基于VR技術的初中化學實驗教學

曹志兵 李沛嶼

【摘 要】化學是一門以實驗為主的學科，化學實驗教學對學生十分重要。但受多方面因素的影響，化學實驗教學效果有時并不理想，而基于VR技術的初中化學教學，是對傳統演示實驗的創新，能夠更好地突破化學實驗教學瓶頸，將微觀世界與宏觀世界相結合。此外，一些危險的實驗也能借助VR技術開展，從而促進學生對于化學實驗現象的感知、促進學生化學知識生成與理解。

【關鍵詞】VR技術；初中化學；實驗教學，化學結構，科學探究與實踐

【中圖分類號】G633.8? 【文獻標志碼】A? 【文章編號】1005-6009（2023）07-0073-03

【作者簡介】1.曹志兵，南京外國語學校淮安分校（江蘇淮安，223001）副校長，高級教師；2.李沛嶼，南京外國語學校淮安分校（江蘇淮安，223001）教師，二級教師。

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）將“科學探究與實踐”作為主要核心素養。化學實驗作為科學研究的重要環節，對于學生理解抽象化學知識、培養學生核心素養意義重大，也有助于學生化學學習興趣的提升。但在傳統化學實驗課堂中，受各方條件的限制，很多化學實驗都無法正常開展，學生雖然對化學實驗有一定的興趣，可是教師卻無法滿足學生的實驗訴求，化學實驗教學效果得不到保障，壓制了學生實驗探究興趣，不利于學生的化學學習。而VR技術具有沉浸感、趣味性、真實性的特點，有助于教師為學生構建出模擬實驗環境。基于VR技術的化學實驗教學能打破傳統實驗的教學弊端，促進學生實驗學習的發展。

一、VR技術概念及特點

VR技術是虛擬現實技術（Virtual Reality）的簡稱，其有效整合了計算機幾何技術、傳感器技術、仿真技術和呈現技術，能為學生提供一個視、聽、觸等多方面感官的模擬體驗，讓學生“身臨其境”。我校采用zSpace虛擬現實教育一體機，它通過zView投影到高清顯示器的屏幕上，可以達到裸眼3D的效果。將zSpace中的軟件應用于初中化學課堂上是對傳統化學課堂的創新，能為學生提供真實的體驗。一些危險的化學實驗也能利用該設備展開，從而提升化學實驗教學效果。

二、基于VR技術的初中化學實驗教學設計原則

1.科學性原則

VR技術在初中化學實驗教學中的應用目的，是讓學生按照所提供的實驗問題，小組合作設計出相應的實驗方案，然后通過自主實驗與探究得出結論，這樣就能有效實現對學生綜合素養和探究性思維能力的培養。

為此，在應用VR技術進行化學實驗的時候，一定要確保實驗內容、步驟、方法等符合科學嚴謹性原則，即嚴格按照科學性原則來展開化學實驗，這樣才能有效提升化學實驗的教學效果。

2.交互性原則

VR技術最為顯著的一個特征就是交流與互動性。因此，在開展化學實驗教學的時候，一定要注重學生與實驗對象的互動及交流，這樣“記錄員”才能及時獲得反饋信息并記錄，同時發現實驗操作中出現的問題。為此，初中化學教師一定要注重在學生進行化學實驗的同時提出相應的問題，進一步激發學生主動探究化學的興趣，從而讓學生在模擬實驗操作中提高自己的思維能力、探究實踐能力和創新意識。

3.自主性原則

學生只有自主參與到VR實驗的操作中，才能取得良好的實驗教學效果。所以在初中化學實驗教學課堂上，教師需要尊重學生的主體地位，根據學生的興趣來設計VR實驗，讓學生主動參與到實驗分析、探索、推測、驗證等一系列實驗環節中，促進化學大概念的形成。

三、基于VR技術的初中化學實驗教學

基于VR技術的初中化學實驗教學，教師可以在化學實驗課上讓學生帶上VR頭盔直接進入到虛擬實驗室內，然后再借助手柄來完成實驗操作；或者讓學生站在主屏幕面前，直接用雙手隔空抓取“物體”，演示模型和小實驗，使抽象事物形象化，增強了可操作性，讓學生沉浸其中。這樣就能完成一些具有危險性的化學實驗，還能減少清理實驗廢液、清洗實驗器材等時間。學生還能在反復操作過程中感知實驗樂趣、明確實驗流程、理解化學實驗現象，促使化學觀念的形成。

1.基于VR技術深化實驗認知

初中生因為是剛開始接觸化學，所以在化學實驗課上經常會出現一些錯誤，這個時候教師可用VR技術來糾錯。因為虛擬體驗的真實性以及不浪費資源等特點，學生還能在反復操作中深化對問題的認知，避免再次出錯。

例如，在“石墨”這課中，很多學生對于“石墨的物理性質”無法形成有效理解。為了能夠深化學生對于這一知識的理解，避免學生出現理解錯誤，學生可以直接使用zSpace中的zSpace Studio 軟件，用觸筆從圖片庫中將宏觀的石墨抓取出來，觀察顏色、形狀等外觀；對較微觀的石墨、金剛石、碳60，研究其微觀結構的不同，拆開石墨晶體并重新整合，學生會發現石墨的層狀結構等，最后總結石墨的性質。這樣學生自然能夠對這一知識形成有效的認知，能夠辨析相似但不同的晶體，從而幫助學生掌握正確的實驗操作方法，有效提升化學實驗教學效果。

2.基于VR技術突破高危高爆實驗難題

傳統模式下的初中化學實驗教學課堂，因為受場地、時間以及空間等多方面限制，很多實驗都無法順利實施。VR技術的存在能改善這一問題，讓一些高危高爆的化學實驗也能在課堂上呈現。這樣就能改變之前紙上談兵的實驗教學現狀，讓學生在真實的體驗與實驗操作中形成更深刻的理解。

例如，在“碳”這一課的教學中，碳的還原性是教學的重難點，但是鋼鐵冶金工業通常在高溫、密閉的環境中進行，環境復雜、危險。對于此，教師可借助VR技術，為學生構建出一個冶金的場景，學生通過鋼廠冶金VR虛擬仿真實訓系統，進入到虛擬的冶金廠中，這樣就能通過親眼“看到”冶金的全過程，還能設置并調整原料的類型、比率等，形成對這一知識點更深層次的認知，有效提升教學實效。

3.基于VR技術促使微觀粒子觸手可及

在化學教學過程中，微觀粒子一直都是教學重難點。因為微觀世界是看不見、摸不著的，所以學生在課堂上很難形成有效理解，這也為初中化學教學的開展帶來了較大的困難。VR技術的存在能夠使微觀粒子“觸手可及”，可幫助學生形象化地理解這個未接觸過的世界。

教師在化學實驗課上，可以借助VR技術來為學生講解微觀粒子。例如，學生只要參與到虛擬情境體驗中，即可直觀地感受原子核外電子的排布。學生借助激光筆輕輕點擊鈉原子，就能夠看到原子內部結構和核外電子分三層的排布現象。

四、基于VR技術的初中化學實驗教學課程分析

基于新課程標準，在充分利用教學設備的原則下，以學生學習的觀察活動、觀看活動、操作活動、思考活動等四個活動為基準，教師在“水的組成”一課中，引導學生親歷“觀察→處理信息→發現”這樣的科學探究與實踐過程，經歷“對現象進行抽象的概括→運用實驗解釋抽象概念→回歸生活驗證抽象概念”這樣的科學思維過程。從體驗走向探究，從動手實驗走向分析總結，實現化學學科的綜合性。

在科學技術不斷發展的時代背景之下，“互聯網+教育”也成為教育創新重要趨勢。而VR技術作為信息化教學常用手段，將其應用于初中化學中，為學生構建出虛擬化學實驗室，能夠滿足學生化學理論學習及實驗練習訴求，最大程度緩解學生實驗課開設不足、實驗危險系數高等情況。同時讓學生有效脫離時間及空間限制，自由地展開化學實驗。為此，在初中化學課堂上，教師一定要準確認識VR技術的教育價值，借此來突破傳統化學課存在的弊端，從而真正提高化學教學效果，促進學生學科能力及化學學科素養的提升。