借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展高中化學(xué)實驗教學(xué)的探究

［摘 要］通過引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，高中化學(xué)實驗教學(xué)得以突破傳統(tǒng)模式的限制，賦予學(xué)生更安全、更直觀、更具互動性的學(xué)習(xí)體驗。教學(xué)實踐表明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)中顯著提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與參與度，同時深化了學(xué)生對化學(xué)概念及實驗步驟的理解與掌握，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力。文章分析了借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展高中化學(xué)實驗教學(xué)的意義，闡述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用途徑。

［關(guān)鍵詞］虛擬現(xiàn)實技術(shù)；高中化學(xué)；實驗教學(xué)

［中圖分類號］ G633.8 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-6058（2024）26-0067-03

隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）作為一種創(chuàng)新且充滿可能性的教學(xué)手段，正逐步融入教育教學(xué)實踐當中。在高中階段，化學(xué)實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和實驗技能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，迫切需要引入新穎的教學(xué)理念以滿足當代學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。本文旨在探索依托虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展高中化學(xué)實驗教學(xué)的價值及其應(yīng)用途徑，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供的沉浸式體驗、真實實驗場景再現(xiàn)以及探究式學(xué)習(xí)功能，以期為高中化學(xué)實驗教學(xué)帶來新的突破，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和操作能力，從而為培育創(chuàng)新型人才奠定堅實基礎(chǔ)。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用概述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在基礎(chǔ)教育中的應(yīng)用正逐漸普及并深化。該技術(shù)通過創(chuàng)建逼真的三維虛擬環(huán)境，為學(xué)生提供了一種全新的、沉浸式的學(xué)習(xí)體驗。在基礎(chǔ)教育階段，虛擬現(xiàn)實技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多學(xué)科教學(xué)中，尤其對于那些難以通過傳統(tǒng)教學(xué)方式呈現(xiàn)或理解的抽象概念、復(fù)雜實驗和科學(xué)現(xiàn)象，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠形象生動地展現(xiàn)出來，幫助學(xué)生更好地理解和掌握。此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，提升他們的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維，為基礎(chǔ)教育的改革與創(chuàng)新提供有力的技術(shù)支持。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于高中化學(xué)教學(xué)的意義

（一）提升實驗安全性

虛擬現(xiàn)實技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢，為高中化學(xué)實驗教學(xué)構(gòu)筑起一道堅實的安全屏障。以“鈉與水的反應(yīng)”實驗為例，在真實環(huán)境中進行時，由于金屬鈉的活潑性極高，與水反應(yīng)極為劇烈，稍有不慎就可能引發(fā)安全事故。因此，許多學(xué)生在進行實驗時都會心存顧慮，無法完全投入到實驗中。而在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的幫助下，這個問題得到了有效解決。在虛擬空間中，學(xué)生可以自由地觀察鈉塊被投入水中后的劇烈反應(yīng)，看它如何在水中翻騰跳躍，發(fā)出嘶嘶的聲響，并放出氫氣。整個實驗過程不僅栩栩如生，而且完全在安全可控的環(huán)境下進行，徹底消除了學(xué)生對實驗安全的擔憂。更重要的是，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還允許學(xué)生對實驗進行反復(fù)模擬和練習(xí)，直到他們完全掌握實驗要領(lǐng)和金屬鈉的化學(xué)性質(zhì)。這種既安全又高效的學(xué)習(xí)方式，不僅極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，還進一步激發(fā)了他們對化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣和探索熱情。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在提升高中化學(xué)實驗安全性方面發(fā)揮了不可替代的作用。

（二）增強學(xué)習(xí)互動性

通過運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，微觀世界被賦予了前所未有的直觀性和互動性。以“離子反應(yīng)”這一章節(jié)為例，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生往往只能通過書本上的文字和圖片來想象離子之間的相互作用和反應(yīng)過程，這無疑增加了理解的難度。而在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的輔助下，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中親手搭建離子模型，直觀地觀察正負離子如何相互吸引、排斥，以及它們在水溶液中如何發(fā)生反應(yīng)生成新的化合物。這種沉浸式的互動學(xué)習(xí)方式，極大地提高了學(xué)生的課堂參與度，使他們從被動接受知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹剿髦R，讓原本抽象的離子反應(yīng)知識變得生動具體、觸手可及。此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還為學(xué)生提供了與虛擬環(huán)境中的離子實時互動的機會。學(xué)生可以通過調(diào)整離子的位置、濃度等參數(shù)來觀察離子反應(yīng)的變化規(guī)律，從而更深入地理解離子反應(yīng)的本質(zhì)和影響因素。這種直觀且互動性強的學(xué)習(xí)方式，不僅激發(fā)了學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的探索欲望，還培養(yǎng)了他們的實踐能力與創(chuàng)新思維。

（三）增強教學(xué)直觀性

在高中化學(xué)教學(xué)中，原子結(jié)構(gòu)是一個抽象且難以理解的概念。傳統(tǒng)教學(xué)方法往往依賴于靜態(tài)的圖片和模型，難以讓學(xué)生真正領(lǐng)會原子內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和動態(tài)變化。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用為破解這一難題提供了全新的解決方案。借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，教師可以為學(xué)生構(gòu)建一個三維立體的原子世界。在這個虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以自由地進入原子內(nèi)部，直觀感受并細致觀察原子核、電子云以及不同能級的電子排布。這種直觀、互動的學(xué)習(xí)方式讓學(xué)生能夠更加清晰地認識到原子結(jié)構(gòu)的層次性和動態(tài)性。例如，在探索“原子軌道”這一概念時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以呈現(xiàn)出電子在不同軌道上運動的真實場景。學(xué)生可以通過調(diào)整視角和觀察點，詳細觀察s、p、d等各類軌道的形狀、大小以及電子在這些軌道上的運動狀態(tài)。這種直觀的學(xué)習(xí)方式有助于學(xué)生更深入地理解原子軌道的概念和電子排布規(guī)律。此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以模擬原子間的相互作用和化學(xué)反應(yīng)過程。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中親手操作原子模型，觀察它們在反應(yīng)過程中的動態(tài)變化和化學(xué)鍵的形成與斷裂。這種學(xué)習(xí)方式不僅增強了化學(xué)知識的直觀性，還讓學(xué)生有機會親身參與化學(xué)反應(yīng)的探索過程，從而更深刻地理解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)和原理。

三、借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展高中化學(xué)實驗教學(xué)的途徑

（一）以虛助實，拓展化學(xué)實驗操作邊界

借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，教師可以有效地拓展高中化學(xué)實驗的操作邊界。在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，由于設(shè)備、安全和時間等方面的限制，許多實驗難以在課堂上充分展開。然而，通過構(gòu)建虛擬實驗環(huán)境，學(xué)生得以在無風(fēng)險、無限制的條件下進行各種復(fù)雜的實驗操作，如高溫高壓反應(yīng)、微觀世界探索等。這種以虛助實的教學(xué)方式不僅豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容，還提升了學(xué)生的實踐能力和科學(xué)素養(yǎng)。

以“濃硫酸的強氧化性”實驗為例，在傳統(tǒng)化學(xué)實驗教學(xué)模式中，學(xué)生通常需要親自動手，使用濃硫酸、金屬等物質(zhì)進行真實的化學(xué)反應(yīng)實驗。這樣的實驗設(shè)計旨在讓學(xué)生通過親身實踐來觀察和了解濃硫酸的強氧化性及其在化學(xué)反應(yīng)中的作用。然而，濃硫酸具有強烈的腐蝕性和氧化性，一旦操作不當，很容易導(dǎo)致學(xué)生受傷或設(shè)備損壞。同時，對于初學(xué)者而言，由于缺乏足夠的經(jīng)驗和技巧，他們在操作過程中往往會遇到諸多困難。而借助先進的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，教師可以為學(xué)生打造一個既安全又逼真的實驗學(xué)習(xí)環(huán)境。具體而言，教師可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建一個高度仿真的虛擬實驗室，讓學(xué)生可以身臨其境地進行濃硫酸的強氧化性實驗，而無需擔心真實實驗中潛在的風(fēng)險和意外。學(xué)生可以通過頭戴設(shè)備自由地觀察和探索虛擬世界，從而更加深入地理解濃硫酸的化學(xué)性質(zhì)及其在化學(xué)反應(yīng)中的表現(xiàn)。

通過引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬真實實驗，不僅可以有效避免傳統(tǒng)實驗中存在的安全隱患和操作難題，還可以為學(xué)生提供更加逼真、高效、有趣的實驗學(xué)習(xí)體驗。

（二）交互探索，打造沉浸式實驗任務(wù)體驗

虛擬現(xiàn)實技術(shù)為高中化學(xué)實驗教學(xué)提供了全新的交互探索方式，從而打造出沉浸式的實驗任務(wù)體驗。在虛擬實驗環(huán)境中，學(xué)生不再是被動的觀察者，而是積極的參與者。他們可以通過手柄、頭盔等交互設(shè)備，親手操作虛擬實驗器材，觀察化學(xué)反應(yīng)的每一個細節(jié)，甚至與虛擬世界中的分子、原子進行實時互動。這種沉浸式的交互探索方式極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和內(nèi)在動力，促使他們在親身體驗中更深刻地理解化學(xué)原理，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實踐能力。

以“探索酸堿中和反應(yīng)中的熱量變化”實驗為例，在教學(xué)實踐中，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，教師可以為學(xué)生設(shè)計一個別開生面的沉浸式實驗任務(wù)，讓他們親身感受化學(xué)反應(yīng)中熱量變化的奧妙。

1.實驗任務(wù)背景設(shè)定

教師設(shè)定一個具體的實驗任務(wù)：探索酸堿中和反應(yīng)中的熱量變化。在這個任務(wù)中，學(xué)生將置身于一個虛擬的實驗室環(huán)境，里面擺放著各種實驗器材和試劑。

2.交互探索步驟詳解

（1）準備階段：學(xué)生戴上VR頭盔，手持VR手柄，進入虛擬實驗室。他們可以清晰地看到實驗指南和器材列表，從而對實驗有整體的認識。（2）選擇試劑與器材：借助VR手柄，學(xué)生能夠選擇所需的酸堿試劑以及測量熱量的實驗器材，如溫度計或熱量計。（3）混合試劑：在虛擬導(dǎo)師的引導(dǎo)下，學(xué)生將酸堿試劑按照一定比例混合。他們可以觀察到試劑混合瞬間的顏色變化、氣泡產(chǎn)生等直觀現(xiàn)1ad22a5354077aabf2ea17bf1668ca575eca71c635df4db98d73fff639fc0a0d象。（4）測量熱量變化：學(xué)生可以使用虛擬溫度計或熱量計，實時監(jiān)測反應(yīng)過程中的熱量變化。數(shù)據(jù)會以圖表或數(shù)字的形式直觀展示在VR界面中。（5）調(diào)整實驗條件：為了更深入地探索，學(xué)生可以調(diào)整試劑的濃度、溫度等實驗條件，觀察不同條件下熱量變化的規(guī)律。（6）記錄與分析：學(xué)生可以在虛擬實驗記錄本上記錄實驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合理論知識進行分析。系統(tǒng)還提供智能分析功能，能夠幫助學(xué)生更好地理解實驗結(jié)果。

3.實驗任務(wù)亮點與意義

（1）安全性高：在虛擬環(huán)境中進行實驗，避免了真實實驗中潛在的安全風(fēng)險。（2）交互性強：學(xué)生可以通過手柄與虛擬環(huán)境中的一切進行互動，提高了實驗的參與度和趣味性。（3）數(shù)據(jù)直觀：通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，熱量變化等抽象數(shù)據(jù)得以直觀展示，有助于學(xué)生更好地理解和掌握相關(guān)知識。（4）條件可調(diào)：在虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以輕松調(diào)整實驗條件，拓寬科學(xué)探索的邊界。

通過這樣一個沉浸式實驗任務(wù)，學(xué)生不僅能夠深刻體驗到化學(xué)反應(yīng)中的熱量變化，還能在交互探索中培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

（三）虛實結(jié)合，促進化學(xué)知識的應(yīng)用與遷移

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)與真實實驗的有機結(jié)合，教師可以有效地促進學(xué)生對化學(xué)知識的應(yīng)用與遷移。虛擬實驗為學(xué)生提供了豐富的模擬場景和實驗條件，使他們能夠在多樣化的情境中探索和應(yīng)用化學(xué)知識。而真實實驗則為學(xué)生提供了實際操作的機會，讓他們在實踐中驗證和鞏固虛擬實驗中所學(xué)的知識。這種虛實結(jié)合的教學(xué)方式有助于學(xué)生在不同情境間建立聯(lián)系，實現(xiàn)知識的靈活應(yīng)用與遷移，從而提升他們解決問題的能力，培養(yǎng)他們的綜合素養(yǎng)。

以“探索鐵及其化合物間的轉(zhuǎn)化”實驗為例，學(xué)生借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)進入了一個充滿奇幻色彩的虛擬世界。在這個世界中，他們仿佛置身于一個巨大的實驗室，周圍擺滿了各種各樣的鐵及其化合物試劑和實驗器材。他們可以自由地選擇試劑進行實驗，觀察鐵及其化合物在不同條件下的轉(zhuǎn)化過程。

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的模擬實驗，學(xué)生親手操作了鐵的氧化、還原、沉淀等反應(yīng)，目睹了反應(yīng)過程中顏色的變化、氣體的釋放以及新物質(zhì)的生成。這種直觀的實驗體驗讓學(xué)生對鐵及其化合物間的轉(zhuǎn)化規(guī)律有了更加深刻的認識和理解。學(xué)生開始明白鐵及其化合物間的相互轉(zhuǎn)化是如何影響鐵的性質(zhì)和用途的，這種理解并非只停留在理論層面，而是融入了他們的實踐操作中。

當學(xué)生從虛擬實驗室回歸現(xiàn)實時，他們帶著豐富的感性認識和直觀經(jīng)驗進入真實實驗室。在這里，他們運用之前所學(xué)的知識和虛擬實驗中的經(jīng)驗進行了真實的實驗操作。他們根據(jù)實驗指導(dǎo)成功地驗證了鐵及其化合物間的轉(zhuǎn)化規(guī)律，不僅如此，他們還嘗試探索了不同的實驗條件和反應(yīng)路徑對轉(zhuǎn)化過程的影響。

通過虛實結(jié)合的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生實現(xiàn)了知識的有效遷移和應(yīng)用。他們不僅掌握了鐵及其化合物間的轉(zhuǎn)化規(guī)律，還學(xué)會了如何運用所學(xué)知識解決實際問題。這種能力的培養(yǎng)，讓他們在未來的學(xué)習(xí)和工作中能夠更加自信地面對各種挑戰(zhàn)和問題。同時，這種學(xué)習(xí)方式為學(xué)生在化學(xué)領(lǐng)域的深入學(xué)習(xí)和探索打下了堅實的基礎(chǔ)。

總之，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展高中化學(xué)實驗教學(xué)的探究，不僅為學(xué)生帶來了身臨其境的學(xué)習(xí)體驗，還極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容與手段。虛擬現(xiàn)實技術(shù)打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的限制，讓學(xué)生在安全、可控的環(huán)境中進行各種化學(xué)實驗的探究，從而更深入地理解化學(xué)原理與現(xiàn)象。這種創(chuàng)新的教學(xué)方式不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信它將在高中化學(xué)實驗教學(xué)中發(fā)揮更加重要的作用。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 吳鋒.虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)在中學(xué)高?；瘜W(xué)實驗教學(xué)中的運用初探[J].化學(xué)教學(xué)，2020（6）：58-61.

[2] 張棟.VR技術(shù)在中學(xué)理科教學(xué)中的應(yīng)用與開發(fā)策略[J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2022（4）：84-87.

（責任編輯 羅 艷）