面向中學實驗的虛擬現實技術

劉之帆+閻煒

摘要：虛擬現實技術應用于中學實驗課堂具有一定的先進性和優越性。本文介紹了虛擬現實技術特點，并從實驗的安全、效率、成本等方面闡述了虛擬現實技術在中學實驗中的應用。

Abstract： The application of virtual reality technology （VR） in the experiment classroom of middle school has advantage and superiority. In this paper， the characteristics of VR are introduced， and the applications of VR in the experiment classroom of middle school are expounded from the aspects of experiment safety， efficiency and cost.

關鍵詞：虛擬現實；中學實驗；應用

Key words： virtual reality；the experiment of middle school；application

中圖分類號：G424.31 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）33-0197-02

0 引言

實驗教學在中學學習中占有舉足輕重的重要性。親手操作實驗，觀看實驗現象，有助于學生們對知識的理解與記憶，激發他們對自然科學的興趣，逐步引導他們學習并掌握科學研究的方法和養成良好的學習習慣。盡管我國對基礎教育投入不斷增強，但中學實驗的開展還面臨諸多問題，如在我國中學通常實行班級授課，每班幾十人，很難保證每一個學生正確的進行實驗操作，達到預期的教學效果[1]；有些實驗具有一定的危險性，如制備Cl2、SO2等有毒性氣體等；有些實驗操作較為復雜，學生們很難完全理解，而重復操作又耗時等。這些條件限制了實驗課程在中學教學中所應發揮的重要作用。

虛擬現實（Virtual Reality），簡稱VR技術，是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供用戶關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶如同身臨其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三維空間內的事物。用戶進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的三維世界視頻傳回產生臨場感。該技術集成了計算機圖形、計算機仿真、人工智能、感應、顯示及網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統，所以人可以在這個虛擬世界做任何想做的事情。因此，將VR技術引入中學實驗教學中具有重要的積極的意義。

1 VR技術的特點

1.1 沉浸感

通俗的講就是當配帶上VR眼鏡時，你看到的是一個和真實世界場景完全相同的模擬世界，僅從感官上無法區分虛擬和現實。這個特點避免了播放演示視頻時的枯燥無味。

1.2 交互性

所謂交互性就是人在完全逼真的虛擬世界里，可以在場景里做一些和現實中一樣的動作。人和VR場景可以實時互動。比如你可以拿起VR場景里桌子水壺將水倒入杯中。此項技術允許人們在虛擬世界里進行“真實”的操作[2]。

2 VR技術在中學實驗中的應用

2.1 實驗過程的安全和綠色

有些化學實驗具備一定的危險性，如制備出的Cl2、SO2等，兩者均是具有刺激性氣味的有毒氣體；Na與水反應會生成 “火球”等。如果采用現實方法來進行操作，對于初學者來說有可能因操作不當而造成危害；但如進行演示實驗又無法讓學生們體會到做實驗的樂趣與實驗成功的喜悅之情。因此，采用VR技術便可做到“一舉兩得”甚至“一舉多得”。很多高危險性實驗均可以通過VR來操作，提高實驗的安全性。且實驗操作不受時間、地點的限制，可以做到“隨心所欲”。

2.2 對于耗時較長、步驟繁瑣的實驗，學生可以通過VR短時間來操作完成

加熱是中學實驗中許多反應的必須條件，如還原糖的測定、銀鏡反應等。若直接采用酒精燈加熱，則耗時較長。還比如生物中的孟德爾的遺傳定律，用果蠅做實驗往往要好幾個月的時間。而VR可以在短時間內（一堂課）完成，節省了教學時間，提高了教學效率。

對實驗步驟的理解是理解實驗的第一步，理解了實驗步驟有助于對實驗原理、現象的理解。但有些實驗操作繁瑣，步驟過多，實驗中加入的試劑較多，且藥劑的加入有特定的順序。如葉綠素的提取實驗、DNA的粗提取與鑒定等。僅僅依靠上課的一次操作難以完全理解。而VR技術特有的交互性便可幫助同學們在虛擬的世界里做“真實”的操作，且不限次數，直到學生們完全理解與掌握為止。

2.3 VR實驗不需要實驗原料，從而可以降低實驗成本

有些實驗需要比較貴重的實驗器材，且貴重實驗器材對放置環境具有一定的要求，很多學校難以進行配備，只得進行演示實驗或播放錄像，削弱了學生們的積極性。若采用VR技術進行實驗的操作和理解，其優點之一是無需準備實驗器材和實驗原料，只需開發出相應的軟件即可，不僅節省了學校的空間，而且降低了實驗教學的成本。

2.4 VR技術可以讓學生們更好地認識微觀世界

微觀結構決定宏觀性質。目前中學接觸微觀世界的主要途徑是顯微鏡，其對微觀結構的放大倍數有限。VR技術可以將宏觀實物深入到原子水平，加深學生們對宏觀實物的理解，并具有“身臨其境”的效果。如DNA的雙螺旋結構、晶體的內部結構和原子排列方式等等。VR技術極大地擴充了學生們對微觀世界的理解，有利于激發學生們的學習興趣。且VR模擬實驗加入原理解析可以讓學生更好地理解實驗現象。

2.5 VR實驗可以更好的讓學生掌握實驗流程

有些實驗現象較為復雜，不僅動手部分、注意事項較多，且需要觀察的現象也較多，這便限制了實驗在課堂教學中的作用。如觀察細胞的有絲分裂，前期準備步驟多，制片較困難。VR可以在不浪費實驗原料的基礎上，任由學生重復，從而在不斷的反復操作中深刻理解實驗流程并記憶實驗現象，促進學生們的學習。

3 結語

隨著現代科學技術的不斷發展，科學技術走進課堂，服務教學已經成為一種趨勢。從以前的觀看演示實驗視頻，到最近的虛擬現實，無疑說明了科學技術對課堂學習的一種促進作用。而這種促進作用在實驗課程中體現的尤為重要。它不僅能夠解決做實驗難，實驗成功率低，實驗地點受限等難點，而且也極大地提高了學生們對做實驗的積極性，讓學生們喜歡做實驗，甚至愛上做實驗，并能夠從實驗中體會學習的樂趣所在。相信在不久的將來，虛擬實驗技術定會進入實驗課堂，從而發揮其方便老師教學，開拓學生視野的優勢。

參考文獻：

[1]梁宇濤.虛擬現實技術及其在實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2016（3）：81-85.

[2]高洪波.中國虛擬現實（VR）產業發展現狀、問題與趨勢[J]. 現代傳播，2017（2）：8-12.

[3]陳應清.用信息化手段整合中學實驗教學模式[J].中國教育技術裝備，2012（35）.endprint