虛擬技術在中學化學教學中的應用現狀和前景分析

摘要：隨著信息計算機技術的迅速發展，虛擬現實技術也在不斷進步和發展中并廣泛應用到各個領域中。虛擬實驗也應用到中學教學環境中，成為深受教師和學生歡迎的新型教育手段。本文對虛擬技術進行了介紹，并對虛擬實驗技術在中學化學實驗教學中的實際應用和意義進行了相關研究。

關鍵詞：虛擬實驗；中學化學；實驗教學

一、 高中化學實驗教學現狀

化學是一門以實驗為基礎的自然學科，中學階段的化學課程以科學探究為主要教學方式。目前，中學化學實驗教學遇到的問題主要有：

（1）由于難操作、危險、實驗周期長、實驗結果不明顯等問題，在實際教學中有些實驗無法讓學生進行實際操作。

（2）由于受到中學升學考試壓力、實際教學課時的制約，以及對實驗教學的重視度不夠，造成對學生實驗操作技能的培養不夠。

（3）有的教師缺乏教學技能的更新，在教學模式的選擇上比較單一，對實驗的教學主要以講授法進行。不能激發學生的學習興趣和學習主動性，使實驗教學效果大打折扣。

（4）有些偏遠地區的實驗室設備陳舊且數量不足，可操作的實驗數量和規模有限。

二、 什么是虛擬技術

虛擬現實技術（VR：Virtual Reality）是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它是利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真使用戶沉浸到該環境中。也就是說，我們用計算機技術模擬一個虛擬的世界，再借助外部的設備與虛擬世界的互動，讓人感覺就像在真實世界一樣。現在，虛擬技術的應用主要有：

VR+教育：K12教育、VR教學實訓軟件、大型企業的內部培訓。

VR+制造業：汽車、飛機、動車、機械等的輔助設計。

VR+醫療：虛擬手術訓練、遠程會診、手術規劃及導航、遠程協作手術。

VR+房地產：樣板房體驗等。

“VR+”將會是一個“互聯網+”，VR幾乎是無所不能，那么在教育領域，虛擬現實技術同樣具有廣泛的作用和影響。

三、 虛擬技術在化學實驗教學中的優勢

在虛擬教學模式中，學生在虛擬場景中進行探究實驗，相當于是自主學習，并且學習的過程不受時空限制，學習過程是由學生在自主參與過程中通過意義建構產生的，教師在整個過程中承擔的作用只是引導者、學生意義構建過程中的幫助者和刺激者。在此教學過程中，傳統教學模式的固有順序被打破，產生了“基于VR的課堂教學模式”，如圖1所示。

圖1基于VR的課堂教學模式

在基于VR的課堂教學模式中，教學過程和學習環境都是非線性的，學習者可以在VR系統中隨時隨地、沒有先后順序的獲取知識，教師也同樣如此。教師在VR教學系統中的教學呈現也不止微課、慕課這樣的簡單二維呈現，還可以進行虛擬教學呈現。虛擬技術的在教學中的優勢主要有：

（一） 臨場性

學生可以感覺到自己正處于虛擬環境中，覺得自己是該環境的一部分，而不是旁觀者。這種臨場性也可以通過運用交互設備把學生的聽覺、視覺等其他感覺暫時封閉起來，使他與真實環境隔離、集中注意力，全身心地投入到學習任務中去。

（二） 自主性

在虛擬教學模式中，學生可以自主選擇學習內容、學習信息資料。并且，對于經過一次學習沒有掌握的知識、技能，還可以自己進行多次重復學習。真正使學生掌握學習的主動權，能提高學習效果，也減少了不必要的學習時間。

（三） 安全性

虛擬環境中學習比在現實環境中更安全，例如中學生可以進行危險的化學實驗，軍事學生可以重演戰爭，消防隊員可以撲滅火災。并且，在這種虛擬環境中試驗各種方案，即使闖下“大禍”，也不會引起任何實際“惡果”。

（四） 交互性

學生可以應用多種交互手段，如語言、手勢、數據手套等與虛擬環境進行交流，并得到反饋。這一特點使學生與物體、與事件、與其他人之間的雙向實時反饋，在遠程狀態下成為可能，就像面對面交流一樣。

四、 虛擬教學在中學化學實驗教學中的應用舉例

虛擬技術在國內的研究和應用正處于一個上升期，在航天技術、醫療、建筑、設計、電子電路等教學中均有應用。目前，國內有代表性的虛擬化學實驗室主要有：浙江大學有機化學虛擬實驗室、金華科仿真化學實驗室、東師理想初中化學虛擬仿真實驗室軟件。有很多教師和研究者也在實際教學中進行了虛擬技術應用的研究。

徐心語，基于Java3D平臺，進行了3D虛擬的鈉溶于水的化學實驗，平臺中所用到的儀器、藥品、實驗過程的聲音、形態、顏色變化和實驗最終結果。實驗者可以用鼠標進行實驗的每一步操作，并觀察出清晰準確的反應結果，實驗者能順利完成鈉溶于水的實驗并把鈉溶于水的“浮、溶、響、動、紅”的現象模擬出來。

高中化學選修3《物質的結構與性質》的內容具有內容抽象、難度大的特點，導致很多學生對此部分的學習非常沒有興趣。對于這種需要空間想象能力的內容，虛擬技術就能很好地展現其作用了。張潔利用虛擬技術建立了化學實驗室三維分子模型，可直觀顯示物質的H維空間結構的比例模型、球棍模型、字符模型、平面模型等多種模型。

在傳統教學模式中，驗證性實驗通常采用“告訴—驗證—應用”的教學模式，即學生通過已經設計好的實驗來驗證已經知道結果的性質或者化學結構。但實際上，清楚一個過程是如何發生的比發現結果更重要。王查利利用虛擬實驗構成了新型驗證性實驗教學模式，即“情境—驗證—比較—概括—應用”。教師在實驗之前將實驗目標、實驗原理呈獻給學生，學生在目標的指引下努力完成實驗內容，最后教師通過查閱實驗過程和學生的實驗結論來綜合評價此次實驗。

五、 虛擬技術對中學化學教學的意義

（一） 在中學化學教學中使用虛擬技術能提高學生自我學習的能力

在現實實驗教學中，學生需要通過教材來了解實驗內容。而在虛擬實驗系統中，教師可以提前將實驗內容、要求及習題上傳到系統。學生可以根據實驗要求選擇所需的仿真儀器、藥品，并能將實驗過程中遇到的問題記錄上傳至系統，教師做出解答。這樣，學生的學習就由被動變為主動，提高學習興趣的同時也發揮了學生主動學習的意識，自主學習能力顯著提高。

（二） 在中學化學教學中使用虛擬技術能加深學生對理論教學所學知識的理解

化學是一門以實驗為依托的課程，在高中必修1和必修2的課程中，我們都是通過實驗現象來讓學生得到一個直觀認識，再通過推廣、總結得出相應理論知識。但在實際實驗教學中，出于課時安排、場地、安全性等考慮，有些實驗無法實施，學生對于相關理論的理解也就不會那么通透，影響了實際教學效果。而虛擬技術解決了上述問題，使幾乎所有實驗都可以進行，并可以邊講邊做，有效提高了學生對理論知識的理解和應用。

（三） 在中學化學教學中使用虛擬技術能豐富教學內容，提高學生的實驗探究能力

在中學化學教學階段，探究實驗、工藝流程圖是試卷中的常考題目。但在實際上，在中學化學實驗室，我們很難進行相關實驗，使場景重現。虛擬技術恰恰可以滿足我們的需要。我們可以在虛擬實驗系統將題目中的場景重現，使學生了解實際工業操作中需要考慮的問題；也可以讓學生自行設計探究實驗，理解設計實驗過程中需要考慮的試劑選擇、用量、環保問題及空白對照等方面。學生通過反復的模擬練習、處理數據，也就提高了實驗探究能力。

六、 結語

虛擬技術實現了計算機網絡技術在中學化學中應用，具有臨場性、交互性、安全性的特點，能夠提高學生的自學能力、實驗探究能力，是一種很好的輔助教學手段。隨著計算機網絡技術以及虛擬化學實驗技術的發展和完善，虛擬技術勢必會越來越受到教育工作者的青睞。但是，要使其在中學實驗教學中充分發揮其輔助教學作用，必須要注意與傳統化學實驗的有效結合。另外，教育部門要加強對軟件的開發和教師技術方面的培訓，以便虛擬技術在中學實驗教學中得到廣泛應用。

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作者簡介：

孫芳，中學一級，廣東省廣州市，廣東第二師范學院番禺附屬中學。