借助虛擬現實技術開展高中化學實驗教學的探究

［摘 要］通過引入虛擬現實技術，高中化學實驗教學得以突破傳統模式的限制，賦予學生更安全、更直觀、更具互動性的學習體驗。教學實踐表明，虛擬現實技術在實驗教學中顯著提升了學生的學習興趣與參與度，同時深化了學生對化學概念及實驗步驟的理解與掌握，有利于培養學生的科學素養和創新實踐能力。文章分析了借助虛擬現實技術開展高中化學實驗教學的意義，闡述了虛擬現實技術在高中化學實驗教學中的應用途徑。

［關鍵詞］虛擬現實技術；高中化學；實驗教學

［中圖分類號］ G633.8 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-6058（2024）26-0067-03

隨著技術的飛速發展，虛擬現實技術（VR）作為一種創新且充滿可能性的教學手段，正逐步融入教育教學實踐當中。在高中階段，化學實驗教學是培養學生科學素養和實驗技能的關鍵環節，迫切需要引入新穎的教學理念以滿足當代學生的學習需求。本文旨在探索依托虛擬現實技術開展高中化學實驗教學的價值及其應用途徑，通過虛擬現實技術提供的沉浸式體驗、真實實驗場景再現以及探究式學習功能，以期為高中化學實驗教學帶來新的突破，增強學生的學習動力和操作能力，從而為培育創新型人才奠定堅實基礎。

一、虛擬現實技術應用概述

虛擬現實技術在基礎教育中的應用正逐漸普及并深化。該技術通過創建逼真的三維虛擬環境，為學生提供了一種全新的、沉浸式的學習體驗。在基礎教育階段，虛擬現實技術被廣泛應用于多學科教學中，尤其對于那些難以通過傳統教學方式呈現或理解的抽象概念、復雜實驗和科學現象，虛擬現實技術能夠形象生動地展現出來，幫助學生更好地理解和掌握。此外，虛擬現實技術還能夠激發學生的學習興趣和積極性，提升他們的自主學習能力和創新思維，為基礎教育的改革與創新提供有力的技術支持。

二、虛擬現實技術應用于高中化學教學的意義

（一）提升實驗安全性

虛擬現實技術以其獨特的優勢，為高中化學實驗教學構筑起一道堅實的安全屏障。以“鈉與水的反應”實驗為例，在真實環境中進行時，由于金屬鈉的活潑性極高，與水反應極為劇烈，稍有不慎就可能引發安全事故。因此，許多學生在進行實驗時都會心存顧慮，無法完全投入到實驗中。而在虛擬現實技術的幫助下，這個問題得到了有效解決。在虛擬空間中，學生可以自由地觀察鈉塊被投入水中后的劇烈反應，看它如何在水中翻騰跳躍，發出嘶嘶的聲響，并放出氫氣。整個實驗過程不僅栩栩如生，而且完全在安全可控的環境下進行，徹底消除了學生對實驗安全的擔憂。更重要的是，虛擬現實技術還允許學生對實驗進行反復模擬和練習，直到他們完全掌握實驗要領和金屬鈉的化學性質。這種既安全又高效的學習方式，不僅極大地提升了學生的學習效果，還進一步激發了他們對化學學科的學習興趣和探索熱情。因此，虛擬現實技術在提升高中化學實驗安全性方面發揮了不可替代的作用。

（二）增強學習互動性

通過運用虛擬現實技術，微觀世界被賦予了前所未有的直觀性和互動性。以“離子反應”這一章節為例，在傳統教學模式下，學生往往只能通過書本上的文字和圖片來想象離子之間的相互作用和反應過程，這無疑增加了理解的難度。而在虛擬現實技術的輔助下，學生可以在虛擬環境中親手搭建離子模型，直觀地觀察正負離子如何相互吸引、排斥，以及它們在水溶液中如何發生反應生成新的化合物。這種沉浸式的互動學習方式，極大地提高了學生的課堂參與度，使他們從被動接受知識轉變為主動探索知識，讓原本抽象的離子反應知識變得生動具體、觸手可及。此外，虛擬現實技術還為學生提供了與虛擬環境中的離子實時互動的機會。學生可以通過調整離子的位置、濃度等參數來觀察離子反應的變化規律，從而更深入地理解離子反應的本質和影響因素。這種直觀且互動性強的學習方式，不僅激發了學生對化學反應本質的探索欲望，還培養了他們的實踐能力與創新思維。

（三）增強教學直觀性

在高中化學教學中，原子結構是一個抽象且難以理解的概念。傳統教學方法往往依賴于靜態的圖片和模型，難以讓學生真正領會原子內部的復雜結構和動態變化。而虛擬現實技術的應用為破解這一難題提供了全新的解決方案。借助虛擬現實技術，教師可以為學生構建一個三維立體的原子世界。在這個虛擬環境中，學生可以自由地進入原子內部，直觀感受并細致觀察原子核、電子云以及不同能級的電子排布。這種直觀、互動的學習方式讓學生能夠更加清晰地認識到原子結構的層次性和動態性。例如，在探索“原子軌道”這一概念時，虛擬現實技術可以呈現出電子在不同軌道上運動的真實場景。學生可以通過調整視角和觀察點，詳細觀察s、p、d等各類軌道的形狀、大小以及電子在這些軌道上的運動狀態。這種直觀的學習方式有助于學生更深入地理解原子軌道的概念和電子排布規律。此外，虛擬現實技術還可以模擬原子間的相互作用和化學反應過程。學生可以在虛擬環境中親手操作原子模型，觀察它們在反應過程中的動態變化和化學鍵的形成與斷裂。這種學習方式不僅增強了化學知識的直觀性，還讓學生有機會親身參與化學反應的探索過程，從而更深刻地理解化學反應的本質和原理。

三、借助虛擬現實技術開展高中化學實驗教學的途徑

（一）以虛助實，拓展化學實驗操作邊界

借助虛擬現實技術，教師可以有效地拓展高中化學實驗的操作邊界。在傳統實驗教學中，由于設備、安全和時間等方面的限制，許多實驗難以在課堂上充分展開。然而，通過構建虛擬實驗環境，學生得以在無風險、無限制的條件下進行各種復雜的實驗操作，如高溫高壓反應、微觀世界探索等。這種以虛助實的教學方式不僅豐富了實驗教學內容，還提升了學生的實踐能力和科學素養。

以“濃硫酸的強氧化性”實驗為例，在傳統化學實驗教學模式中，學生通常需要親自動手，使用濃硫酸、金屬等物質進行真實的化學反應實驗。這樣的實驗設計旨在讓學生通過親身實踐來觀察和了解濃硫酸的強氧化性及其在化學反應中的作用。然而，濃硫酸具有強烈的腐蝕性和氧化性，一旦操作不當，很容易導致學生受傷或設備損壞。同時，對于初學者而言，由于缺乏足夠的經驗和技巧，他們在操作過程中往往會遇到諸多困難。而借助先進的虛擬現實技術，教師可以為學生打造一個既安全又逼真的實驗學習環境。具體而言，教師可以利用虛擬現實技術構建一個高度仿真的虛擬實驗室，讓學生可以身臨其境地進行濃硫酸的強氧化性實驗，而無需擔心真實實驗中潛在的風險和意外。學生可以通過頭戴設備自由地觀察和探索虛擬世界，從而更加深入地理解濃硫酸的化學性質及其在化學反應中的表現。

通過引入虛擬現實技術來模擬真實實驗，不僅可以有效避免傳統實驗中存在的安全隱患和操作難題，還可以為學生提供更加逼真、高效、有趣的實驗學習體驗。

（二）交互探索，打造沉浸式實驗任務體驗

虛擬現實技術為高中化學實驗教學提供了全新的交互探索方式，從而打造出沉浸式的實驗任務體驗。在虛擬實驗環境中，學生不再是被動的觀察者，而是積極的參與者。他們可以通過手柄、頭盔等交互設備，親手操作虛擬實驗器材，觀察化學反應的每一個細節，甚至與虛擬世界中的分子、原子進行實時互動。這種沉浸式的交互探索方式極大地激發了學生的學習興趣和內在動力，促使他們在親身體驗中更深刻地理解化學原理，培養創新思維和實踐能力。

以“探索酸堿中和反應中的熱量變化”實驗為例，在教學實踐中，借助虛擬現實技術，教師可以為學生設計一個別開生面的沉浸式實驗任務，讓他們親身感受化學反應中熱量變化的奧妙。

1.實驗任務背景設定

教師設定一個具體的實驗任務：探索酸堿中和反應中的熱量變化。在這個任務中，學生將置身于一個虛擬的實驗室環境，里面擺放著各種實驗器材和試劑。

2.交互探索步驟詳解

（1）準備階段：學生戴上VR頭盔，手持VR手柄，進入虛擬實驗室。他們可以清晰地看到實驗指南和器材列表，從而對實驗有整體的認識。（2）選擇試劑與器材：借助VR手柄，學生能夠選擇所需的酸堿試劑以及測量熱量的實驗器材，如溫度計或熱量計。（3）混合試劑：在虛擬導師的引導下，學生將酸堿試劑按照一定比例混合。他們可以觀察到試劑混合瞬間的顏色變化、氣泡產生等直觀現1ad22a5354077aabf2ea17bf1668ca575eca71c635df4db98d73fff639fc0a0d象。（4）測量熱量變化：學生可以使用虛擬溫度計或熱量計，實時監測反應過程中的熱量變化。數據會以圖表或數字的形式直觀展示在VR界面中。（5）調整實驗條件：為了更深入地探索，學生可以調整試劑的濃度、溫度等實驗條件，觀察不同條件下熱量變化的規律。（6）記錄與分析：學生可以在虛擬實驗記錄本上記錄實驗數據，并結合理論知識進行分析。系統還提供智能分析功能，能夠幫助學生更好地理解實驗結果。

3.實驗任務亮點與意義

（1）安全性高：在虛擬環境中進行實驗，避免了真實實驗中潛在的安全風險。（2）交互性強：學生可以通過手柄與虛擬環境中的一切進行互動，提高了實驗的參與度和趣味性。（3）數據直觀：通過虛擬現實技術，熱量變化等抽象數據得以直觀展示，有助于學生更好地理解和掌握相關知識。（4）條件可調：在虛擬環境中，學生可以輕松調整實驗條件，拓寬科學探索的邊界。

通過這樣一個沉浸式實驗任務，學生不僅能夠深刻體驗到化學反應中的熱量變化，還能在交互探索中培養創新思維。

（三）虛實結合，促進化學知識的應用與遷移

通過虛擬現實技術與真實實驗的有機結合，教師可以有效地促進學生對化學知識的應用與遷移。虛擬實驗為學生提供了豐富的模擬場景和實驗條件，使他們能夠在多樣化的情境中探索和應用化學知識。而真實實驗則為學生提供了實際操作的機會，讓他們在實踐中驗證和鞏固虛擬實驗中所學的知識。這種虛實結合的教學方式有助于學生在不同情境間建立聯系，實現知識的靈活應用與遷移，從而提升他們解決問題的能力，培養他們的綜合素養。

以“探索鐵及其化合物間的轉化”實驗為例，學生借助虛擬現實技術進入了一個充滿奇幻色彩的虛擬世界。在這個世界中，他們仿佛置身于一個巨大的實驗室，周圍擺滿了各種各樣的鐵及其化合物試劑和實驗器材。他們可以自由地選擇試劑進行實驗，觀察鐵及其化合物在不同條件下的轉化過程。

通過虛擬現實技術的模擬實驗，學生親手操作了鐵的氧化、還原、沉淀等反應，目睹了反應過程中顏色的變化、氣體的釋放以及新物質的生成。這種直觀的實驗體驗讓學生對鐵及其化合物間的轉化規律有了更加深刻的認識和理解。學生開始明白鐵及其化合物間的相互轉化是如何影響鐵的性質和用途的，這種理解并非只停留在理論層面，而是融入了他們的實踐操作中。

當學生從虛擬實驗室回歸現實時，他們帶著豐富的感性認識和直觀經驗進入真實實驗室。在這里，他們運用之前所學的知識和虛擬實驗中的經驗進行了真實的實驗操作。他們根據實驗指導成功地驗證了鐵及其化合物間的轉化規律，不僅如此，他們還嘗試探索了不同的實驗條件和反應路徑對轉化過程的影響。

通過虛實結合的學習方式，學生實現了知識的有效遷移和應用。他們不僅掌握了鐵及其化合物間的轉化規律，還學會了如何運用所學知識解決實際問題。這種能力的培養，讓他們在未來的學習和工作中能夠更加自信地面對各種挑戰和問題。同時，這種學習方式為學生在化學領域的深入學習和探索打下了堅實的基礎。

總之，借助虛擬現實技術開展高中化學實驗教學的探究，不僅為學生帶來了身臨其境的學習體驗，還極大地豐富了教學內容與手段。虛擬現實技術打破了傳統實驗教學的限制，讓學生在安全、可控的環境中進行各種化學實驗的探究，從而更深入地理解化學原理與現象。這種創新的教學方式不僅激發了學生的學習興趣，還培養了學生的實踐能力和創新思維。隨著虛擬現實技術的不斷發展和完善，相信它將在高中化學實驗教學中發揮更加重要的作用。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 吳鋒.虛擬現實（VR）技術在中學高危化學實驗教學中的運用初探[J].化學教學，2020（6）：58-61.

[2] 張棟.VR技術在中學理科教學中的應用與開發策略[J].中小學數字化教學，2022（4）：84-87.

（責任編輯 羅 艷）