虚拟现实技术在化学实验教学的应用

运用虚拟现实技术在化学教学中开展教学工作，不但有助于优化当前的化学课堂，使课堂的教学容量得到极大扩展，而且还可以模拟现实生活中的真实场景，将所要教学的内容以更直观、形象的方式呈现。尤其是对实验这一部分内容的教学与实践，有利于凸显重点、突破固有难点，而且还可以可视化某些抽象性知识，同时提升学生对化学学科的学习兴趣，降低实验风险，树立学生的绿色发展意识，而且突破各种限制，增强学生的学习效果等，从而更好地促进教学。

关键词：虚拟现实技术;化学实验教学;应用

虚拟现实（VirtualReality，简称VR），它于1989年由美国学者加隆雷尼尔(JaronLanier)提出。这一技术是利用计算机的多媒体信息处理系统模拟真实的三维空间而创建出的虚拟世界，描述现实世界的各种物质和事物演变的动态过程。随着多媒体和网络技术的飞速发展，当前学生学习的方式多样，不再局限于课堂学习，学生可在课后选择自主学习，虚拟现实技术的引进为其创造了机会。在虚拟情境中，学生能够以各种方式与虚拟对象产生交互并在短期内获得反馈结果，从而感知到预期的各种信息并从中获得科学知识和技能，这样就从传统的以教促学转变为以学促学的方式。在化学实验部分中相当一部分知识是不可观察或不容易观察的，例如核外电子的运动状态、化学平衡中反应达到平衡时反应物和生成物的状态等。另外一部分试剂和实验都有较大的危险性，例如强酸、强碱，用氢气还原氧化铁和氧化铜，钠与水反应等。鉴于化学这一学科的上述特点，这才使得作为处于前沿的虚拟现实技术走进中学化学，尤其是与实验教学部分结合有了充分必要性和实践性。但具体的呈现形式或者操作方式怎么选择，就必须要充分考虑这一技术的特殊性,以最恰当的方式来呈现使效果最大化。

一、虚拟现实技术在化学实验教学中应用的优势

1.提高学生对化学学习的兴趣，丰富学生的体验。在传统课堂中，学生获取知识的通常途径是在教师的指导下，学生通过亲身经历一些化学实验来实现某部分知识和技能的获取。然而现实中很少实现，取而代之的是通过教师对知识的讲解，教授并反复对学生强调什么是重点、什么是难点，什么是考点和易错点，机械重复地加强记忆。教师在课堂上讲解完各种知识以及注意点之后，再辅之以相对应的化学实验演示或和题目来验证或者强化之前所教的知识。其实这些陈述性的教授方式仅仅告诉了学生是什么，而并没有告诉他们为什么是这样、又该如何将这些死知识迁移到生活中的活问题中去，其实这不过是教学任务中的一部分而已，并不是知识的全部，也不是学生要掌握的唯一目标。这一惯常的化学课堂，看起来似乎非常合理，其教学效率以及学生的效能感也都很高，然而却抑制了学生学习的积极性和创新能力的发展。在教学过程中引入虚拟现实技术，不仅避免了过分重视教师的作用而忽略学生参与的重要性，还提高了学生对化学的兴趣及其体验感。

2.可以有效地规避各种实验风险。化学实验室是学生学习知识和掌握技能的重要平台之一。实验室储存的试剂大多具有危险性，产生的物质也在一定程度上对师生的健康有影响。例如钾，其化学反应活性非常高，可与各种常见物质发生反应：遇空气可自燃甚至爆炸，遇水、二氧化碳可猛烈反应；与卤素、多种氧化物以及酸等都能剧烈反应等。这种类似的反应对学生具有较大的潜在危害。近几年来，因实验造成的各种伤亡事故也层出不穷，数字一直在不断更新中。经验丰富的天之骄子在做化学实验时尚且发生如此多不幸的事，更何况是初入门的中学生？那么作为未来教师的我们，又当如何在实际的教学过程中让学生不仅能学到知识，还能避免某些危险性较大的实验呢？将虚拟现实技术和化学实验部分的教学有机地结合起来，可以有效地减少各种真实实验带来的潜在危险。

3.节约资源，利于树立学生的绿色发展意识。十八大以来，我们一直在弘扬生态文明建设，在这一过程中，我们充分认识到保护环境的重要性和当前形势的紧迫。当然我们这里所提的良好的生态环境基本上都是针对社会大环境而言，相对于工业污染，实验室的污染小到可以忽略不计，但是我们都明白，工业化学源于实验室化学，要想从根本上解决环境污染问题，实验室同样扮演着不可或缺的角色。就当下的情况而言，我们将虚拟现实技术引入化学实验中，让师生用虚拟实验代替传统实验，不但节约了实验试剂，而且低碳环保，还避免了产生的有毒有害物质给身体带来损伤，真正实现了零污染。同时在实验的过程中也培养了学生的资源节约意识，这与当今时代倡导的可持续发展也是相符合的。教育要从娃娃抓起，我们的环保理念也得从小培养，从身边力所能及的事开始做起！

4.将概念性的学习内容形象化。化学中有些实验的反应较为缓慢、耗时很长，并且现象微不可见，或者课堂实验难以呈现某些化工流程或新的科技成果。如分子结构是中学化学教学中必不可少的一部分，对于学生认识分子的结构，从而了解分子的化学式、化学反应方程式等有着及其重要的作用。目前的教学中，教师一般采用口述或图片的方式给学生呈现，使得学生的认识仅仅停留在二维空间，没有对现实事物的深刻理解。运用虚拟现实技术，可以动态展示3D分子结构模型，并且任意旋转分子模型，将宏观现象与微观现象相联系，将书中的内容形象化。同样，核外电子的运动状态中，电子的运动是看不见、摸不着但却是客观存在的，我们可以通过虚拟现实技术将其运动的轨迹可视化。这些多元化的教学手段的融入产生了可观察的效果，能够大大加强学生对抽象概念和不可见现象的感知。

5.突破多种限制，学生可随时学习。运用虚拟现实技术可为化学实验教学提供多种便利，尤其是可以突破时间、空间限制，学生只需要拥有移动设备和相关权限，在网诺接入的情况下便可直接运用该技术进行实验操作，这为学生的自主学习提供了良好的、崭新的学习环境，真正实现了无边界和个性化的学习，使教学活动、教学手段以及各种优质教学资源不再受到限制，这也为近年来学者们倡导的教育公平，缩小城乡教育差距提供了平台，实现优质的教育教学资源惠及每个学子，尤其是教育相对落后的广大贫困农村地区的孩子们。

6.提高实验效率，增强学习效果。运用虚拟现实技术来开展化学课程的教学工作，特别是针对化学实验部分，省去了实验前实验装置、试剂等的准备，节省了较多时间，这也就在无形中增加了学生实际操作的时间，进一步影响实验的效果。同时，由于受主、客观条件的制约，传统的实验方式很难也几乎没有进行多次重复实验的机会，这在客观上不利于知识的长时间存储和掌握。结合该技术，学生可以针对自己的不足进行多次试验，进而取得更好的实验效果。

二、虚拟现实技术在化学应用中的不足及改善措施

尽管虚拟现实技术有着得天独厚的技术优势和广阔的发展前景，但是它也有自身的缺陷：首先从理论方面来看，尽管很多的学者和教师看到了它的潜力，但却并未引起足够的重视，这也使得作为支撑的理论依据不足；其次从技术层面来说，虚拟现实技术需要足够的高性价比设备作为基础支撑，从而为化学教育乃至整个教育系统服务。虚拟现实以其人机交互的沉浸感为大家所接受，然而目前人与计算机的交互方式大多通过鼠标和键盘，这种局限性也在一定程度上限制了该技术的推广。在实际操作过程中，要尽量避免以下倾向：

1.将虚拟现实技术的应用过于权威化。虚拟现实技术是利用计算机图形技术来获得体验感，与真实感有很大的差距，因而长时间仅依靠虚拟操作来开展教学，会使得学生的真实体验感很弱。同时由于只是虚拟操作，和学生动手实践操作比较而言，学生的实际动手操作能力和创新能力都无法得到更好发展，并且还会给学生造成认识上的一些偏差，甚至会出现一些严重错误，对真实的情景也不会有很好的体验。虚拟现实技术仅能呈现反应过程，给学生以视觉冲击，却不能模拟出气味和热量等的变化，使学生的认识片面化。要避免两个绝对化倾向：不能完全以虚拟实验取代真实实验；不能完全遵循传统方式而摈弃这一技术。根据学生的情况和需要以及所学内容的特点，进一步确定是否使用该技术和如何使用该技术等一系列问题，只有这样才能使虚拟现实技术真正服务于教育教学。

2.忽视教师的主导作用。我们都知道，教师和学生是整个教学的主体力量，而作为技术支撑的虚拟现实技术在教学中只是作为教师教学的辅助工具、重要载体之一，是为了取得更好的课堂教学效果服务的。一节课是好是坏，学生是否从中学到知识、掌握某些技能，或是情感、态度和价值观能否有所改变，这才是提高课堂效率和教学效果的根本所在。要充分认识到教学效果的优劣取决于教师和学生主观能动性的发挥，与此同时还要加强对先进的教育教学理念的学习、研究与运用，同时运用各种现代高科技手段配合教育教学。

三、虚拟实验室的建设（以西北大学化学虚拟仿真实验中心为例）

2016年，西北大学成立了化学虚拟仿真实验中心。实验中心将一些抽象的知识用虚拟仿真的方式得以展现，包括分子构型的优化，分子偶距计算等。此外还建立了化学3D打印与创客实验室，教学模型、分子和晶体结构等都已成功打印，并且引起了师生极大的兴趣。该中心以学科平台为支撑，构建了化学实验基础知识与基本操作的在线学习系统。系统能够完成化学教学实验的音频、视频信号的传输，教师可以将上课的内容予以实时记录，保存教学资料，支持实验课堂的信息化教学，视频会议、现场直播、多班共同讨论、远程教学、在线观摩、网络浏览并回访、数据库平台架构等日常教学和管理活动。对于全面系统的基础化学实验，广泛用于基础化学实验的预习、实验规范以及安全教育方面，旨在丰富学生的研究方法并提升思维能力。采用flash技术构建，无须事先安装该软件，内容涵盖了从仪器介绍到实验装置展示、从实验基本操作和相关知识到定性检验与鉴定、从元素周期表跨至化合物的制备与提纯虚拟实验等，不仅可给学生讲解实验基本知识和基本操作，让学生自由操作，并模拟全部实验过程、记录实验数据并对数据进行处理、评价等，实现了实验的完全自主学习。仿真实验中心涵盖了无机、有机、物理化学和滴定分析和元素及其化合物的性质等多个虚拟实验室，如物理化学虚拟实验室内容包括测定燃烧热、气体-液体平衡相图，测定原电池的电动势等。从上述可知，西北大学的不同侧重点的虚拟实验室已经覆盖了化学学习阶段的大部分实验，如若能将该虚拟仿真实验中心复制到各级学校中，对于新一轮教学改革启动有较大意义。

四、前景展望

无论是以育人为目标的学校还是追求利润的企业，都在响应虚拟现实的大潮，并且切实投入到这个领域中来。但是对于在教育学中的应用，我们还需要更加冷静的思考，如何应用虚拟现实技术来促进教学以及应用该技术的相关操作规范。尽管虚拟现实技术有着无可替代的作用，但不可否认，价格高昂等多方面的原因也阻挡了虚拟实验室的搭建，要想让这项技术惠及更多学子，未来还需要各位技术和科研人员就目前的实际情况做出更多改善。

参考文献：

[1]徐有平.初中化学虚拟实验的设计研究[J].软件导刊:教育技术,2011(11)

[2]孙肇祥.初中化学中虚拟实验与真实实验整合的进一步研究[J].新课程:中学,2012(11)

[3]朱敏,刘鹏飞.虚拟实验在化学实验教学中的应用策略研究[J].软件导刊,2013(6)

[4]包晗,张妲,钟永江.利用信息技术创新初中化学教学方法[J].中国信息技术教育,2013(9)

作者:张春梅单位:喀什大学

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