虛擬實驗在中學化學實驗教學中的應用

楊濤

摘 要 化學實驗是化學教學中的重點部分。隨著計算機技術的快速發展，虛擬實驗逐漸被融入教學環境中，成為廣受學生和教師歡迎的新型教育技術手段。對虛擬實驗在中學化學實驗教學中的應用進行相關探究。

關鍵詞 虛擬實驗；中學化學；實驗教學

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）13-0166-02

隨著計算機技術的快速發展，虛擬實驗逐漸被融入教學環境中，成為廣受學生和教師歡迎的新型教育技術手段。虛擬實驗就是通過對現實技術的虛擬來達到虛擬現實的目的。在虛擬實驗過程中，實驗者利用虛擬軟件對現實環境中的真實實驗進行虛擬操作，實現實驗操作目的。由于化學實驗的特殊性，在中學化學實驗課的教學中很大程度上存在缺乏實驗設備、實驗儀器、實驗材料以及存在化學實驗安全隱患等情況，嚴重影響中學化學實驗課教學質量[1]。如今將虛擬實驗系統引入中學課程教學已經成為中學實驗教學的一個發展趨勢，更好地實現中學教學中探究性實驗教學。

1 虛擬實驗在中學教學中的作用

虛擬實驗的核心是計算機技術的應用，是通過計算機圖形、圖像技術、虛擬現實技術以及仿真技術的有效結合，實現一種較為逼真的實驗環境，然后實驗操作者在這個虛擬的實驗環境中通過一些必要的實驗設備對虛擬出現的物體進行實驗操作，以及收獲實驗體驗。學生可以通過虛擬實驗體會到現實生活中體驗不到的情境，尤其是對于一些實驗條件不足或者是實驗環境不完善的教學提供了極大的幫助。虛擬實驗在如今中學教學中有著非常重要和特殊的地位。

2 虛擬實驗在中學化學實驗教學中的應用

中學化學虛擬實驗的設計原理 對虛擬實驗的設計要有一定的依據，需要結合學生整體上對事物的認知水平，不僅要有針對教師的很好的教學功能，還要有針對學生的很強的學習功能。虛擬實驗在設計過程中需要依據以下原則。

1）虛擬實驗的簡約性原則。一般來說，雖然虛擬的實驗環境要求與真實的環境保持一致性，但并不是說對真實實驗環境進行簡單的復制。虛擬實驗的設計對那些不必要的成分要盡可能簡化，只保留核心部分就可以了，以便很好地突出實驗主題[2]。

2）虛擬實驗的交互性原則。虛擬實驗的交互性是虛擬實驗的一個重要特點。虛擬實驗操作者通過和實驗對象之間的交互來實現獲取反饋出來的實驗信息，進而完成整個實驗學習，所以虛擬實驗的交互性在虛擬實驗過程中很重要。

3）虛擬實驗的一致性原則。保持虛擬實驗的一致性是虛擬實驗的一個基本要求，虛擬實驗對象設計的基本特征要和真實環境中的對象保持一致性，同時也要和學習者的認知水平和認知規律保持一致。

4）虛擬實驗的趣味性原則。化學實驗之所以能夠引起學生的注意和興趣，是因為化學實驗中出現的有趣的化學反應過程。因此，虛擬實驗中的化學實驗要想同樣引起學生的注意，就需要在虛擬實驗的功能和虛擬實驗的外觀上增加些趣味性，以便很好地激發學生興趣。

中學化學虛擬實驗的定位 虛擬實驗在實現中心化學實驗的過程中，首先要對虛擬實驗進行整體對位。結合中學化學教學的基本要求，對虛擬實驗的環境進行構建，然后操作者就可以通過一些化學實驗儀器和化學實驗藥品的運用來完成實驗，這樣操作者就會獲取和現實情境中幾乎一樣的體驗。另外，虛擬實驗不是只可以局限在課堂上，學生也可以結合自己的學習情況，利用課下時間隨時完成實驗。虛擬實驗一般具有以下特點。

1）虛擬實驗系統一般都是以EXE文件存在的，實驗系統中有一些預設的交互性功能，把虛擬實驗與計算機網絡進行連接時，就可以把虛擬實驗中的交互性鏈接與網絡進行連接，這樣學生就可以在網絡上對虛擬實驗進行交流[3]。

2）桌面式虛擬實驗系統是一種初級模擬狀態，也是虛擬實驗的一種主要系統模式。桌面式虛擬實驗系統也可以稱為非沉浸式虛擬現實系統，主要是通過三維模型軟件來虛擬實驗環境的，它的操作原理就是通過計算機對現實環境進行仿真，然后顯示出虛擬的三維實驗環境，虛擬的三維環境在計算機的顯示屏上顯示出實驗畫面后，學習者就可以通過對鼠標的操作來實現虛擬環境與真實環境中各個角色和各個物體的交互，進而完成化學虛擬實驗的整個實驗操作過程。

另外，由于桌面式虛擬實驗系統對技術的要求不高，而且成本也低，所以可以在中學教學中廣泛使用。桌面式虛擬實驗系統主要是通過三維模型軟件來虛擬實驗環境的，虛擬的三維環境在計算機的顯示屏上顯示出實驗畫面后，操作者就可以通過鼠標來操作實驗。

3）為了讓虛擬實驗的環境看起來更具體真實，虛擬實驗的虛擬環境的物理特征和虛擬模型的物理特征要和真實環境盡可能接近。另外，為了讓虛擬實驗不影響計算機的運行速度，要對虛擬實驗的虛擬模型進行一定的優化操作，控制虛擬模型的面數和虛擬模型的數量，以便達到對計算機軟件和計算機硬件的要求。

中學化學虛擬實驗的設計目標 中學化學實驗的主要教學目標就是幫助學生進一步掌握化學的研究方法和研究技能，學生可以通過對實驗過程的觀察來更深一步掌握化學知識，而且也通過實驗的操作提高學生的動手能力。所以，中學化學虛擬實驗就是結合化學實驗課程的基本要求，幫助化學實驗教學促進學生提高對化學知識的掌握和學習的各方面動手能力。中學虛擬實驗的設計目標有以下體現。

1）學生通過化學虛擬實驗的學習對化學實驗的實驗目的、實驗方法以及實驗原理有所了解，從概念上對化學實驗中新物質的制取原理和方法有更深一步的認識。

2）學生通過化學虛擬實驗的學習和實踐操作可以對化學實驗中實驗儀器的鏈接方法和實驗藥品有所掌握。

3）學生通過對化學虛擬實驗實驗過程的觀察和分析，對化學知識有了進一步的掌握。

4）學生通過對化學虛擬實驗操作的反復練習可以提高自己分析問題和解決問題的能力，同時也提高了動手能力。

5）學生通過對化學虛擬實驗中各種具有交互性功能的實驗環境的體驗，提高研究能力。

中學化學虛擬實驗的設計過程 中學化學實驗中虛擬實驗的設計和建立是結合學生的認知水平和化學實驗教學的要求來完成的，既要彌補化學實驗教學中存在的不足，又要考慮到學生階段性的學習特點。虛擬實驗在構建的時候包括虛擬實驗內部的設置、模型的具體放置以及模型之間的交互性功能。

3 結語

虛擬實驗自身有著很明顯的可操作性和實用性，虛擬實驗結合中學化學實驗教學，解決了化學實驗課程中的各種不良因素。尤其是很多化學實驗都存在很大的危險性，不能在實際實驗室開展實驗，但通過虛擬實驗就輕松解決了這個問題。教育部門要加強對教學技術方面的培訓，提高教師的多媒體教學能力，以便虛擬實驗在中學實驗教學中得到廣泛使用。

參考文獻

[1]盧雨正，王峰，王山林.虛擬實驗交互設計研究[J].包裝工程，2012（3）.

[2]張偉黨，唐國鋼.虛擬化學實驗室的應用[J].廣州化工，2011（6）.

[3]張學軍，李剛.基于Flash的虛擬實驗操作交互設計研究[J].中國遠程教育，2011（9）.endprint