虛擬現實(VR)技術在中學高?；瘜W 實驗教學中的運用初探

吳鋒

摘要： 虛擬現實（VR）技術是20世紀發展起來的一種僅次于互聯網技術的重要技術，探索將虛擬現實技術運用于中學高?；瘜W實驗，解決目前實驗教學過程中遇到的問題和困難，提高學生的學習效率。結合實際應用案例，從多個角度深入探討虛擬現實技術在中學化學實驗教學中的作用及意義，為虛擬現實技術在基礎教育領域中的實際應用和未來發展提供參考。

關鍵詞： 虛擬現實技術; 中學化學; 實驗教學; 多媒體技術

文章編號： 10056629（2020）06005804? 中圖分類號： G633.8? 文獻標識碼： B

1 引言

化學實驗教學作為中學化學課程中重要的基礎部分，對學生理解化學反應原理，掌握實驗操作過程，反思實驗所得結果有重要的作用。當前的中學化學實驗教學過程中，受師資力量、資源配置、危險系數等條件的限制，學生親自動手的實驗僅僅局限于一部分操作簡單、試劑便宜以及危險系數較低的實驗，例如焰色反應實驗、酸堿中和滴定實驗、萃取實驗等。大部分涉及濃硫酸、濃硝酸、液態苯等危險化學品的實驗主要由教師演示完成。部分重要的高?；瘜W實驗，僅使用觀看視頻或錄像的方式進行教學，使學生缺乏主觀感受，難以起到激發學習興趣、鍛煉動手能力的作用。為了解決教學需要和安全保障之間的矛盾，多媒體工具應運而生并在實驗教學中得到不斷發展。將現代化多媒體技術應用于教學，能夠解決化學實驗教學的許多問題[1]。

目前在教學過程中得到廣泛應用的主流多媒體工具主要有Flash模擬實驗室[2]和交互式智能電子白板[3]兩種。Flash模擬實驗室通過計算機建立一個虛擬的實驗環境，且具有豐富的動畫功能和強大的可交互性。學生只需要在一臺普通電腦上通過操作鼠標就可以完成像真實實驗一樣從選擇實驗儀器、組裝實驗儀器、進行實驗操作、獲得實驗結果的整個過程。交互式智能電子白板作為一種新興的教學工具，將傳統的可書寫白板和智能投影機結合在一起，充分發揮兩者的優勢，為教師在課堂上進行演示實驗提供了極大的便利，已經在各種實驗教學課程中發揮了積極的作用。

上述多媒體工具在實驗教學中雖然能夠發揮重要的作用，卻又無法解決全部問題。雖然Flash模擬實驗室不接觸任何化學藥品，能夠解決化學實驗教學過程中的安全問題，但是僅通過鼠標的操作和屏幕的顯示，不能充分鍛煉學生的實際操作能力，且整個實驗過程基本按照設計好的流程進行，與觀看教學視頻沒有本質上的區別。交互式智能電子白板雖然使得教師演示實驗十分便利，能夠做到隨機應變地處理問題，但是學生依然只是“旁觀者”，沒有直接參與實驗過程，違背了實驗教學的初衷。以上兩種多媒體工具，沒有在根本上解決學生實際動手操作不足的問題，不利于學生通過實驗發現問題、提出問題、解決問題，學生的啟發性思維得不到鍛煉。所以，中學實驗教學迫切需要一種安全性高、參與性強、能提升學生學習興趣、鍛煉實驗操作能力、培養創新思維同時減輕教師教學負擔的新工具。

2 VR技術簡介

虛擬現實（Virtual Reality， VR）[4]技術，又稱靈境技術，是20世紀發展起來的一項全新的實用技術。虛擬現實技術是一種集合仿真技術、通信技術、計算機技術于一體，由計算機和專用顯示設備創造出來的與真實世界相似的模擬環境[5]。通過攝像機、陀螺儀、加速度計等多種傳感設備感知環境的變化（例如頭的轉動和手的運動），同時通過VR眼鏡、耳機和傳感手套等一系列視覺、聽覺以及觸覺傳感設施向使用者實時、直觀、自然地反饋各種變化，使使用者在虛擬環境中獲得與現實世界相同的感知。VR技術已經在多個領域發揮了重要作用，將VR技術應用于教育領域，可以為學生創建一個生動逼真的實驗環境，豐富學生的想象力，激發他們的學習興趣和學習熱情，有助于學生掌握教學中的重點和難點，鍛煉基本技能，提高學習效率[6]。

如果利用VR技術創建化學實驗室，進行高危化學實驗的教學，就可以避免前面提到的各種問題。學生穿戴智能體感設備后，就會置身于一個虛擬的化學實驗室中，化學實驗室內存放著各種各樣的實驗儀器和實驗藥品，學生通過身體的動作拿起或放下需要的物品，完成實驗儀器的選擇和組裝，進行實驗的操作并獲得相應的實驗結果。與Flash模擬實驗室全部使用鼠標操作不同，在VR化學實驗室中學生能獲得和真實實驗室操作實驗儀器一樣的感受，卻又不存在和現實世界一樣的危險，能充分鍛煉學生的動手操作能力，并且會為使用者的錯誤操作做出反饋，例如燒杯掉在地上會破碎，酒精燈使用不當會起火甚至爆炸，濃硫酸滴落到地面上會產生腐蝕效果，這種視覺、聽覺和觸覺上的多重刺激，更有利于學生對所學習的知識產生深刻的印象，達到和真實實驗一樣的效果。同時實驗的內容完全不受時間與空間的限制，實驗者可跨地域進行實驗，甚至多個實驗者可以在不同地域協同完成實驗，更有利于教師對學生實驗過程的監督和指導。

3 VR技術在中學高?；瘜W實驗教學中的運用案例分析

2017年12月22日，世界上第一個在線互動式VR理化生實驗室在華中師范大學第一附屬中學初中部正式建立，這標志著VR實驗室在中國基礎教育領域中正式投入使用[7]。該實驗室采用戴爾MX虛擬現實頭戴顯示設備和多人聯機互動技術，可以實現1位教師和30名學生的實時聯機互動，在接近真實的虛擬學習環境中讓學生獨立操作和完成實驗。在VR實驗室中，教師可以為學生提供實驗設備、進行實驗演示并監督實驗活動，學生可以觀察教師和其他學生的實驗過程，并自行完成實驗。實驗設備可以在不受限制的情況下重復使用，讓學生充分體驗到燃燒、腐蝕等實驗效果并消除潛在的安全風險。以九年級上學期化學課程中“測定空氣中氧氣的含量”實驗為例，該實驗利用紅磷與氧氣發生反應來消耗氧氣進而粗略測量空氣中的氧氣含量，由于紅磷在燃燒過程中會產生有毒并具有刺激性氣味的五氧化二磷煙霧，對學生健康有害。在VR實驗室中進行該實驗就可以有效地解決這個問題，利用VR技術逼真地復原實驗場景和測試步驟，學生可在虛擬場景中組裝實驗儀器，檢查實驗裝置氣密性，完成燃燒實驗，獲得實驗結果。并且在虛擬實驗的整個過程中，系統語音會提醒操作人員以標準的方式進行各種實驗操作，幫助學生以規范的操作完成整個實驗，培養嚴謹的科學態度[8]。

對于VR的實際效果，研究發現通過VR技術教學對學生所學知識的短期和長期保留度都有明顯的提升。在相同時間和不同內容方式的教學后立即進行的測試中，接受VR方式教學的學生，其測試平均成績比接受傳統方式教學的學生高出27.4%;而在經過兩周不同方式的教學后，前者的測試平均成績比后者的高出32.4%[9]。在另一項測試中，相同的學生在觀看VR實驗演示和現場實驗演示后，有88%的學生能夠回憶出VR演示的內容，只有48%的學生能夠回憶出現場演示的內容[10]。調查結果說明，VR技術對提升學生學習效率具有明顯的作用。

4 VR技術在化學實驗教學中的意義

虛擬仿真實驗是未來學生獲取知識的一種重要的手段和方法，也是未來教育發展的一個方向，將VR技術應用于化學實驗教學中，具有以下重要意義。

4.1 保障實驗教學的安全

教學安全是懸在教師、學校乃至社會頭頂的一把利劍，學校安全已經成為社會高度關注的問題。一旦發生教學安全事故，將產生不可估量的后果?；瘜W實驗教學無法避免地需要接觸到強酸、強堿、有毒有害腐蝕品等，在教學過程中極易出現安全事故。VR實驗室可以很好地解決安全性問題，在虛擬的實驗環境中，由于不直接接觸危險化學藥品，不會對身體產生任何損害，即使發生操作失誤，也不會產生實際的危險，逼真的錯誤反饋還能促使學生規范地進行實驗操作，進一步降低安全風險的同時培養學生嚴謹的科學態度。

4.2 提高學生主動參與意識

在教學過程中，通過充分發揮學生的主體參與行為，能提高學生的主動參與意識，激發學習驅動力，讓學生成為學習的主人。不同于傳統的多媒體教學手段學生只有視覺和聽覺上的感受，VR強大的臨場參與感將使學生受到視覺、聽覺和觸覺上的多重刺激，獲得“身臨其境”的感受，更有利于學生對所學習的知識產生深刻的印象。同時依靠計算機硬件強大的處理能力，VR能夠實時地對學生的操作做出反饋，激發學生的探索欲望，增加學習興趣，提高學習效率。

4.3 培養學生創新思維

創新思維是一種高級的人類思維活動，也是一種重要的發現、獲取和運用知識的能力。將VR技術應用于教學過程中，能夠促使課堂教學手段向更加科學化、高效化的方向發展，同時有利于開展互動式、啟發式教學，開擴學生眼界，培養學生創新思維。借助VR技術，把學生從對文字、符號、公式的單一空間性理解中解放出來，將知識轉化為逼真的“現實”體驗[11]。同時，VR技術強大的可交互性和開放性，允許學生按照自己的設想設計實驗、驗證實驗，讓學生在沒有約束的環境中相互合作、自主創新，發現有價值的科學現象，思考現象背后的科學真理，領悟教科書上學不到的科學知識，促進學生由被動式學習向主動式學習發展，使學生的獨立思考能力、實驗實踐能力、創新思維能力得到全方位的鍛煉和提高。

4.4 改變傳統教學理念

將VR技術應用于教學過程中，有利于改變原有的教師灌輸、學生接受的學習方式，實現教學目標、教學內容和教學方法的調整。教師可以結合教學內容建構有關聯性的虛擬場景，引導學生自主合作進行探究。教學的內容也不再是一成不變，而是圍繞一個主題不斷發展，不斷演化，讓學生結合已知現象和事實推導未知內容，探索事物的發展變化規律，培養學生的科學鉆研態度和獨立創新精神。VR技術的應用對減輕教師負擔也有重要作用，在VR實驗室中教師不再需要時刻監督、參與學生的實驗，只需要起組織、指導的作用，在時間安排上，更多地是學生自主性、探索性的學習。并且能夠改變以教師為中心的傳統教學理念，教師的身份不再是傳統的知識傳授者，而是學生學習過程中的組織者、參與者、促進者，對學生創新精神和實踐能力的培養較為有利。

5 結論

VR技術被看作是僅次于互聯網技術而且具有改變當今世界未來發展方向的巨大潛力的重要技術，一經推廣應用就向世人展示了誘人的發展前景。將VR技術運用在化學實驗教學過程中，能夠使學生在不需要教師監督以及接觸危險化學品的同時模擬進行高危化學實驗，在保證人身安全的前提下提高學習效率，同時有利于學生創新思維的培養以及教師傳統教學理念的轉變，達到素質教育的目的。盡管現階段VR技術仍在不斷升級、改進，相應的硬件設備還比較昂貴，VR技術尚未在教育領域中被廣泛使用，僅有少數學校在教學上進行過嘗試。但是隨著VR技術相關的軟硬件設備不斷發展和完善，以及成本的不斷降低，其在基礎教育領域中的巨大優勢和發展潛力會被更多的教育工作者重視和青睞。VR作為一個新型的教學技術和手段，必將在信息時代的教育教學進程中發揮重要作用[12]。

參考文獻：

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