督和指導(dǎo)。

3 VR技術(shù)在中學(xué)高危化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用案例分析

2017年12月22日，世界上第一個(gè)在線互動(dòng)式VR理化生實(shí)驗(yàn)室在華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué)初中部正式建立，這標(biāo)志著VR實(shí)驗(yàn)室在中國(guó)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域中正式投入使用[7]。該實(shí)驗(yàn)室采用戴爾MX虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示設(shè)備和多人聯(lián)機(jī)互動(dòng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)1位教師和30名學(xué)生的實(shí)時(shí)聯(lián)機(jī)互動(dòng)，在接近真實(shí)的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中讓學(xué)生獨(dú)立操作和完成實(shí)驗(yàn)。在VR實(shí)驗(yàn)室中，教師可以為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示并監(jiān)督實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，學(xué)生可以觀察教師和其他學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程，并自行完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以在不受限制的情況下重復(fù)使用，讓學(xué)生充分體驗(yàn)到燃燒、腐蝕等實(shí)驗(yàn)效果并消除潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。以九年級(jí)上學(xué)期化學(xué)課程中“測(cè)定空氣中氧氣的含量”實(shí)驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)利用紅磷與氧氣發(fā)生反應(yīng)來消耗氧氣進(jìn)而粗略測(cè)量空氣中的氧氣含量，由于紅磷在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生有毒并具有刺激性氣味的五氧化二磷煙霧，對(duì)學(xué)生健康有害。在VR實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)就可以有效地解決這個(gè)問題，利用VR技術(shù)逼真地復(fù)原實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和測(cè)試步驟，學(xué)生可在虛擬場(chǎng)景中組裝實(shí)驗(yàn)儀器，檢查實(shí)驗(yàn)裝置氣密性，完成燃燒實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。并且在虛擬實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程中，系統(tǒng)語音會(huì)提醒操作人員以標(biāo)準(zhǔn)的方式進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)操作，幫助學(xué)生以規(guī)范的操作完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度[8]。

對(duì)于VR的實(shí)際效果，研究發(fā)現(xiàn)通過VR技術(shù)教學(xué)對(duì)學(xué)生所學(xué)知識(shí)的短期和長(zhǎng)期保留度都有明顯的提升。在相同時(shí)間和不同內(nèi)容方式的教學(xué)后立即進(jìn)行的測(cè)試中，接受VR方式教學(xué)的學(xué)生，其測(cè)試平均成績(jī)比接受傳統(tǒng)方式教學(xué)的學(xué)生高出27.4%;而在經(jīng)過兩周不同方式的教學(xué)后，前者的測(cè)試平均成績(jī)比后者的高出32.4%[9]。在另一項(xiàng)測(cè)試中，相同的學(xué)生在觀看VR實(shí)驗(yàn)演示和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)演示后，有88%的學(xué)生能夠回憶出VR演示的內(nèi)容，只有48%的學(xué)生能夠回憶出現(xiàn)場(chǎng)演示的內(nèi)容[10]。調(diào)查結(jié)果說明，VR技術(shù)對(duì)提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率具有明顯的作用。

4 VR技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的意義

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是未來學(xué)生獲取知識(shí)的一種重要的手段和方法，也是未來教育發(fā)展的一個(gè)方向，將VR技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，具有以下重要意義。

4.1 保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全

教學(xué)安全是懸在教師、學(xué)校乃至社會(huì)頭頂?shù)囊话牙麆?，學(xué)校安全已經(jīng)成為社會(huì)高度關(guān)注的問題。一旦發(fā)生教學(xué)安全事故，將產(chǎn)生不可估量的后果?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法避免地需要接觸到強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有毒有害腐蝕品等，在教學(xué)過程中極易出現(xiàn)安全事故。VR實(shí)驗(yàn)室可以很好地解決安全性問題，在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，由于不直接接觸危險(xiǎn)化學(xué)藥品，不會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生任何損害，即使發(fā)生操作失誤，也不會(huì)產(chǎn)生實(shí)際的危險(xiǎn)，逼真的錯(cuò)誤反饋還能促使學(xué)生規(guī)范地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，進(jìn)一步降低安全風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

4.2 提高學(xué)生主動(dòng)參與意識(shí)

在教學(xué)過程中，通過充分發(fā)揮學(xué)生的主體參與行為，能提高學(xué)生的主動(dòng)參與意識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)力，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主人。不同于傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)手段學(xué)生只有視覺和聽覺上的感受，VR強(qiáng)大的臨場(chǎng)參與感將使學(xué)生受到視覺、聽覺和觸覺上的多重刺激，獲得“身臨其境”的感受，更有利于學(xué)生對(duì)所學(xué)習(xí)的知識(shí)產(chǎn)生深刻的印象。同時(shí)依靠計(jì)算機(jī)硬件強(qiáng)大的處理能力，VR能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)學(xué)生的操作做出反饋，激發(fā)學(xué)生的探索欲望，增加學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

4.3 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維

創(chuàng)新思維是一種高級(jí)的人類思維活動(dòng)，也是一種重要的發(fā)現(xiàn)、獲取和運(yùn)用知識(shí)的能力。將VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)過程中，能夠促使課堂教學(xué)手段向更加科學(xué)化、高效化的方向發(fā)展，同時(shí)有利于開展互動(dòng)式、啟發(fā)式教學(xué)，開擴(kuò)學(xué)生眼界，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維。借助VR技術(shù)，把學(xué)生從對(duì)文字、符號(hào)、公式的單一空間性理解中解放出來，將知識(shí)轉(zhuǎn)化為逼真的“現(xiàn)實(shí)”體驗(yàn)[11]。同時(shí)，VR技術(shù)強(qiáng)大的可交互性和開放性，允許學(xué)生按照自己的設(shè)想設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在沒有約束的環(huán)境中相互合作、自主創(chuàng)新，發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的科學(xué)現(xiàn)象，思考現(xiàn)象背后的科學(xué)真理，領(lǐng)悟教科書上學(xué)不到的科學(xué)知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生由被動(dòng)式學(xué)習(xí)向主動(dòng)式學(xué)習(xí)發(fā)展，使學(xué)生的獨(dú)立思考能力、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維能力得到全方位的鍛煉和提高。

4.4 改變傳統(tǒng)教學(xué)理念

將VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)過程中，有利于改變?cè)械慕處煿噍?、學(xué)生接受的學(xué)習(xí)方式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的調(diào)整。教師可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容建構(gòu)有關(guān)聯(lián)性的虛擬場(chǎng)景，引導(dǎo)學(xué)生自主合作進(jìn)行探究。教學(xué)的內(nèi)容也不再是一成不變，而是圍繞一個(gè)主題不斷發(fā)展，不斷演化，讓學(xué)生結(jié)合已知現(xiàn)象和事實(shí)推導(dǎo)未知內(nèi)容，探索事物的發(fā)展變化規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)鉆研態(tài)度和獨(dú)立創(chuàng)新精神。VR技術(shù)的應(yīng)用對(duì)減輕教師負(fù)擔(dān)也有重要作用，在VR實(shí)驗(yàn)室中教師不再需要時(shí)刻監(jiān)督、參與學(xué)生的實(shí)驗(yàn)，只需要起組織、指導(dǎo)的作用，在時(shí)間安排上，更多地是學(xué)生自主性、探索性的學(xué)習(xí)。并且能夠改變以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)理念，教師的身份不再是傳統(tǒng)的知識(shí)傳授者，而是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的組織者、參與者、促進(jìn)者，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)較為有利。

5 結(jié)論

VR技術(shù)被看作是僅次于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而且具有改變當(dāng)今世界未來發(fā)展方向的巨大潛力的重要技術(shù)，一經(jīng)推廣應(yīng)用就向世人展示了誘人的發(fā)展前景。將VR技術(shù)運(yùn)用在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，能夠使學(xué)生在不需要教師監(jiān)督以及接觸危險(xiǎn)化學(xué)品的同時(shí)模擬進(jìn)行高危化學(xué)實(shí)驗(yàn)，在保證人身安全的前提下提高學(xué)習(xí)效率，同時(shí)有利于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)以及教師傳統(tǒng)教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變，達(dá)到素質(zhì)教育的目的。盡管現(xiàn)階段VR技術(shù)仍在不斷升級(jí)、改進(jìn)，相應(yīng)的硬件設(shè)備還比較昂貴，VR技術(shù)尚未在教育領(lǐng)域中被廣泛使用，僅有少數(shù)學(xué)校在教學(xué)上進(jìn)行過嘗試。但是隨著VR技術(shù)相關(guān)的軟硬件設(shè)備不斷發(fā)展和完善，以及成本的不斷降低，其在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域中的巨大優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?huì)被更多的教育工作者重視和青睞。VR作為一個(gè)新型的教學(xué)技術(shù)和手段，必將在信息時(shí)代的教育教學(xué)進(jìn)程中發(fā)揮重要作用[12]。

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