虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索

陳芮 楊天林

摘 ?要 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，針對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，通過整合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，以一氧化碳還原氧化鐵為例，探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，以期為一線教學(xué)提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);虛擬教學(xué);化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué);情境教學(xué);一氧化碳還原氧化鐵;虛擬實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：TP391.9 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）11-0109-03

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是一種基于多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、仿真技術(shù)的沉浸式交互環(huán)境[1]。VR技術(shù)的三個(gè)最突出的特征是沉浸性、想象性和交互性。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是數(shù)字圖像處理與模式識(shí)別、智能技術(shù)、多媒體技術(shù)、語音處理與音響技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支的集成與綜合應(yīng)用[2]。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合了心理學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)、控制學(xué)、實(shí)時(shí)分布系統(tǒng)、電子學(xué)、多媒體技術(shù)等[3]。也就是說，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是對(duì)多種技術(shù)的綜合應(yīng)用與多學(xué)科的融合發(fā)展，相比于傳統(tǒng)的虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的扁平的二維環(huán)境，其構(gòu)建的虛擬環(huán)境是多維度的、立體的，更接近于現(xiàn)實(shí)環(huán)境?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人機(jī)交互也更生動(dòng)、自然、逼真，能最大限度給人以身臨其境的感覺，人們可以沉浸在虛擬世界中全身心地感受虛擬世界與自身的互動(dòng)。

虛擬教學(xué)是基于VR技術(shù)在虛擬空間中進(jìn)行教育學(xué)習(xí)的一種新型教學(xué)模式，即運(yùn)用VR技術(shù)構(gòu)建一個(gè)虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境，通過對(duì)知識(shí)點(diǎn)客觀、真實(shí)的模擬重現(xiàn)，使教師和學(xué)生在虛擬環(huán)境中完成教與學(xué)的全過程[4]。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是化學(xué)教學(xué)的重要組成?？梢哉f，化學(xué)學(xué)科的發(fā)展是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。從化學(xué)學(xué)科發(fā)展歷程來看，化學(xué)實(shí)驗(yàn)是探索物質(zhì)性質(zhì)的重要研究方法[5]。同時(shí)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)也是學(xué)生進(jìn)行探究學(xué)習(xí)的重要途徑。通常，在進(jìn)行化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生要通過查閱文獻(xiàn)和書籍來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案或?qū)σ延袑?shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn);在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生要自主地通過積極思考、深入探究、相互協(xié)作來解決可能遇到的各種困難;實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)反思，總結(jié)規(guī)律與經(jīng)驗(yàn)?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、交流能力、社會(huì)責(zé)任感和信息素養(yǎng)。

然而，當(dāng)前化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中依然存在諸多問題，例如：欠發(fā)達(dá)地區(qū)的學(xué)校往往化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施器材落后、藥品種類不全;教師不重視化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，幾乎不進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生死記硬背實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等知識(shí)點(diǎn)以應(yīng)付考試;實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅限于按照書本完成實(shí)驗(yàn)步驟，缺乏思考與探究的過程;有些化學(xué)實(shí)驗(yàn)或具有一定危險(xiǎn)性，或反應(yīng)所需時(shí)間過久，或反應(yīng)條件苛刻，或反應(yīng)現(xiàn)象不明顯，不適合進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，VR逐漸走進(jìn)人們的生活，走入學(xué)科教學(xué)[6]。將VR技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以很大程度上解決以上問題，還能夠提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的探索興趣。VR技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在教學(xué)環(huán)境虛擬化、教學(xué)過程情境化、教學(xué)知識(shí)集成化、學(xué)生學(xué)習(xí)自主化四個(gè)方面。

教學(xué)環(huán)境虛擬化 ?虛擬教學(xué)，簡(jiǎn)單地說，就是通過多種先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)虛擬的、交互的、接近于現(xiàn)實(shí)環(huán)境的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以通過與虛擬環(huán)境互動(dòng)獲得體驗(yàn)與知識(shí)，由此達(dá)到教學(xué)目的的一種教學(xué)手段。虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)中的教學(xué)環(huán)境是非現(xiàn)實(shí)存在的，也就避免了現(xiàn)實(shí)環(huán)境條件、時(shí)間、空間對(duì)于教學(xué)的限制。傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往不可避免地受限于教學(xué)條件，如實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、空間有限，實(shí)驗(yàn)器材與實(shí)驗(yàn)藥品價(jià)格昂貴與損耗嚴(yán)重，某些實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)條件苛刻，等等，都在一定程度上限制了教學(xué)。利用VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬教學(xué)環(huán)境可以通過解決現(xiàn)實(shí)條件限制問題增加學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐的機(jī)會(huì)，從而提高學(xué)習(xí)效率。

教學(xué)過程情境化 ?情境教學(xué)是指學(xué)生在創(chuàng)設(shè)的真實(shí)情境中通過問題探究和問題解決，達(dá)到自主學(xué)習(xí)知識(shí)、建構(gòu)意義的目的的教學(xué)[7]。情境教學(xué)認(rèn)為知識(shí)只有在情境中才產(chǎn)生意義，情境構(gòu)建是意義建構(gòu)的必要前提，而意義建構(gòu)是學(xué)習(xí)的目的。也就是說，學(xué)生需要通過情境主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)，從而達(dá)到意義建構(gòu)的目的。

虛擬教學(xué)環(huán)境的特征是沉浸性、想象性、交互性，其虛擬環(huán)境是逼真的、生動(dòng)的、直觀的、互動(dòng)良好的。學(xué)生沉浸于虛擬環(huán)境中可以感受多維的感官刺激，獲得近似真實(shí)的實(shí)踐體驗(yàn)，以此主動(dòng)地進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)。因此，VR建構(gòu)虛擬環(huán)境是實(shí)現(xiàn)情境教學(xué)的有效手段之一?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)情境化可以更有效地幫助學(xué)生深化對(duì)化學(xué)與生活、生產(chǎn)之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)，拓寬學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)的興趣，提升學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

教學(xué)知識(shí)集成化 ?虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)將圖像、圖表、音頻、視頻和動(dòng)畫等進(jìn)行復(fù)雜集成，以人類認(rèn)知特點(diǎn)為基礎(chǔ)構(gòu)建教學(xué)環(huán)境，組織和展現(xiàn)教學(xué)知識(shí)，體現(xiàn)了知識(shí)信息的形式及內(nèi)容的多樣性和復(fù)雜性，為學(xué)生提供動(dòng)態(tài)、開放、自由的結(jié)構(gòu)化認(rèn)知形式，有利于學(xué)生綜合掌握和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)[5]。

傳統(tǒng)教學(xué)往往僅聚焦于化學(xué)學(xué)科，注重單一學(xué)科知識(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，教科書以文字、圖片等方式展示實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，展示方式是扁平、生硬的。學(xué)生難以有效地建構(gòu)情境并將所學(xué)新知識(shí)與已有經(jīng)驗(yàn)建立聯(lián)系，難以進(jìn)行多學(xué)科融合學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)教學(xué)方式不可避免地會(huì)造成學(xué)科之間的割裂，且不利于學(xué)生建立學(xué)科之間的邏輯關(guān)系。虛擬教學(xué)不僅可以生動(dòng)展示化學(xué)學(xué)科基本內(nèi)容，也能直觀地幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到化學(xué)與其他學(xué)科之間的聯(lián)系，從而建立起綜合的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力。

學(xué)生學(xué)習(xí)自主化

一是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣。劉德建提出，VR教學(xué)對(duì)于學(xué)校教育的主要作用就是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[8]。學(xué)生可以通過VR體驗(yàn)真實(shí)情境，在真實(shí)情境中進(jìn)行教學(xué)能最大限度地激發(fā)學(xué)生的參與興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

二是增強(qiáng)學(xué)生的主體地位。虛擬教學(xué)是以學(xué)生為主體的教學(xué)。傳統(tǒng)教學(xué)往往有固定的教學(xué)順序，即教師講解，然后學(xué)生記憶、理解、練習(xí)，最終達(dá)到教學(xué)目的。學(xué)生在傳統(tǒng)教學(xué)中往往是被動(dòng)接受的角色。而虛擬教學(xué)則更強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動(dòng)參與知識(shí)建構(gòu)，學(xué)生在虛擬環(huán)境中可以自主選擇、自主思考、大膽探索，在自主思考、分析、歸納、綜合的過程中進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)，從而達(dá)到教學(xué)目的。這將很大程度上解決學(xué)生死記硬背，難以學(xué)以致用、學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)重、學(xué)習(xí)效率低等教育教學(xué)問題。

3 應(yīng)用案例設(shè)計(jì)：一氧化碳還原氧化鐵

一氧化碳還原氧化鐵實(shí)驗(yàn)不僅要求學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也要求學(xué)生掌握其實(shí)驗(yàn)操作的注意事項(xiàng)及其原因并能夠靈活應(yīng)用與遷移。各省市中考化學(xué)試卷考查本實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往聚焦于實(shí)驗(yàn)操作的注意事項(xiàng)，例如：反應(yīng)開始前通入一氧化碳?xì)怏w與點(diǎn)燃酒精燈的順序及其錯(cuò)誤操作的后果;反應(yīng)結(jié)束后停止加熱與停止通一氧化碳的順序及其錯(cuò)誤操作的后果;尾氣處理及其改進(jìn);防倒吸及其錯(cuò)誤操作的后果;等等。

現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行一氧化碳還原氧化鐵實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在很多困難，例如：實(shí)驗(yàn)需持續(xù)通入一氧化碳?xì)怏w，而一氧化碳有毒;實(shí)驗(yàn)裝置存在爆炸的危險(xiǎn);實(shí)驗(yàn)需進(jìn)行尾氣處理，若尾氣處理不徹底，會(huì)產(chǎn)生安全隱患;實(shí)驗(yàn)需在通風(fēng)櫥中進(jìn)行，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不方便;實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng);等等。基于以上原因，本實(shí)驗(yàn)不具備課堂現(xiàn)場(chǎng)演示或?qū)W生操作的條件。因此，教師往往采取實(shí)驗(yàn)視頻播放、動(dòng)畫演示等方式進(jìn)行教學(xué)，而學(xué)生往往通過口訣或死記硬背的方式來記憶實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、點(diǎn)燃酒精燈與通一氧化碳的先后順序以及錯(cuò)誤操作帶來的后果。此方法雖然安全性高、耗時(shí)短、簡(jiǎn)單快捷，卻無法激發(fā)學(xué)生的探索欲望，難以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，更談不上優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，培養(yǎng)其化學(xué)興趣。

利用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作，可有效解決以上問題。

VR實(shí)驗(yàn)案例 ?利用3D MAX軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室相關(guān)模型的創(chuàng)建和場(chǎng)景搭建，搜集文字、語音等素材，以Unity 3D作為VR應(yīng)用程序開發(fā)引擎，根據(jù)需要編寫程序，經(jīng)過調(diào)試改善后連接硬件設(shè)備，即可進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備分為頭戴式、桌面式、手持式。其中，頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備應(yīng)用較為廣泛，也更適合進(jìn)行化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)操作。頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備包括頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手柄、位置追蹤器等，如圖1所示。

以矩道3D虛擬實(shí)驗(yàn)室為操作平臺(tái)，虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境如圖2所示。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生可以按照教科書實(shí)驗(yàn)圖示連接實(shí)驗(yàn)儀器，依照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)的操作，如圖3所示。除此之外，學(xué)生還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步探索與試誤，如選擇嘗試先加熱氧化鐵，再通入一氧化碳。如此操作后，學(xué)生將會(huì)觀察到硬質(zhì)玻璃管炸裂，并聽到爆炸的聲音，如圖4、圖5所示。

師生對(duì)話與教師的積極參與是教育活動(dòng)的基礎(chǔ)[9]。技術(shù)互動(dòng)并不能完全替代教師與學(xué)生的互動(dòng)，VR作為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充，是為了幫助教師更好地進(jìn)行教育教學(xué)。虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師可以組織學(xué)生進(jìn)行交流、分析、總結(jié)和評(píng)價(jià)。

在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生根據(jù)自身需要，有的嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有的對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了進(jìn)一步的探索、試誤或改進(jìn)。例如：先加熱氧化鐵，再通入一氧化碳;或先通入一氧化碳?xì)怏w，再點(diǎn)燃尾氣處理處的酒精燈;或未完全冷卻便停止通入一氧化碳;等等。不同的實(shí)驗(yàn)操作將會(huì)得到不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師組織學(xué)生以小組形式交流各自的實(shí)驗(yàn)操作過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論分析出現(xiàn)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因，探究實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方法。交流討論結(jié)束后，教師組織進(jìn)行匯總，引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)各種情況下的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與原因，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)反思，形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。VR虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用于本實(shí)驗(yàn)不僅培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，還增強(qiáng)了學(xué)生的主體意識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的探究能力、思考能力、合作交流能力，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)安全意識(shí)。

4 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新型技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，依然存在設(shè)備昂貴、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不完善、教育資源開發(fā)難度高等問題，但是，其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)仍是無可比擬的。隨著VR技術(shù)的發(fā)展與相關(guān)問題的解決，VR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用將進(jìn)一步拓展。

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