虛擬現實技術在中職食品類專業中的應用
——以化學教學為例

劉同山 高 偉

遼寧師范大學計算機與信息技術學院 遼寧大連 116081

化學作為中職食品類專業的一門基礎課程,對學生獲取必要的基礎化學知識、掌握基本的技術能力和方法、提升化學學科核心素養、培養其嚴謹的科學態度具有重要作用。然而,目前的中職院校以教師為主體、教材為中心的化學課程教學模式弊端日漸顯現,阻礙了教學效果和質量的提升。由此,亟待改變中職院校食品類專業傳統的化學課程教學方法,運用新穎的現代化教學技術手段,以此來提高學生學習質量,滿足學生學習需求;引用新技術手段,給教學工作注入新鮮血液,促進信息技術與傳統教學優勢相結合,更好地適應近年來我國職業教育的發展和滿足化學教學改革的需要。

一、虛擬現實技術應用在中職化學教學中的優勢

(一)創設虛擬教學新理念

虛擬現實技術(Virtual Reality,簡稱VR)[1]是由計算機構建的一種高度模擬現實世界的虛擬化環境,通過VR輔助設備,人們能夠獲得視、聽、觸覺等全新的多感知沉浸式體驗,產生“身臨其境”的感覺。近年來,將虛擬現實技術嵌入教學過程的創新型教學理念,在國內外教學中得到了不斷發展。轉變的師生關系,體現出學生的主體地位;升級的教學手段,調動起學生學習的積極性;拓展的教學空間,豐富了教學環境。據此,設計虛擬現實技術教學資源形成一種創新型的教學模式和理念,不僅是未來教育發展的形式和方向,也是當下推進教育教學改革發展所要面臨的重大時代課題[2]。

虛擬現實技術的應用改變了以教師為中心的傳統教學理念,教師不再是灌輸知識的傳授者,而是學生學習過程的組織者、引導者和合作者,對學生起到幫扶而非控制的作用;調整了教學目標、方法及內容,依據學生特點,靈活開展學習過程。化學作為食品專業的基礎課程,內容多為原理、方程式、方法和理論等基礎知識,具有晦澀、難以理解和記憶內容較多的特點,容易讓學生產生學習壓力,引起“退卻”心理,阻礙教學活動的開展與實施[3]。當前的中職學校主要集中于使用自媒體信息技術領域來研究化學教學與信息融合,而虛擬現實技術作為一種新的教育載體,具有較高的技術含量和豐富的實用體驗。利用虛擬現實技術設計化學教學內容,從而構建出虛擬學習情景,引導學生探究學習內容,總結學習過程,使學生更容易重視化學學科知識的學習;提高學生的關注度,有助于學生對所學知識的實際應用,實現教育對綜合職業技能人才的培養。

從一定意義上講,在實踐操作成本較高以及中職教育經費有限的情況下,使用虛擬現實技術作為輔助工具,可以很好地解決這一問題。學生作為虛擬現實技術的使用者,通過佩戴VR眼鏡、控操交互手柄就可以操作實驗,更好地實現教學效果,減輕教師教學負擔。教師利用虛擬實驗教學平臺,引導和幫助學生進行自主性、探索性的學習,無需時刻監督和參與實驗,在培養學生獨立的實踐操作能力和科學的創新精神方面較為有利[4]。在新時代、新技術面前,教育要緊跟科學技術的進步與發展,讓技術“擁抱”教育[5]。

(二)推動理論知識實踐化

虛擬現實技術的特性與化學課程相結合具有得天獨厚的優越條件。化學課程內容一般具有晦澀、難理解和抽象的特點,這對學生的學習產生一定的壓力,阻礙教學活動的順利開展。例如:分子的結構和物質的變化、溶液和弱電解質的解離平衡,包含較多的理論內容和抽象知識;重要的金屬及化合物涉及較多方程式書寫;氧化還原反應以及探測金屬的特性中涉及危險實驗操作。這些都是學生難以掌握且存在危險的內容,因此,將虛擬現實技術應用于化學教學其優勢明顯。一是虛擬現實技術提供沉浸式學習場景,通過模擬全景環境,讓學生可以在一個完全封閉的環境中,看見、觸摸和感受那些理論所描述的場景,獲得接近現實的“實踐”體驗,充分擴充認知體系。二是虛擬現實技術的可操作性,對于有機化合物的分子結構、組合及性質的微觀理論等知識,虛擬現實技術可以實現分子結構的編輯和合成,將知識內容進行實踐操作。三是虛擬現實技術良好的交互性,佩戴上相應的虛擬現實技術設備,實現與媒體交互的效果,打破制約時間和空間的壁壘,切身操作與實踐,真正實現理論知識與現實“實踐”的連通,跨越理論教育的“最后一步”。

(三)增強實驗操作體驗感

使用虛擬現實技術構建虛擬實驗室,學生在虛擬的化學實驗室當中可以通過交互動作選取或返還擺放在實驗室當中的各種所需的實驗藥品和實驗儀器,組裝實驗儀器進行實驗并獲得相應的實驗結果。目前,虛擬現實技術應用于化學教育主要集中于少數機構推出的化學仿真實驗平臺,如NOBOOK團隊開發的NOBOOK仿真實驗室、“南京金華科公司”開發的仿真VR實驗室。部分高校建立的虛擬現實實驗室,例如,中科院最早建立了化學虛擬實驗室,東北師范大學科技研究院針對中學物理、化學、生物等基礎學科進行軟件開發和模擬。在虛擬化學實驗室中,學生可以獲得與在現實實驗室中操作實驗器材相同的體驗感,但不會造成與現實世界相同的危險,它可以全面提高學生的操作能力,并給予操作者反饋信息[6]。例如,在探究氯氣的化學性質一課,將熾熱的細銅絲快速放入裝滿氯氣的集氣瓶中,銅絲立即發生劇烈燃燒,并伴隨著棕黃色的煙霧產生。這種視覺、聽覺和觸覺上的多重刺激,能夠讓學生對學習過程及知識產生深刻的印象,從而更有效地達到與現實中真實實驗相同的效果。通過在虛擬環境中模擬實驗過程有以下優點,一方面不受時間、空間和物品數量上的限制,另一方面,在學生沒有很好地感受和體會到化學實驗變化過程的情況下,虛擬實驗平臺的可重復操作特性,彌補了教師講解和操作實驗次數不足的欠缺。學生使用虛擬實驗室能夠無限次重復實驗,直至理解和熟練實驗過程,既能激發學生學習興趣,滿足學生學習要求,又能全面提升學生動手實驗能力,增強學生操作體驗感。

(四)調動學生學習主動性

開展虛擬現實技術教學符合堅持“以學生為中心”的教學思想,通過引導學生參與虛擬教學活動設計,實現教育與實踐相結合,從而調動學生學習主動性,突出學生的主體地位。虛擬現實技術的沉浸式和交互式的特征與化學教學不謀而合,學生進入沉浸式虛擬環境,使用交互工具在虛擬技術所設計的沉浸式場景中進行言語交互、物件交互。在學習過程中,讓學生在“做中學”,把學生作為中心,喚起廣大學生的學習熱情,特別是對于理工科專業的學生而言,可操作性的學習手段能夠提高學生學習的積極性,讓更多被動接受教育的學生轉變成踴躍引導自己學習的主動者,從而提高學生的注意力和主動性,進而更容易理解和掌握理論內容和抽象概念,也使得化學學習更加生動有趣。

二、虛擬現實技術在中職化學教學中的運用

(一)構建虛擬現實技術教學模式,提供自主探索空間

自主學習環境下的教學活動,教師作為學習過程的引導者,幫助學生自主探索化學實驗實踐。虛擬化學實驗室中含有大量實驗所需的實驗藥品及實驗儀器,可供學生自主選擇和使用。與以往傳統的教學模式相比,虛擬現實技術下的自主實踐教學模式具有更強的參與性、開放性和實踐性,可以保證學生最大限度地參與到實踐教學中來,最大程度地發揮學生的主體作用,充分調動學生學習的主動性,挖掘學生潛力,改善實踐教學資源不足的情況。在課前學習階段,教師確定實踐教學方案,準備學習資料,指導學生設計自主實踐方案并對學生進行虛擬化學實驗室培訓指導。在課堂實踐過程中,學生依據方案自主探索實驗過程,完成實驗操作。最后,師生之間討論交流實驗過程中的問題,匯報自主實踐下的學習成果。虛擬現實技術下的自主實踐教學模式突破以往制約化學實踐教學上的“瓶頸”,教師科學規劃,學生多維度感知和身心參與,切實提高學生獨立分析和解決問題的能力。

(二)設計虛擬現實技術分層教學,促進學生個性化發展

在虛擬環境下,教師可以依據學生之間存在的差異,設計層次化教學,實現因材施教的教學目標。教師將教學設計分為四個層次、五個環節,如表1所示。其中,四個層次包括基礎學習層、知識掌握層、鞏固練習層和拓展延伸層;五環節包括個性化學習資料提供、個性化學習目標制定、個性化操作活動、個性化作業布置和個性化評價方法。在化學教學課堂上,很多知識內容過于抽象和理論化,學生理解程度不同,掌握知識的能力和學習進度也存在明顯差異,教師對學生進行有針對性的一對一講解不僅增加教師教學負擔,拖延教學進程,教學效果也有好有壞。所以,教師根據學生不同的理解力和感受能力,在虛擬化學教學場景中設計文字敘述、圖片展示、實驗操作視頻和語音提示等一系列個性化學習資料,滿足不同層次學生的學習與體驗需求。針對不同基礎層次的學生制定個性化教學目標,讓學生從不同角度剖析化學學習結構,增強對化學知識的了解,獲得學習上的成就感,提升學生的學習發展能力。為了更好地體現作業的作用,教師依據不同學習層次的內容布置相適作業,最后對學生采取多元化評價。有層次性地設計個性化教學過程,充分利用虛擬現實技術優勢,以教師為主導促進學生個體發展,進而提高教學效果。

表1 VR環境下層次化教學設計表

(三)實現虛擬與宏觀世界相結合,培養學生微觀認知

與傳統的化學課程教學方式和學習形式不同,利用虛擬現實技術的化學教學把抽象的化學分子再現成為可編輯和操作的立體結構,學生能夠通過虛擬現實設備觀察和了解分子結構;把抽象的內容進行虛擬化和數字化,具化為可視的三維結構,能夠給學生帶來更多知識上的啟迪,在頻繁互動和多感官參與的過程中獲得沉浸式的學習體驗;將抽象概念可視化,使學生易于理解,有效解決知識內容較為抽象、教學過程中學生認知阻礙大、學習興趣不高等問題。教師在具體開展課堂教學前,以食品專業內容為興趣點導入學習內容。例如在學習蛋白質分子的結構一節,引入食品安全方面的三聚氰胺分子,學生進入虛擬環境中觀察二者的三維結構,分析它們的相同點及不同點,思考三聚氰胺能夠替換蛋白質的原因。利用虛擬現實技術展現原有教學過程中無法觀測到的知識內容,實現微觀世界的分子可視化,提升學生對微觀與宏觀世界的認知能力;同時將化學知識與本專業知識相聯系、相結合,為學生學習食品專業知識打下良好的化學基礎,形成綠色化學、健康食品的觀念,促進學生職業生涯的發展。

(四)開設虛擬現實技術教育游戲,增加學習內容趣味性

游戲化教學在一定程度上增加學習的趣味性,并使學習者的學習注意力保持在較高水平,參與性提高了,學習效率就會提高,教學結果自然就會有所提升,這體現出教育的豐富性和趣味性[7]。在對實驗操作的學習中,通過設置答題、識別圖案、完成具體活動要求等關卡形式,闖關獲取實驗藥品以及實驗儀器,只有收集完成本次實驗所需的全部裝置,并組裝成功,才能觀察實驗現象、得出實驗結論。通過設計游戲化的虛擬實驗過程,讓學生在一步步解鎖任務的過程中認識實驗所需器材,掌握實驗操作步驟。在對游戲的任務設計上要多樣化、適配化,吸引學生自愿參與,游戲的本質是非功利性的,所以對于最后的通關獎勵可以以提升等級或增加經驗等形式呈現,從而維護學習者的學習興趣。虛擬化學實驗游戲過程如下圖所示。

虛擬化學實驗游戲過程簡圖

(五)提供虛擬現實技術實驗環境,保障學生實驗安全

化學實驗包含許多危險性地操作以及有毒有害氣體的產生,對于化學實驗教學,保障學生的人身安全是首要任務。虛擬現實技術能夠為學生提供安全的實驗環境,確保學生體驗完整的實驗操作過程,從而提高學生動手實驗能力。比如在觀察“鈉與水的反應”實驗中,將鈉放入燒杯,會發出嘶的響聲,展現浮、熔、游、響、紅完整的反應現象,最后逐漸溶解,針對實驗過程存在的液體飛濺、試管破裂等危險問題,而通過使用虛擬現實技術能夠避免學生受到傷害,能夠在安全的環境中操作和觀察實驗,為學生著手現實實驗前夯實操作基礎。虛擬化學實驗平臺的使用,讓學生僅受到“虛假傷害”,避免了真實傷害。操作上的失誤以及系統的提醒,不僅可以提高學生安全意識,也讓學生切實“感受”到誤操作的危害,從而降低真實操作時會產生的安全隱患。實驗前的虛擬操作體驗、實驗過程的反復鍛煉以及系統反饋的注意事項,使學生實驗操作能力逐步提高。

結語

虛擬現實技術作為一項前沿技術,正極大地改變著傳統教學方式。將虛擬現實技術應用于中職化學教學,不僅促進教師高效完成教學任務,還開闊了學生視野,增強學生學習體驗,強化學生學習主動性,讓學生形成積極的學習態度。未來,中職化學教學應用虛擬現實技術的研究也將更加深入,更多學者不斷完善虛擬化學教學功能,為學生提供豐富的學習形式,提高中職化學教學質量。