基于VR技術(shù)的初中化學(xué)實驗創(chuàng)新教學(xué)實踐與探索

喬靜 唐文軍

【內(nèi)容摘要】本文主要利用VR技術(shù)，來突破初中化學(xué)實驗教學(xué)中的瓶頸。首先，通過實驗糾錯環(huán)節(jié)，讓學(xué)生大膽操作，從錯誤中學(xué)習(xí)正確的操作方法。其次，通過進行高危高爆實驗，滿足學(xué)生好奇心，提高學(xué)習(xí)興趣。最后，通過微觀粒子實驗教學(xué)，突破教學(xué)的重難點，讓學(xué)生理解反應(yīng)的本質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】VR技術(shù) ?科學(xué)探究 ?實驗教學(xué) ?學(xué)習(xí)興趣

科學(xué)探究是化學(xué)教學(xué)的核心，也是新課程改革的方向。而實驗教學(xué)又是科學(xué)研究中重要的一環(huán)，用實驗的方法來學(xué)習(xí)化學(xué)，符合教學(xué)的需要，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，而且可以后續(xù)學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)①。在傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程中，由于條件的限制，很多實驗無法開設(shè)，學(xué)生雖然有興趣，急于探索，但是教師無法滿足學(xué)生的要求。例如書本上有一些高危高爆有毒的實驗，教師因為擔(dān)心學(xué)生的安全，而直接取消，采用講解或者視頻的方式代替。看似解決了問題，實際壓制了學(xué)生探究的興趣，不利于化學(xué)的學(xué)習(xí)。另外在學(xué)習(xí)酸堿鹽時，由于溶液里的粒子不可見，學(xué)生雖然可以看到實驗現(xiàn)象，但無法理解溶液中微粒之間的反應(yīng)過程，從而很難理解復(fù)分解反應(yīng)的本質(zhì)。還有在學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)時，因為看不見，摸不著，這對于學(xué)生形成直觀感知非常困難。這些問題每天都在真實上演，而在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中是無法解決的難題②，而現(xiàn)在擁有了VR技術(shù)，就可以輕松的解決上述問題。VR技術(shù)（虛擬現(xiàn)實技術(shù)）在近幾年興起，因為它具有“沉浸感、真實感、趣味性”等顯著特征，被廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域。筆者有幸參與了VR技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)實驗教學(xué)的實踐應(yīng)用，以下是我的一些感想和經(jīng)驗，希望可以拋磚引玉。

一、利用VR技術(shù)，實驗糾錯環(huán)節(jié)讓學(xué)生不再怕錯

利用VR技術(shù)，制作相應(yīng)的VR課件，學(xué)生可以帶上頭盔進入虛擬實驗室，通過手柄來操作實驗，完成危險實驗的探究，因為它足夠逼真，可以反復(fù)操作，且不具有任何危險，學(xué)生可以盡情享受化學(xué)實驗的樂趣。如高錳酸鉀制取氧氣的實驗過程中，學(xué)生好奇為什么要先撤導(dǎo)管后撤酒精燈，如果不這樣做，會怎么樣？在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，我們會告訴學(xué)生，千萬不可以這樣，因為會倒吸炸裂試管。但是學(xué)生就是想試怎么辦？利用VR課件，就可以解決這個問題，我們會讓學(xué)生按照他的意愿來實驗，利用特效，讓學(xué)生看到試管炸裂的情境，明白錯誤操作所帶來的危害。既滿足了學(xué)生好奇心，也讓學(xué)生了解正確操作的重要性。還有就是在講解濃硫酸稀釋實驗時，我們會告訴學(xué)生一定要將濃硫酸加入水中，切不可反過來。我們都知道青少年學(xué)生就是喜歡不走尋常路，每次學(xué)生問到為什么不可以時，老師只能說“危險”，這是實驗教學(xué)中尷尬之處。而有了VR課件，學(xué)生就可以將水倒入濃硫酸中，感受濃硫酸四濺的真實場景，從而真正體會到實驗的危險之處。又例如在講解一氧化碳還原氧化鐵的過程中，一定要先通一氧化碳，然后再點燃酒精燈，如果順序錯誤，將會導(dǎo)致試管炸裂，對學(xué)生造成傷害。利用VR課件，學(xué)生可以選擇錯誤操作，體會操作錯誤帶來的嚴重后果。從而學(xué)會正確的操作方法，重新按照正確的方法來進行實驗。錯誤也是學(xué)習(xí)的一種寶貴資源，我們應(yīng)該充分利用VR技術(shù)的特殊性，讓學(xué)生完成試錯。這對于學(xué)生今后的學(xué)習(xí)將產(chǎn)生深遠的影響，可以讓學(xué)生學(xué)會嚴謹實驗的重要性，有助于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

二、利用VR技術(shù)，高危高爆實驗不再是難題

在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，由于場地、時間、空間的限制，很多實驗無法開展和完成。而擁有了VR技術(shù)，就為這一切插上了騰飛的翅膀，讓一切成為可能。如在開展高爐煉鐵教學(xué)時，由于沒有條件，我們只能拿著書上的圖片，跟學(xué)生講解，“紙上談兵”。利用VR技術(shù)，構(gòu)建的鋼鐵冶煉廠的場景，學(xué)生帶上頭盔，就可以瞬間進入到虛擬的鋼鐵冶煉廠，在上千度的鋼鐵熔爐里翱翔，真正實地“看到”鋼鐵廠煉鐵的全過程，從而加深對書本知識的理解，讓學(xué)習(xí)更有深度。另外，在水的凈化一節(jié)中，會講解自來水的凈化過程，書上提供的僅僅是一個圖片，不夠真實，學(xué)生很難真正理解凈水的全過程。而帶上頭盔，就進入了虛擬世界，可以參觀“獵德污水處理廠”，可以用過手柄控制，仔細研究每一個環(huán)節(jié)，與書本上的知識對應(yīng)起來，將知識靈活應(yīng)用，真正做到生活和學(xué)習(xí)有機結(jié)合，學(xué)以致用。在探究可燃性氣體爆炸實驗中，因為具有危險，很多學(xué)校都選擇不做。而利用VR技術(shù)做成的VR課件，如面粉爆炸，氫氣爆炸實驗，可以讓學(xué)生近距離的觀察實驗過程，完全不必擔(dān)心安全問題。還可以反復(fù)多次觀察，體驗化學(xué)實驗的神奇，促進學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提升。

三、利用VR技術(shù)，微觀粒子觸手可及，突破教學(xué)重難點

在初中化學(xué)教學(xué)中，宏觀——微觀——符號“三重表征③”一直是學(xué)習(xí)的重點與難點，由于微觀世界看不見、摸不著，非常抽象很難理解，這為實驗教學(xué)帶來了極大的困難。而利用VR技術(shù)，可以制作VR課件，如元素周期表，只要帶上頭盔，用激光筆輕輕點擊如鈉原子，就可以在眼前看到原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，核外電子分三層排布，繞核高速飛行。再點擊原子核，就可以看到質(zhì)子和中子從核中飛出，在你眼前排布好它的個數(shù)和帶電情況。非常生動形象，這可以化抽象為具體，提高學(xué)生直觀教學(xué)的理解能力。利用在講解酸和堿的中和反應(yīng)時，我們只能看到實驗現(xiàn)象，但是內(nèi)部微觀粒子如何反應(yīng)，我們并不知道。通過VR技術(shù)，深入溶液內(nèi)部，就可以看到Na+和Cl-在溶液中來回?zé)o規(guī)則運動，H+和OH-結(jié)合成水分子的過程，這對于學(xué)生理解中和反應(yīng)的實質(zhì)起到了很好的促進作用，這也為后續(xù)復(fù)分解反應(yīng)的發(fā)生條件以及本質(zhì)的理解起到了很好的鋪墊，可以很好地突破教學(xué)的重點與難點。在講解復(fù)分解反應(yīng)發(fā)生的條件時，學(xué)生一直都比較迷茫，為什么有些可以交換，有些不可以交換？依據(jù)到底是什么？有了VR課件，學(xué)生可以點擊溶液，看到溶液中離子運動的場景，從而更加容易理解電離過程，看待物質(zhì)不再是一個物質(zhì)，而是離子。兩種溶液在混合過程中，也可以點擊微觀世界，可以看到溶液中的離子選擇性結(jié)合全過程，從而明白只有生成氣體、水和沉淀，復(fù)分解反應(yīng)才能發(fā)生的事實，真正理解復(fù)分解反應(yīng)的實質(zhì)就是：溶液中離子反應(yīng)，減少的過程。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)+教育的研究也變得逐漸熱門。而VR技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣泛。近年來教育部門連續(xù)發(fā)文推動VR技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，與教育的深度融合是不可阻擋的潮流和趨勢④。另外，隨著中考實驗改革方案的出臺，初中化學(xué)實驗的要求必然越來越高，對學(xué)生實驗?zāi)芰Φ目疾橐蔡嵘先粘獭Ｃ鎸荚嚨膲毫Γ瑢W(xué)校師資和實驗場地、藥品的不足的問題將會凸顯，而依托VR技術(shù)建設(shè)的虛擬化學(xué)實驗室，可以很好地滿足學(xué)生學(xué)習(xí)和練習(xí)的需要。這將極大的緩解學(xué)生實驗開設(shè)不足的問題，還能讓學(xué)生脫離時間和空間的限制，自由地進行實驗。雖然現(xiàn)在囿于技術(shù)的局限以及成本等原因，還沒有大面積地進行推廣，但是未來我深信它會更多地應(yīng)用于教學(xué)，改變教學(xué)模式，提升教學(xué)效率，讓之前的不可能變?yōu)榭赡堋Ｅc傳統(tǒng)實驗教學(xué)相輔相成，彌補不足，推動化學(xué)實驗創(chuàng)新教學(xué)的發(fā)展，促進學(xué)生的全面發(fā)展。

【注釋】

① 李鳴華. 人工智能及其教育應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2008：122-123.

② 胡小強. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M]. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005：2-3.

③ 吳榮華、嚴曉梅. VR技術(shù)實現(xiàn)化學(xué)的三重表征教學(xué)[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（1）：52-54.

④ 張莉、路虹劍. 沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)在科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J]. 計算機教育，2019（12）：11-15.

（作者單位：廣東省廣州市泰安中學(xué);廣東省廣州市華穎外國語學(xué)校）