虚拟现实技术与高中化学实验教学_化学论文-查字典化学网

在高中教育阶段，化学课程是理科综合的重要组成部分。但化学是一门以实验为基础的学科，在我国当前的高中化学教学中，实验一直是化学课程的短板。虚拟现实技术的出现对高中化学实验的改革具有重大意义，基于沉浸感、交互性、构想性等特点的虚拟现实技术将有助于学生的实践能力以及学习兴趣的提升。为此，通过分析当前我国高中化学实验教学的基本情况以及存在的问题，结合虚拟现实技术来探讨高中化学实验教学的开展，以期对提高我国高中化学实验教学质量的途径有所启发。

关键词:高中化学实验教学;虚拟现实技术;发展

化学教学与其他学科教学不同的是除了理论知识的传授外，还有化学实验的教授。化学实验教学与单纯的理论知识教授不同，一方面实验教学需要口头讲述，比如化学实验原理，化学实验的目的，以及所需的器材和实验的操作步骤；另一方面，化学实验还要求学生借助实验仪器和实验药品自己动手，亲自操作，感受实验的乐趣，而教师也需要进行现场指导，让学生的实验操作合乎规范，避免安全事故的发生[1]。当前我国化学实验教学过程中存在许多问题，主要表现在：第一，化学实验教学机械化。近几年，课程改革不断深入，人们逐渐认识到化学实验的重要性，各高中学校也在积极购进实验仪器，希望学生能够多动手，提高他们的动手能力和科学探究能力。但是，在学生进行实验的过程中，学生仅仅是按照课本上的实验步骤按部就班地进行操作，并没有进行思考，像这种实验其实不做也罢，实验的目的除了要提高学生的动手能力之外，还要提高其科学探究能力。但这种机械操作而没有任何思考的实验并没有改善当前化学实验的弊病。第二，化学实验教学应试化。在化学高考题中，选择题必有一道是关于实验操作的，在后面的非选择题部分，也必然有一题是关于化学实验的流程题，并且在其他题目中也会杂糅一些实验的问题，算下来实验题占整个化学分值的1/3。鉴于此，教师和学生都高度重视化学实验。但是，不可否认，他们的重视仅仅是停留在试卷上，通过做大量的化学实验题，让学生死记硬背下所谓的套路，而不是让学生真真切切地去做实验，去感受实验的每个过程。

一、虚拟现实技术对化学实验教学的积极意义

虚拟现实技术，是利用计算机技术模拟的虚拟空间，但由于环境逼真，具有视、听、触、嗅等特点，使人有一种身临其境之感。它的原理是把形成三维图形的技术、多传感交互的技术和高分辨率的显示技术结合在一起来创造一个虚拟的环境。虚拟现实技术是一个综合性信息技术的展示和体现，其中包含有数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个分支[2]。在虚拟现实技术中，感知性、浸没感、构想性和交互性是其最主要的特征，参与的人可以使用键盘鼠标，或者带上专有头盔和带数据的手套，或者在眼部佩戴传感器进入到一个虚拟的环境当中，在这个环境里可以直观真实地感受，可以进行随时交叉转换，还可以切身感受到这个环境中设置的各种情景和对象，有时会分不清是现实还是虚拟。因为化学实验的机械化、应试化等弊端，导致高中学生对化学实验没有兴趣，根本没有动力去进行实验操作。但是，把虚拟现实技术应用在化学实验中，可以解决当前化学实验教学中存在的问题，让高中生真实地感受实验的乐趣，激发做实验的兴趣。他们不仅可以直观、形象地理解化学原理，并且能够提高自主动手能力和科学探究能力。

1.促进学生的动手操作能力

虚拟现实技术的应用，一方面可以提供三维立体的空间环境，让学生能真切地感受到，从而促进学生对化学概念进行更深层次的理解；另一方面可以让学生进行技能操作模拟，这种模拟效果和在真实的实验室进行实验的效果相同，但这种实验模拟更安全，优势更明显。

2.促进学生的个性化学习

每个学生都是独立的个体，因此对他们的教学不能一概而论，而应因材施教。虚拟现实技术根据学生的特点可以为学生提供个性化的学习环境。比如对于有的学生实验操作不规范、有的学生实验原理不清楚等问题，虚拟现实技术会通过目标设定、自我监控和自我评价等手段来满足学生的需求，让学生获得自主学习的机会。

3.激发学生的学习兴趣

虚拟现实技术创造的学习环境非常逼真，让学生有在现场的感觉，这样他们在做实验时能够全身心投入。比如可以通过放烟花来揭开焰色反应的神秘面纱，运用虚拟现实技术可以对金属的燃烧进行演示，观看各种金属燃烧时的颜色，让学生体验大自然的美妙，主动进行学习。基于学生的好奇心，他们对这种没见过的高科技存在新鲜感，所以渴望更多的了解它，这也增强了他们的学习动机。同时虚拟现实学习环境可以让他们感受到一对一的交互感，增强他们的学习信心，激发他们学习的兴趣。

二、虚拟现实技术在高中化学实验教学中的实践案例分析

以高中化学必修2里乙酸乙酯的制备实验为例对虚拟现实学习环境进行分析。虚拟现实技术的优势有以下几个方面。

1.安全

在制备乙酸乙酯的实验中，我们需要的实验器材有铁架台、酒精灯、试管等，实验药品有乙醇、乙酸、浓硫酸、饱和的碳酸钠溶液。像酒精灯、浓硫酸本身就是非常危险的物品，如果操作稍有不当将可能造成严重的后果。而虚拟现实技术的应用有效避免了这个问题，可以让学生在安全无毒的环境中进行实验，保证了学生的身心健康。

2.高产

酯化反应是一个可逆反应，如果温度控制不当将会影响乙酸乙酯的产量，甚至有杂质生成。但运用虚拟现实技术创建的环境，可以有效控制实验温度，让它保持在60℃～70℃之间，这样就可以得到更高的产量。

3.环保

运用虚拟现实技术的化学实验不使用真正的试剂，一方面节约了资源，有效减少了乙醇、乙酸、浓硫酸、饱和碳酸钠溶液的使用；另一方面可以避免使用完的试剂随处乱倒而污染了环境。

4.门槛低

工业制氨的实验，需要在高温高压和催化剂的条件下才能进行。我们在实验室是肯定不能进行这个实验的。但是，通过虚拟现实实验室则可以逼真的模拟该实验。并且，对于这种涉及化学平衡转化的实验，通过设置合适的温度和压强，可以使其转化率达到最大，也减少了试剂的浪费。

三、虚拟现实技术支持下高中化学实验教学的开展

在高中化学实验教育教学中引入虚拟现实技术，其中桌面虚拟现实和分布式虚拟现实应该是被利用最为广泛的两个分支[3]。虚拟现实技术支持下高中化学实验教学的开展步骤如下。

1.利用虚拟现实技术，讲清实验原理

在进行实验之前，教师要利用虚拟现实技术把将做实验的实验原理以及注意事项讲解清楚，让学生做到心中有数。在讲解实验原理的过程中，现在高中教师用的课件都是二维平面的简单课件，如果我们将虚拟现实技术加入到化学实验课件当中，将文字、声音、图片、视频有效结合，虚拟现实技术就可以进一步提升原先的课程效果。利用虚拟现实技术开发的化学实验课程可以不受空间和时间的限制[4]，在这个课程中学生可以更真切的接触知识点，理解实验原理，还可以通过自己所学的理论知识对各中模型进行虚拟，并通过观察讨论这个模型将会产生什么。

2.在虚拟现实技术构造的虚拟化学实验室里进行实验

在学生了解实验原理以及实验操作步骤以后，在虚拟实验室里进行实验，一边进行实验操作，一边做好记录，这样可以有效提升实验效果。当前，我国高中的大部分化学实验室都有专门的房间，里面的化学试剂也是经过专门定制或购买的，学生要进行一次化学实验课的时候还要提前做好准备。在学生进行实验时，如果因为操作不合理还会有危险，所以一些有危险的化学实验大多数学校不会安排学生实际操作。但是如果通过虚拟现实技术建立一个虚拟的化学实验室，这些问题就会迎刃而解。第一，教师不用特意的安排实验课，在化学理论课的教学过程中遇到化学实验的环节就可以随时让学生进行实验操作，节约了时间。第二，不用担心设备不能用，不用担心轮不到每个学生动手操作，每个人都可以参与其中，而且很真实地观察实验结果，还可以通过自己的思考来验证不同的实验，增强了实验的体验感。第三，在虚拟实验室中完全不用担心安全问题。比如在介绍碱金属这一主族元素的性质时，从上到下元素的金属性逐渐增强，到金属钠时与水反应已经很剧烈，钾与水反应可能就存在安全隐患，而在虚拟实验室中，可以将几种金属与水反应的现象进行比较，找出差别，有助于学生对知识的深刻理解。

3.运用虚拟现实技术进行实验总结，得出结论

实验结束以后，要根据实验现象思考，为什么会出现这个现象反应最终生成物是什么等等，然后得出正确的结论。比如，在Fe2+与OH-反应时，实验现象依次为生成白色沉淀，之后沉淀变为灰绿色，最后又变为红褐色。在进行实验的过程中，将每一个颜色变化的现象都记录清楚，然后通过思考，分析实验现象变化的原因。由于Fe2+具有还原性，生成的Fe（OH）2容易被空气中的氧气氧化，生成Fe（OH）3。通过仔细分析实验现象，最终得出正确的结论。而虚拟现实技术建立的实验室还有一个好处，就是在实验时没有观察清楚的实验现象，可以反复观看，这样有助于学生进行积极地探索。

四、虚拟现实技术在化学实验应用中面临的问题

1.技术问题

虚拟现实技术在化学实验的应用中要创建一个逼真的化学实验室，它主要依靠的是虚拟现实系统。但是该系统目前还存在一些没有解决的问题：头戴式显示设备的更新速率太慢，容易造成视觉停留，影响学生的体验[5]；硬件设备体积和重量大，但是观看的视野范围却比较窄，不能进行长时间佩戴；设备的数据传输目前还是靠长长的数据线来实现，造成学生行动困难；显示器完全封闭，导致学生无法看到现实中的情形，做笔记也很难。

2.环境设计问题

虚拟现实学习环境的设计，需要包括以下三个方面：第一，实验内容的推送。虚拟现实学习环境和真实的课堂有明显区别。在现实的课堂教学中，教师可以根据学生的掌握情况以及反馈情况对自己的教学内容进行及时调整，但是，在虚拟现实学习环境中则不能进行灵活调整，教学内容、难易程度的顺序等都是需要提前考虑的[6]。第二，实验场景的呈现。不同的实验所涉及的理论基础也是不相同的，所以对于不同的实验必须设计符合实验原理的场景。比如，因为有机物和无机物有本质的区别，所以做有机实验和做无机实验就不能共同使用一个实验室，必须设计符合实验需求的场景。第三，新旧衔接问题。在传统的化学实验教学中，可能教师想节约时间，也可能担心学生把器材损毁或者怕发生安全事故，每次做实验时基本上都是教师自己进行操作，而学生只有观看的份。这是典型的以教师为中心的教学模式。但是，在虚拟现实技术创建的实验室中，动手操作的主体变成了学生，而老师只是进行简单的指导，这种教学模式就是以学生为中心。两种教学模式如何能够有效衔接，将二者进行有效转换还需要进行探索。应用虚拟技术构建的场景的确能够吸引学生的注意力，提高他们做实验的兴趣，但是这种场景的模拟必须适当，切不可为激发他们的兴趣而放弃对他们进行知识的指导。需要将传统的教学模式融入到虚拟现实学习环境中，寓教于乐，两者兼顾，快乐地学习。总而言之，将虚拟现实技术运用在化学实验上是时代发展的必然趋势，但是要充分发挥虚拟现实技术在化学实验中的优势同时规避其负面影响。只有这样，在虚拟现实技术的支持下，高中化学实验才会迸发出勃勃生机。通过不断的创新和探索，学生们不仅可以在愉快的氛围中学习化学理论知识，还可以提高他们的动手和实践能力，培养他们的科学探究素养，成为全方面发展的综合性人才。

参考文献

[1]曲晓萍，钟喜魁.高中化学课程数字化资源的开发与利用[J].课程教材教法，2016（09）.

[2]胡久华，罗滨，陈颖.指向深度学习的化学教学实践改进[J].课程教材教法，2017（03）.

[3]李志华.学生学习成就感缺乏的原因分析及对策以高中化学教学为例化[J].上海教育科研，2017（11）.

[4]胡久华，吴婧，尹兆兰.中学教学案例分析框架的构建及其应用以中学化学教学案例的分析为例[J].教育科学研究，2016（09）.

[5]李鹏鸽，龚文慧，秦蕊，等.模型认知素养及其在化学概念教学中的落实[J].教学与管理，2018（04）.

[6]胡红杏.我国化学基本观念研究:理论建构与实践策略[J].当代教育与文化，2017（06）

作者:李中强单位:重庆市南川区第三中学校

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