虛擬現(xiàn)實技術(shù)在化學(xué)實驗教學(xué)的應(yīng)用

1、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在化學(xué)實驗教學(xué)的應(yīng)用運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中開展教學(xué)工作，不但有助于優(yōu)化當(dāng)前的化學(xué)課堂，使課堂的教學(xué)容量得到極大擴(kuò)展，而且還可以模擬現(xiàn)實生活中的真實場景，將所要教學(xué)的內(nèi)容以更直觀、形象的方式呈現(xiàn)。尤其是對實驗這一部分內(nèi)容的教學(xué)與實踐，有利于凸顯重點、突破固有難點，而且還可以可視化某些抽象性知識，同時提升學(xué)生對化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，降低實驗風(fēng)險，樹立學(xué)生的綠色發(fā)展意識，而且突破各種限制，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果等，從而更好地促進(jìn)教學(xué)。：虛擬現(xiàn)實技術(shù); 化學(xué)實驗教學(xué); 應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(VirtualReality ，簡稱VR) ，它于1989 年由美國學(xué)者加隆雷尼爾(JaronLanier)

2、提出。這一技術(shù)是利用計算機(jī)的多媒體信息處理系統(tǒng)模擬真實的三維空間而創(chuàng)建出的虛擬世界，描述現(xiàn)實世界的各種物質(zhì)和事物演變的動態(tài)過程。隨著多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)前學(xué)生學(xué)習(xí)的方式多樣， 不再局限于課堂學(xué)習(xí)，學(xué)生可在課后選擇自主學(xué)習(xí)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引進(jìn)為其創(chuàng)造了機(jī)會。在虛擬情境中，學(xué)生能夠以各種方式與虛擬對象產(chǎn)生交互并在短期內(nèi)獲得反饋結(jié)果，從而感知到預(yù)期的各種信息并從中獲得科學(xué)知識和技能，這樣就從傳統(tǒng)的以教促學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)促學(xué)的方式。在化學(xué)實驗部分中相當(dāng)一部分知識是不可觀察或不容易觀察的，例如核外電子的運動狀態(tài)、化學(xué)平衡中反應(yīng)達(dá)到平衡時反應(yīng)物和生成物的狀態(tài)等。另外一部分試劑和實驗都有較大的危險性，

3、例如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，用氫氣還原氧化鐵和氧化銅，鈉與水反應(yīng)等。鑒于化學(xué)這一學(xué)科的上述特點，這才使得作為處于前沿的虛擬現(xiàn)實技術(shù)走進(jìn)中學(xué)化學(xué)，尤其是與實驗教學(xué)部分結(jié)合有了充分必要性和實踐性。但具體的呈現(xiàn)形式或者操作方式怎么選擇，就必須要充分考慮這一技術(shù)的特殊性, 以最恰當(dāng)?shù)姆绞絹沓尸F(xiàn)使效果最大化。一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在化學(xué)實驗教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢1. 提高學(xué)生對化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，豐富學(xué)生的體驗。在傳統(tǒng)課堂中，學(xué)生獲取知識的通常途徑是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生通過親身經(jīng)歷一些化學(xué)實驗來實現(xiàn)某部分知識和技能的獲取。然而現(xiàn)實中很少實現(xiàn)，取而代之的是通過教師對知識的講解，教授并反復(fù)對學(xué)生強(qiáng)調(diào)什么是重點、什么是難點，什么是考點和

4、易錯點，機(jī)械重復(fù)地加強(qiáng)記憶。教師在課堂上講解完各種知識以及注意點之后，再輔之以相對應(yīng)的化學(xué)實驗演示或和題目來驗證或者強(qiáng)化之前所教的知識。其實這些陳述性的教授方式僅僅告訴了學(xué)生是什么，而并沒有告訴他們?yōu)槭裁词沁@樣、又該如何將這些死知識遷移到生活中的活問題中去，其實這不過是教學(xué)任務(wù)中的一部分而已，并不是知識的全部，也不是學(xué)生要掌握的唯一目標(biāo)。這一慣常的化學(xué)課堂，看起來似乎非常合理，其教學(xué)效率以及學(xué)生的效能感也都很高，然而卻抑制了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)新能力的發(fā)第 16 頁展。在教學(xué)過程中引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，不僅避免了過分重視教師的作用而忽略學(xué)生參與的重要性，還提高了學(xué)生對化學(xué) 的興趣及其體驗感。2.

5、可以有效地規(guī)避各種實驗風(fēng)險。化學(xué)實驗室是學(xué)生學(xué)習(xí)知 識和掌握技能的重要平臺之一。實驗室儲存的試劑大多具有 危險性，產(chǎn)生的物質(zhì)也在一定程度上對師生的健康有影響。例如鉀，其化學(xué)反應(yīng)活性非常高，可與各種常見物質(zhì)發(fā)生反 應(yīng)：遇空氣可自燃甚至爆炸，遇水、二氧化碳可猛烈反應(yīng)； 與鹵素、多種氧化物以及酸等都能劇烈反應(yīng)等。這種類似的 反應(yīng)對學(xué)生具有較大的潛在危害。近幾年來，因?qū)嶒炘斐傻?各種傷亡事故也層出不窮，數(shù)字一直在不斷更新中。經(jīng)驗豐 富的天之驕子在做化學(xué)實驗時尚且發(fā)生如此多不幸的事，更 何況是初入門的中學(xué)生？那么作為未來教師的我們，又當(dāng)如 何在實際的教學(xué)過程中讓學(xué)生不僅能學(xué)到知識，還能避免某些危險性較大

6、的實驗?zāi)?？將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和化學(xué)實驗部分 的教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，可以有效地減少各種真實實驗帶來的潛在危險。3. 節(jié)約資源，利于樹立學(xué)生的綠色發(fā)展意識。十八大以來， 我們一直在弘揚生態(tài)文明建設(shè)，在這一過程中，我們充分認(rèn) 識到保護(hù)環(huán)境的重要性和當(dāng)前形勢的緊迫。當(dāng)然我們這里所 提的良好的生態(tài)環(huán)境基本上都是針對社會大環(huán)境而言，相對 于工業(yè)污染，實驗室的污染小到可以忽略不計，但是我們都明白，工業(yè)化學(xué)源于實驗室化學(xué)，要想從根本上解決環(huán)境污染問題，實驗室同樣扮演著不可或缺的角色。就當(dāng)下的情況而言，我們將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入化學(xué)實驗中，讓師生用虛擬實驗代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗，不但節(jié)約了實驗試劑，而且低碳環(huán)保，還避免了產(chǎn)生的有

7、毒有害物質(zhì)給身體帶來損傷，真正實現(xiàn)了零污染。同時在實驗的過程中也培養(yǎng)了學(xué)生的資源節(jié)約意識，這與當(dāng)今時代倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展也是相符合的。教育要從娃娃抓起，我們的環(huán)保理念也得從小培養(yǎng)，從身邊力所能及的事開始做起！4. 將概念性的學(xué)習(xí)內(nèi)容形象化。化學(xué)中有些實驗的反應(yīng)較為緩慢、耗時很長，并且現(xiàn)象微不可見，或者課堂實驗難以呈現(xiàn)某些化工流程或新的科技成果。如分子結(jié)構(gòu)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中必不可少的一部分，對于學(xué)生認(rèn)識分子的結(jié)構(gòu)，從而了解分子的化學(xué)式、化學(xué)反應(yīng)方程式等有著及其重要的作用。目前的教學(xué)中，教師一般采用口述或圖片的方式給學(xué)生呈現(xiàn)，使得學(xué)生的認(rèn)識僅僅停留在二維空間，沒有對現(xiàn)實事物的深刻理解。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)

8、，可以動態(tài)展示3D 分子結(jié)構(gòu)模型，并且任意旋轉(zhuǎn)分子模型，將宏觀現(xiàn)象與微觀現(xiàn)象相聯(lián)系， 將書中的內(nèi)容形象化。同樣， 核外電子的運動狀態(tài)中，電子的運動是看不見、摸不著但卻是客觀存在的，我們可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)將其運動的軌跡可視化。這些多元化的教學(xué)手段的融入產(chǎn)生了可觀察的效果，能夠大大加強(qiáng)學(xué)生對抽象概念和不可見現(xiàn)象的感知。5. 突破多種限制，學(xué)生可隨時學(xué)習(xí)。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可為 化學(xué)實驗教學(xué)提供多種便利，尤其是可以突破時間、空間限 制，學(xué)生只需要擁有移動設(shè)備和相關(guān)權(quán)限，在網(wǎng)諾接入的情 況下便可直接運用該技術(shù)進(jìn)行實驗操作，這為學(xué)生的自主學(xué) 習(xí)提供了良好的、嶄新的學(xué)習(xí)環(huán)境，真正實現(xiàn)了無邊界和個 性化的學(xué)

9、習(xí)，使教學(xué)活動、教學(xué)手段以及各種優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源 不再受到限制，這也為近年來學(xué)者們倡導(dǎo)的教育公平，縮小 城鄉(xiāng)教育差距提供了平臺，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的教育教學(xué)資源惠及每個學(xué)子，尤其是教育相對落后的廣大貧困農(nóng)村地區(qū)的孩子 們。6. 提高實驗效率，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來開展 化學(xué)課程的教學(xué)工作，特別是針對化學(xué)實驗部分，省去了實 驗前實驗裝置、試劑等的準(zhǔn)備，節(jié)省了較多時間，這也就在 無形中增加了學(xué)生實際操作的時間，進(jìn)一步影響實驗的效 果。同時，由于受主、客觀條件的制約，傳統(tǒng)的實驗方式很 難也幾乎沒有進(jìn)行多次重復(fù)實驗的機(jī)會，這在客觀上不利于 知識的長時間存儲和掌握。結(jié)合該技術(shù)，學(xué)生可以針對自己 的不足進(jìn)行多

10、次試驗，進(jìn)而取得更好的實驗效果。二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在化學(xué)應(yīng)用中的不足及改善措施 盡管虛擬現(xiàn)實技術(shù)有著得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展 前景，但是它也有自身的缺陷：首先從理論方面來看，盡管很多的學(xué)者和教師看到了它的潛力，但卻并未引起足夠的重視，這也使得作為支撐的理論依據(jù)不足；其次從技術(shù)層面來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)需要足夠的高性價比設(shè)備作為基礎(chǔ)支撐， 從而為化學(xué)教育乃至整個教育系統(tǒng)服務(wù)。虛擬現(xiàn)實以其人機(jī) 交互的沉浸感為大家所接受，然而目前人與計算機(jī)的交互方 式大多通過鼠標(biāo)和鍵盤，這種局限性也在一定程度上限制了該技術(shù)的推廣。在實際操作過程中，要盡量避免以下傾向：1. 將虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用過于權(quán)威化。虛擬現(xiàn)實技

11、術(shù)是利用 計算機(jī)圖形技術(shù)來獲得體驗感，與真實感有很大的差距，因 而長時間僅依靠虛擬操作來開展教學(xué)，會使得學(xué)生的真實體 驗感很弱。同時由于只是虛擬操作，和學(xué)生動手實踐操作比 較而言，學(xué)生的實際動手操作能力和創(chuàng)新能力都無法得到更 好發(fā)展，并且還會給學(xué)生造成認(rèn)識上的一些偏差，甚至?xí)?現(xiàn)一些嚴(yán)重錯誤，對真實的情景也不會有很好的體驗。虛擬 現(xiàn)實技術(shù)僅能呈現(xiàn)反應(yīng)過程，給學(xué)生以視覺沖擊，卻不能模 擬出氣味和熱量等的變化，使學(xué)生的認(rèn)識片面化。要避免兩 個絕對化傾向：不能完全以虛擬實驗取代真實實驗；不能完 全遵循傳統(tǒng)方式而擯棄這一技術(shù)。根據(jù)學(xué)生的情況和需要以 及所學(xué)內(nèi)容的特點，進(jìn)一步確定是否使用該技術(shù)和如何使

12、用 該技術(shù)等一系列問題，只有這樣才能使虛擬現(xiàn)實技術(shù)真正服 務(wù)于教育教學(xué)。2. 忽視教師的主導(dǎo)作用。我們都知道，教師和學(xué)生是整個教學(xué)的主體力量，而作為技術(shù)支撐的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中只是作為教師教學(xué)的輔助工具、重要載體之一，是為了取得更好的課堂教學(xué)效果服務(wù)的。一節(jié)課是好是壞，學(xué)生是否從中學(xué)到知識、掌握某些技能，或是情感、態(tài)度和價值觀能否有所改變，這才是提高課堂效率和教學(xué)效果的根本所在。要充分認(rèn)識到教學(xué)效果的優(yōu)劣取決于教師和學(xué)生主觀能動性的發(fā)揮，與此同時還要加強(qiáng)對先進(jìn)的教育教學(xué)理念的學(xué)習(xí)、研究與運用，同時運用各種現(xiàn)代高科技手段配合教育教學(xué)。三、虛擬實驗室的建設(shè)（以西北大學(xué)化學(xué)虛擬仿真實驗中心為例）2

13、019 年， 西北大學(xué)成立了化學(xué)虛擬仿真實驗中心。實驗中心將一些抽象的知識用虛擬仿真的方式得以展現(xiàn)，包括分子構(gòu)型的優(yōu)化，分子偶距計算等。此外還建立了化學(xué)3D 打印與創(chuàng)客實驗室，教學(xué)模型、分子和晶體結(jié)構(gòu)等都已成功打印，并且引起了師生極大的興趣。該中心以學(xué)科平臺為支撐，構(gòu)建了化學(xué)實驗基礎(chǔ)知識與基本操作的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠完成化學(xué)教學(xué)實驗的音頻、視頻信號的傳輸，教師可以將上課的內(nèi)容予以實時記錄，保存教學(xué)資料，支持實驗課堂的信息化教學(xué)，視頻會議、現(xiàn)場直播、多班共同討論、遠(yuǎn)程教學(xué)、在線觀摩、網(wǎng)絡(luò)瀏覽并回訪、數(shù)據(jù)庫平臺架構(gòu)等日常教學(xué)和管理活動。對于全面系統(tǒng)的基礎(chǔ)化學(xué)實驗，廣泛用于基礎(chǔ)化學(xué)實驗的預(yù)習(xí)、實

14、驗規(guī)范以及安全教育方面，旨在豐富學(xué)生的研究方法并提升思維能力。采用flash 技術(shù)構(gòu)建，無須事先安裝該軟件，內(nèi)容涵蓋了從儀器介紹到實驗裝置展示、從實驗基本操作和相關(guān)知識到定性檢驗與鑒定、從元素周期表跨至化合物的制備與提純虛擬實驗等，不僅可給學(xué)生講解實驗基本知識和基本操作，讓學(xué)生自由操作，并模擬全部實驗過程、記錄實驗數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、評價等，實現(xiàn)了實驗的完全自主學(xué)習(xí)。仿真實驗中心涵蓋了無機(jī)、有機(jī)、物理化學(xué)和滴定分析和元素及其化合物的性質(zhì)等多個虛擬實驗室，如物理化學(xué)虛擬實驗室內(nèi)容包括測定燃燒熱、氣體- 液體平衡相圖，測定原電池的電動勢等。從上述可知，西北大學(xué)的不同側(cè)重點的虛擬實驗室已經(jīng)覆蓋了化學(xué)學(xué)習(xí)階段的大部分實驗，如若能將該虛擬仿真實驗中心復(fù)制到各級學(xué)校中，對于新一輪教學(xué)改革啟動有較大意義。四、前景展望無論是以育人為目標(biāo)的學(xué)校還是追求利潤的企業(yè)，都在響應(yīng)虛擬現(xiàn)實的大潮，并且切實投入到這個領(lǐng)域中來。但是對于在教育學(xué)中的應(yīng)用，我們還需要更加冷靜的思考，如何應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來促進(jìn)教學(xué)以及應(yīng)用該技術(shù)的相關(guān)操作規(guī)范。盡管虛擬現(xiàn)實技術(shù)有著無可替代的作用，但不可否認(rèn)，價格高昂等多方面的原因也阻擋了虛擬實驗室的搭建，要想讓這項技術(shù)惠及更多學(xué)子，未來還需要各位技術(shù)和科研