虚拟技术在中学化学教学中的应用现状和前景分析

摘要：随着信息计算机技术的迅速发展，虚拟现实技术也在不断进步和发展中并广泛应用到各个领域中。虚拟实验也应用到中学教学环境中，成为深受教师和学生欢迎的新型教育手段。本文对虚拟技术进行了介绍，并对虚拟实验技术在中学化学实验教学中的实际应用和意义进行了相关研究。

关键词：虚拟实验；中学化学；实验教学

一、 高中化学实验教学现状

化学是一门以实验为基础的自然学科，中学阶段的化学课程以科学探究为主要教学方式。目前，中学化学实验教学遇到的问题主要有：

（1）由于难操作、危险、实验周期长、实验结果不明显等问题，在实际教学中有些实验无法让学生进行实际操作。

（2）由于受到中学升学考试压力、实际教学课时的制约，以及对实验教学的重视度不够，造成对学生实验操作技能的培养不够。

（3）有的教师缺乏教学技能的更新，在教学模式的选择上比较单一，对实验的教学主要以讲授法进行。不能激发学生的学习兴趣和学习主动性，使实验教学效果大打折扣。

（4）有些偏远地区的实验室设备陈旧且数量不足，可操作的实验数量和规模有限。

二、 什么是虚拟技术

虚拟现实技术（VR：Virtual Reality）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它是利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。也就是说，我们用计算机技术模拟一个虚拟的世界，再借助外部的设备与虚拟世界的互动，让人感觉就像在真实世界一样。现在，虚拟技术的应用主要有：

VR+教育：K12教育、VR教学实训软件、大型企业的内部培训。

VR+制造业：汽车、飞机、动车、机械等的辅助设计。

VR+医疗：虚拟手术训练、远程会诊、手术规划及导航、远程协作手术。

VR+房地产：样板房体验等。

“VR+”将会是一个“互联网+”，VR几乎是无所不能，那么在教育领域，虚拟现实技术同样具有广泛的作用和影响。

三、 虚拟技术在化学实验教学中的优势

在虚拟教学模式中，学生在虚拟场景中进行探究实验，相当于是自主学习，并且学习的过程不受时空限制，学习过程是由学生在自主参与过程中通过意义建构产生的，教师在整个过程中承担的作用只是引导者、学生意义构建过程中的帮助者和刺激者。在此教学过程中，传统教学模式的固有顺序被打破，产生了“基于VR的课堂教学模式”，如图1所示。

图1基于VR的课堂教学模式

在基于VR的课堂教学模式中，教学过程和学习环境都是非线性的，学习者可以在VR系统中随时随地、没有先后顺序的获取知识，教师也同样如此。教师在VR教学系统中的教学呈现也不止微课、慕课这样的简单二维呈现，还可以进行虚拟教学呈现。虚拟技术的在教学中的优势主要有：

（一） 临场性

学生可以感觉到自己正处于虚拟环境中，觉得自己是该环境的一部分，而不是旁观者。这种临场性也可以通过运用交互设备把学生的听觉、视觉等其他感觉暂时封闭起来，使他与真实环境隔离、集中注意力，全身心地投入到学习任务中去。

（二） 自主性

在虚拟教学模式中，学生可以自主选择学习内容、学习信息资料。并且，对于经过一次学习没有掌握的知识、技能，还可以自己进行多次重复学习。真正使学生掌握学习的主动权，能提高学习效果，也减少了不必要的学习时间。

（三） 安全性

虚拟环境中学习比在现实环境中更安全，例如中学生可以进行危险的化学实验，军事学生可以重演战争，消防队员可以扑灭火灾。并且，在这种虚拟环境中试验各种方案，即使闯下“大祸”，也不会引起任何实际“恶果”。

（四） 交互性

学生可以应用多种交互手段，如语言、手势、数据手套等与虚拟环境进行交流，并得到反馈。这一特点使学生与物体、与事件、与其他人之间的双向实时反馈，在远程状态下成为可能，就像面对面交流一样。

四、 虚拟教学在中学化学实验教学中的应用举例

虚拟技术在国内的研究和应用正处于一个上升期，在航天技术、医疗、建筑、设计、电子电路等教学中均有应用。目前，国内有代表性的虚拟化学实验室主要有：浙江大学有机化学虚拟实验室、金华科仿真化学实验室、东师理想初中化学虚拟仿真实验室软件。有很多教师和研究者也在实际教学中进行了虚拟技术应用的研究。

徐心语，基于Java3D平台，进行了3D虚拟的钠溶于水的化学实验，平台中所用到的仪器、药品、实验过程的声音、形态、颜色变化和实验最终结果。实验者可以用鼠标进行实验的每一步操作，并观察出清晰准确的反应结果，实验者能顺利完成钠溶于水的实验并把钠溶于水的“浮、溶、响、动、红”的现象模拟出来。

高中化学选修3《物质的结构与性质》的内容具有内容抽象、难度大的特点，导致很多学生对此部分的学习非常没有兴趣。对于这种需要空间想象能力的内容，虚拟技术就能很好地展现其作用了。张洁利用虚拟技术建立了化学实验室三维分子模型，可直观显示物质的H维空间结构的比例模型、球棍模型、字符模型、平面模型等多种模型。

在传统教学模式中，验证性实验通常采用“告诉—验证—应用”的教学模式，即学生通过已经设计好的实验来验证已经知道结果的性质或者化学结构。但实际上，清楚一个过程是如何发生的比发现结果更重要。王查利利用虚拟实验构成了新型验证性实验教学模式，即“情境—验证—比较—概括—应用”。教师在实验之前将实验目标、实验原理呈献给学生，学生在目标的指引下努力完成实验内容，最后教师通过查阅实验过程和学生的实验结论来综合评价此次实验。

五、 虚拟技术对中学化学教学的意义

（一） 在中學化学教学中使用虚拟技术能提高学生自我学习的能力

在现实实验教学中，学生需要通过教材来了解实验内容。而在虚拟实验系统中，教师可以提前将实验内容、要求及习题上传到系统。学生可以根据实验要求选择所需的仿真仪器、药品，并能将实验过程中遇到的问题记录上传至系统，教师做出解答。这样，学生的学习就由被动变为主动，提高学习兴趣的同时也发挥了学生主动学习的意识，自主学习能力显著提高。

（二） 在中学化学教学中使用虚拟技术能加深学生对理论教学所学知识的理解

化学是一门以实验为依托的课程，在高中必修1和必修2的课程中，我们都是通过实验现象来让学生得到一个直观认识，再通过推广、总结得出相应理论知识。但在实际实验教学中，出于课时安排、场地、安全性等考虑，有些实验无法实施，学生对于相关理论的理解也就不会那么通透，影响了实际教学效果。而虚拟技术解决了上述问题，使几乎所有实验都可以进行，并可以边讲边做，有效提高了学生对理论知识的理解和应用。

（三） 在中学化学教学中使用虚拟技术能丰富教学内容，提高学生的实验探究能力

在中学化学教学阶段，探究實验、工艺流程图是试卷中的常考题目。但在实际上，在中学化学实验室，我们很难进行相关实验，使场景重现。虚拟技术恰恰可以满足我们的需要。我们可以在虚拟实验系统将题目中的场景重现，使学生了解实际工业操作中需要考虑的问题；也可以让学生自行设计探究实验，理解设计实验过程中需要考虑的试剂选择、用量、环保问题及空白对照等方面。学生通过反复的模拟练习、处理数据，也就提高了实验探究能力。

六、 结语

虚拟技术实现了计算机网络技术在中学化学中应用，具有临场性、交互性、安全性的特点，能够提高学生的自学能力、实验探究能力，是一种很好的辅助教学手段。随着计算机网络技术以及虚拟化学实验技术的发展和完善，虚拟技术势必会越来越受到教育工作者的青睐。但是，要使其在中学实验教学中充分发挥其辅助教学作用，必须要注意与传统化学实验的有效结合。另外，教育部门要加强对软件的开发和教师技术方面的培训，以便虚拟技术在中学实验教学中得到广泛应用。

参考文献：

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作者简介：

孙芳，中学一级，广东省广州市，广东第二师范学院番禺附属中学。