虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

吳 燕

（亳州市第三完全中學(xué) 安徽亳州 236807）

從學(xué)科分類上來說，化學(xué)屬于理科。對于高中生來說，這門學(xué)科涉及很多復(fù)雜的概念，并不那么容易理解。同時，高中階段的化學(xué)教學(xué)活動中涉及許多實驗活動，而這類活動的開展不光涉及各種復(fù)雜知識、化學(xué)技能等方面，還存在著安全保障的問題，而傳統(tǒng)的高中化學(xué)教育往往不能在很大程度上“自由發(fā)揮”，而是受到各種現(xiàn)實因素限制，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)效果受到影響。若在開展高中化學(xué)教學(xué)時，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持，就有可能改變現(xiàn)狀，讓教學(xué)活動發(fā)揮更大的作用。學(xué)生們在仿真交互環(huán)境中參與各種實驗過程，不光安全上更有保證，同時學(xué)習(xí)操作的體驗也會更好，從而產(chǎn)生更大的學(xué)習(xí)熱情。從整體上來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的融入，會給高中化學(xué)教學(xué)整體水平的提升帶來很大的空間，因此，有關(guān)人員應(yīng)當(dāng)在這方面多進(jìn)行探索和實踐[1]。

一、虛擬現(xiàn)實概念解讀

虛擬現(xiàn)實（VR）是在上個世紀(jì)形成的一種創(chuàng)新而實用的技術(shù)內(nèi)容，其中整合了多個領(lǐng)域的技術(shù)，如計算機以及電子信息，仿真技術(shù)等主要利用計算機來完成虛擬化的現(xiàn)實環(huán)境模擬，讓人們獲得環(huán)境交互感，并且沉浸其中。該技術(shù)對現(xiàn)實生活中各類數(shù)據(jù)加以運用，并通過計算機領(lǐng)域電子信號的作用讓它同設(shè)備相結(jié)合，之后它就會轉(zhuǎn)化為人類可以感知的現(xiàn)象，所以虛擬現(xiàn)實主要是計算機基礎(chǔ)之上形成的一類“真實”的情境。它允許用戶在數(shù)字環(huán)境中執(zhí)行動作，同時感覺自己沉浸在物理環(huán)境中。虛擬現(xiàn)實的目的是讓參與者體驗及操縱環(huán)境，就仿佛置身真實世界一樣。就虛擬現(xiàn)實體驗所包含的內(nèi)容來說，它并沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)，因此虛擬現(xiàn)實的模式也不是固定的，不過它有一些所遵循的公認(rèn)的準(zhǔn)則，那就是環(huán)境必須由根據(jù)用戶的視角呈現(xiàn)，并且由同現(xiàn)實中大小一致的圖像所構(gòu)成。同時，運行虛擬環(huán)境的系統(tǒng)必須能夠跟蹤用戶的運動，尤其是眼睛和頭部的運動，以便對顯示器上的圖像做出反應(yīng)和更改，或啟動相關(guān)事件。

簡而言之，虛擬現(xiàn)實環(huán)境是通過計算機基礎(chǔ)上建立起的感官刺激來形成各種體驗。當(dāng)時代不斷前進(jìn)，更多的人在虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)筑起來虛擬化環(huán)境中獲得真切的體驗，并開始認(rèn)識到虛擬現(xiàn)實技術(shù)所蘊含的巨大能量。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實有望在更多的領(lǐng)域和方面發(fā)揮重要的技術(shù)作用。目前，傳統(tǒng)教學(xué)方式已不能夠滿足學(xué)生高效學(xué)習(xí)的需求，而且也不能很好地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)欲望。虛擬現(xiàn)實的深度運用能夠讓學(xué)生在學(xué)習(xí)教育活動中獲得更多的可能性。這類技術(shù)的融入打破了常規(guī)的教育模式，并有望將教育活動擴展到課堂之外。因此，越來越多的教育工作者正通過將虛擬現(xiàn)實引入課堂，讓學(xué)生通過沉浸式學(xué)習(xí)等更加豐富多彩的學(xué)習(xí)活動來實現(xiàn)更高的教學(xué)效率[2]。

二、高中化學(xué)教學(xué)活動應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的價值與挑戰(zhàn)分析

如今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)正在幫助人們實現(xiàn)對各類事物的探索活動，從人體的微觀世界到太陽系的遙遠(yuǎn)邊緣，融入真實感的虛擬現(xiàn)實借由生動的動畫、物理手段、空間音頻等將體驗帶入學(xué)習(xí)者的生活。例如，英特爾公司就同合作伙伴合作開發(fā)出支持虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)上的教育集成解決方案，利用強大的教室硬件為學(xué)生打造更加獨特的學(xué)習(xí)體驗。英特爾還同美國藝術(shù)博物館合作，讓觀眾有機會通過相關(guān)的展覽活動以虛擬的方式實地考察世界上其他地方的一些藝術(shù)精品，因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅幫助人們更好地掌握復(fù)雜的科學(xué)概念，還為更多的人打開了文化體驗的大門。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)日益向前發(fā)展，國內(nèi)教育工作者亦開始關(guān)注到該技術(shù)所具有的獨特優(yōu)勢，并且將其視為能夠給教育活動以及教育發(fā)展帶來強大支持的創(chuàng)新性教學(xué)思路。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已被證明能切實提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和考試成績。在北京地區(qū)曾經(jīng)開展的一項研究中，選擇一組學(xué)生使用虛擬現(xiàn)實的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，而另一組學(xué)生則通過傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，VR組學(xué)生的平均得分明顯高于對照組，而后續(xù)的隨訪測試活動中依然獲得了同樣的結(jié)果。通過觀察，我們能夠發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)高中化學(xué)教育活動中，教師所采取的教學(xué)方式往往是灌輸型的，不利于學(xué)生接受知識，也不容易激發(fā)出他們的學(xué)習(xí)熱情，當(dāng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)開始得到廣泛的發(fā)展與應(yīng)用，高中化學(xué)教學(xué)擁有了進(jìn)一步走向現(xiàn)代化的機會：若能善用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，借其開發(fā)更具有真實性的教學(xué)場景，就可以顯著提高教學(xué)水平，讓化學(xué)教育呈現(xiàn)出嶄新的圖景。

1.高中化學(xué)教學(xué)活動應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的價值

首先，在開展高中化學(xué)教學(xué)特別是實驗教學(xué)活動的時候，教師可以以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，打造虛擬實驗室環(huán)境。在這種環(huán)境中，學(xué)生能夠通過仿真實驗平臺進(jìn)行各種實驗，并觀看動畫對實驗過程進(jìn)行的演示，從而學(xué)習(xí)其中應(yīng)該怎么操作，有哪些步驟等。在這樣的形式下，學(xué)生可以充分地以自主探索的方式展開學(xué)習(xí)，不光參與性更強，而且生動的學(xué)習(xí)體驗也可以提高他們的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)愿望。其次，高中階段化學(xué)課程中涉及的一些化學(xué)實驗內(nèi)容往往存在一定的危險性，在過去，為了安全起見，化學(xué)教師一般會組織學(xué)生進(jìn)行那些更加安全一些的實驗活動，而導(dǎo)致學(xué)生沒有機會參與到帶有一定危險性的實驗活動，從而在化學(xué)學(xué)習(xí)方面受到了限制，無法充分掌握各類知識點。而在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的幫助下，學(xué)生就有機會參與到后一種類型的體驗中去，而不必?fù)?dān)心安全問題，這樣就能夠提高實驗教學(xué)乃至整體化學(xué)教學(xué)的水平。

2.高中化學(xué)教學(xué)活動應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的挑戰(zhàn)

目前，在高中化學(xué)教育活動中，已經(jīng)有不少教師開始挖掘虛擬現(xiàn)實類技術(shù)的價值，并且獲得了一定的成效，但他們在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)中也面臨著一些問題。例如，要結(jié)合虛擬現(xiàn)實方面的技術(shù)開展教學(xué)活動，就必須用到相關(guān)的設(shè)備，讓學(xué)生通過它們來獲得交互體驗，然而這類設(shè)備的成本往往是很高的，因此，此類教學(xué)活動意味著需要龐大的資金支持，但是很多學(xué)校沒有辦法拿出這么多資金，所以虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用與推廣無法廣泛進(jìn)行下去。另外，由于實現(xiàn)虛擬化的實驗等教學(xué)內(nèi)容是基于對相關(guān)設(shè)備特別是計算機設(shè)備的特定操作來實現(xiàn)的，而學(xué)生在這方面的操作水平并不都是一樣的。對于那些操作水平比較高的學(xué)生，能夠獲得良好的學(xué)習(xí)、交互體驗，而若是那些操作水平不高的學(xué)生，就可能無法獲得充分體驗。除上述問題外，高中化學(xué)教師對于虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)上的教學(xué)也不是十分熟悉，大部分老師還是更習(xí)慣于采用過去的教學(xué)、實驗形式，短時間內(nèi)不能完全轉(zhuǎn)換教學(xué)思路和習(xí)慣。這也是現(xiàn)階段高中化學(xué)教學(xué)活動應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)所面臨的一大挑戰(zhàn)。

三、進(jìn)一步做好虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的策略

從上面的分析可以看出，要更好地發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中的價值，還需要進(jìn)一步對相關(guān)活動進(jìn)行優(yōu)化及改善，將結(jié)合了虛擬現(xiàn)實類技術(shù)的化學(xué)教學(xué)尤其是實驗教學(xué)的水準(zhǔn)進(jìn)一步提升上來。

1.教學(xué)理念及交互能力的提升

在開展化學(xué)教學(xué)活動時，高中化學(xué)教師需要提高對于虛擬教學(xué)在教育活動中價值的認(rèn)識，以及現(xiàn)階段將其應(yīng)用到現(xiàn)實的化學(xué)課堂教學(xué)中的一些挑戰(zhàn)。目前，虛擬現(xiàn)實類技術(shù)已經(jīng)在許多行業(yè)中得到了應(yīng)用，不過正如前面所分析的，要讓它在更大范圍、更大規(guī)模上為高中化學(xué)課堂提供支持，還有一些問題需要解決。除了客觀的資金的不足支持以及學(xué)生在設(shè)備操作方面的水平問題之外，教師方面也應(yīng)當(dāng)采取更多的措施加以改善。現(xiàn)階段，教師在真實化交互環(huán)境構(gòu)建方面能力還比較有限，導(dǎo)致高中生無法通過相關(guān)的操作學(xué)習(xí)獲得很深刻的感悟與理解。所以，教師今后在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)講更多精力放在實驗交互性的構(gòu)建方面，特別是要增加更多的情感交流元素，充分利用智能技術(shù)以及協(xié)同技術(shù)的幫助來提高學(xué)生學(xué)習(xí)和實驗的體驗，從而真正讓學(xué)生在相關(guān)活動中提高化學(xué)能力，尤其是實際操作能力。在開展教學(xué)活動的時候，高中化學(xué)教師還需要注意的是，不可以走入另一個極端，那就是將教學(xué)活動全部依賴于虛擬技術(shù)等相關(guān)技術(shù)上，而是應(yīng)當(dāng)找到傳統(tǒng)教學(xué)同虛擬化教學(xué)的優(yōu)勢和契合點，將兩者科學(xué)合理地融合在一起，發(fā)揮更大的協(xié)同效應(yīng)，從而讓教學(xué)水平的提升獲得保證。

2.完善虛擬實驗教學(xué)過程

對于那些不適合在現(xiàn)實中進(jìn)行演示和操作的具有危險性的化學(xué)實驗活動來說，利用虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)上的實驗活動不光規(guī)避了危險性，而且能夠最大限度上保留實驗操作的真實性，讓學(xué)生將三維模型作為操作對象，并結(jié)合文字和聲音的提示等實現(xiàn)沉浸式學(xué)習(xí)。而在打造虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)之上的化學(xué)實驗活動時，教師應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步完善相關(guān)的教學(xué)過程，以確保學(xué)生能夠充分地投入其中，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的幫助收獲更多的化學(xué)知識與技能。

（1）課前準(zhǔn)備活動

在開展此類實驗教學(xué)之前，教師應(yīng)當(dāng)事先做好實驗內(nèi)容的安排布置，首先為學(xué)生設(shè)計預(yù)習(xí)性的學(xué)習(xí)活動，以讓他們對于實驗原理部分、實驗所要達(dá)到的目的、相關(guān)的實驗步驟、在實驗過程中要用到哪些儀器設(shè)備等有一個大體上的了解，在此之后，還需要要求學(xué)生作出自己的總結(jié)，以深化他們對相關(guān)內(nèi)容的掌握。

（2）老師講解活動

當(dāng)學(xué)生正式參與交互性化學(xué)實驗活動之前，教師還應(yīng)當(dāng)再對他們進(jìn)行必要的講解，可以根據(jù)前面一個環(huán)節(jié)的內(nèi)容，再圍繞實驗作一些補充性的講解，特別是針對學(xué)生不容易理解的內(nèi)容或是一些難點方面，更加細(xì)致、更有針對性的講解能夠讓他們?yōu)楹罄m(xù)的虛擬實驗打下更好的基礎(chǔ)。這也是此類實驗教學(xué)活動同傳統(tǒng)實驗教學(xué)的一個比較顯著的不同。在此部分，教師會基于學(xué)生將要進(jìn)行的仿真實驗活動來作一些細(xì)節(jié)性的講解。

（3）交互式實驗操作

在前面兩個部分都完成之后，教師就可以組織學(xué)生通過虛擬交互式實驗平臺進(jìn)行相關(guān)的實驗。在實驗過程中，教師應(yīng)當(dāng)更多地發(fā)揮配合者與引導(dǎo)者的作用，而更多地由學(xué)生自己動手操作進(jìn)行體驗，在學(xué)生完成實驗并獲得有關(guān)的實驗數(shù)據(jù)以后，還要讓他們撰寫自己的實驗報告。

（4）實驗表現(xiàn)評定

教師對學(xué)生在虛擬的交互式實驗活動中的表現(xiàn)進(jìn)行評價的時候，可以從幾個方面進(jìn)行考察。一是其所提交的實驗報告的評價，二是他們在實驗操作方面表現(xiàn)的評價，三是學(xué)生在提問方面的表現(xiàn)以及對老師提出的問題的回答情況等。對于這幾項考察，教師應(yīng)當(dāng)將實驗報告作為一個重點關(guān)注對象。

基于上述思路，教師應(yīng)將更多與教學(xué)活動相關(guān)的內(nèi)容考慮進(jìn)去，讓虛擬實驗教學(xué)活動發(fā)揮出更多的功用，使高中化學(xué)教學(xué)朝著更加深度的方向發(fā)展。

3.結(jié)合主題教學(xué)開發(fā)交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境

如前所述，虛擬現(xiàn)實作為一種交互式的化學(xué)教育工具正在興起，但其在化學(xué)教育中的應(yīng)用和評估仍然有限。教師可以針對這種局面，進(jìn)行更多的化學(xué)教學(xué)探索，其中包括結(jié)合具體的主題和教學(xué)任務(wù)開發(fā)交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境。同虛擬現(xiàn)實技術(shù)類似，主題式的教學(xué)形式對于高中化學(xué)也有著非常大的價值可以挖掘。首先，這類學(xué)習(xí)活動能夠進(jìn)一步強化學(xué)生的探究主動性，讓他們建立起解決問題方面更為良好的能力，包括運用所學(xué)習(xí)的化學(xué)知識來對相關(guān)問題進(jìn)行解決。也因此有人提出，主題學(xué)習(xí)對高中學(xué)生提升自身的科學(xué)探究能力及創(chuàng)新能力方面、實現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)是至關(guān)重要的。其次，通過主題性的學(xué)習(xí)實驗活動，學(xué)生可以建立起相對穩(wěn)固的知識體系。在這一體系的作用下，他們就能夠更加深入地掌握知識，并且確保相關(guān)的知識與技能在長時間內(nèi)不遺忘。這是因為在主題教學(xué)過程中，高中生更能夠站在本質(zhì)上來對化學(xué)現(xiàn)象以及其背后的原理進(jìn)行理解。基于主題教學(xué)的種種優(yōu)勢，在高中虛擬交互式教學(xué)活動中，教師也可以盡可能多將這種形式的教學(xué)融合進(jìn)去，讓交互式仿真教學(xué)進(jìn)一步發(fā)揮作用，促進(jìn)學(xué)生對相關(guān)化學(xué)知識點的理解。

結(jié)語

綜上所述，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的參與，使得高中化學(xué)教學(xué)活動特別是實驗教學(xué)活動獲得了更多的機會與可能，這也是虛擬現(xiàn)實在教育領(lǐng)域中的價值體現(xiàn)之一。將化學(xué)課堂同虛擬的仿真式互動體驗聯(lián)系起來，是學(xué)生有機會獲得更深入地學(xué)習(xí)和參與的機會，讓自己通過沉浸式體驗練習(xí)實驗技能，掌握化學(xué)知識，并體驗化學(xué)的趣味性。然而這并不是說，目前虛擬技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)活動中的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到極高的水準(zhǔn)。事實上，在這方面還有很多的工作要做，除了要積極克服硬件設(shè)備建設(shè)上的資金困難之外，也需要教師更加深入地意識到該技術(shù)在高中化學(xué)方面的重要價值和影響，尤其是它對實驗教學(xué)的關(guān)鍵促進(jìn)作用，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深入的思考，以更好地解決虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用上所面臨的一些挑戰(zhàn)，繼而真正借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)的力量形成更高水準(zhǔn)的高中化學(xué)教育教學(xué)。