虚拟现实(VR)技术在中学高危化学 实验教学中的运用初探

吴锋

摘要： 虚拟现实（VR）技术是20世纪发展起来的一种仅次于互联网技术的重要技术，探索将虚拟现实技术运用于中学高危化学实验，解决目前实验教学过程中遇到的问题和困难，提高学生的学习效率。结合实际应用案例，从多个角度深入探讨虚拟现实技术在中学化学实验教学中的作用及意义，为虚拟现实技术在基础教育领域中的实际应用和未来发展提供参考。

关键词： 虚拟现实技术; 中学化学; 实验教学; 多媒体技术

文章编号： 10056629（2020）06005804  中图分类号： G633.8  文獻标识码： B

1 引言

化学实验教学作为中学化学课程中重要的基础部分，对学生理解化学反应原理，掌握实验操作过程，反思实验所得结果有重要的作用。当前的中学化学实验教学过程中，受师资力量、资源配置、危险系数等条件的限制，学生亲自动手的实验仅仅局限于一部分操作简单、试剂便宜以及危险系数较低的实验，例如焰色反应实验、酸碱中和滴定实验、萃取实验等。大部分涉及浓硫酸、浓硝酸、液态苯等危险化学品的实验主要由教师演示完成。部分重要的高危化学实验，仅使用观看视频或录像的方式进行教学，使学生缺乏主观感受，难以起到激发学习兴趣、锻炼动手能力的作用。为了解决教学需要和安全保障之间的矛盾，多媒体工具应运而生并在实验教学中得到不断发展。将现代化多媒体技术应用于教学，能够解决化学实验教学的许多问题[1]。

目前在教学过程中得到广泛应用的主流多媒体工具主要有Flash模拟实验室[2]和交互式智能电子白板[3]两种。Flash模拟实验室通过计算机建立一个虚拟的实验环境，且具有丰富的动画功能和强大的可交互性。学生只需要在一台普通电脑上通过操作鼠标就可以完成像真实实验一样从选择实验仪器、组装实验仪器、进行实验操作、获得实验结果的整个过程。交互式智能电子白板作为一种新兴的教学工具，将传统的可书写白板和智能投影机结合在一起，充分发挥两者的优势，为教师在课堂上进行演示实验提供了极大的便利，已经在各种实验教学课程中发挥了积极的作用。

上述多媒体工具在实验教学中虽然能够发挥重要的作用，却又无法解决全部问题。虽然Flash模拟实验室不接触任何化学药品，能够解决化学实验教学过程中的安全问题，但是仅通过鼠标的操作和屏幕的显示，不能充分锻炼学生的实际操作能力，且整个实验过程基本按照设计好的流程进行，与观看教学视频没有本质上的区别。交互式智能电子白板虽然使得教师演示实验十分便利，能够做到随机应变地处理问题，但是学生依然只是“旁观者”，没有直接参与实验过程，违背了实验教学的初衷。以上两种多媒体工具，没有在根本上解决学生实际动手操作不足的问题，不利于学生通过实验发现问题、提出问题、解决问题，学生的启发性思维得不到锻炼。所以，中学实验教学迫切需要一种安全性高、参与性强、能提升学生学习兴趣、锻炼实验操作能力、培养创新思维同时减轻教师教学负担的新工具。

2 VR技术简介

虚拟现实（Virtual Reality， VR）[4]技术，又称灵境技术，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术是一种集合仿真技术、通信技术、计算机技术于一体，由计算机和专用显示设备创造出来的与真实世界相似的模拟环境[5]。通过摄像机、陀螺仪、加速度计等多种传感设备感知环境的变化（例如头的转动和手的运动），同时通过VR眼镜、耳机和传感手套等一系列视觉、听觉以及触觉传感设施向使用者实时、直观、自然地反馈各种变化，使使用者在虚拟环境中获得与现实世界相同的感知。VR技术已经在多个领域发挥了重要作用，将VR技术应用于教育领域，可以为学生创建一个生动逼真的实验环境，丰富学生的想象力，激发他们的学习兴趣和学习热情，有助于学生掌握教学中的重点和难点，锻炼基本技能，提高学习效率[6]。

如果利用VR技术创建化学实验室，进行高危化学实验的教学，就可以避免前面提到的各种问题。学生穿戴智能体感设备后，就会置身于一个虚拟的化学实验室中，化学实验室内存放着各种各样的实验仪器和实验药品，学生通过身体的动作拿起或放下需要的物品，完成实验仪器的选择和组装，进行实验的操作并获得相应的实验结果。与Flash模拟实验室全部使用鼠标操作不同，在VR化学实验室中学生能获得和真实实验室操作实验仪器一样的感受，却又不存在和现实世界一样的危险，能充分锻炼学生的动手操作能力，并且会为使用者的错误操作做出反馈，例如烧杯掉在地上会破碎，酒精灯使用不当会起火甚至爆炸，浓硫酸滴落到地面上会产生腐蚀效果，这种视觉、听觉和触觉上的多重刺激，更有利于学生对所学习的知识产生深刻的印象，达到和真实实验一样的效果。同时实验的内容完全不受时间与空间的限制，实验者可跨地域进行实验，甚至多个实验者可以在不同地域协同完成实验，更有利于教师对学生实验过程的监督和指导。

3 VR技术在中学高危化学实验教学中的运用案例分析

2017年12月22日，世界上第一个在线互动式VR理化生实验室在华中师范大学第一附属中学初中部正式建立，这标志着VR实验室在中国基础教育领域中正式投入使用[7]。该实验室采用戴尔MX虚拟现实头戴显示设备和多人联机互动技术，可以实现1位教师和30名学生的实时联机互动，在接近真实的虚拟学习环境中让学生独立操作和完成实验。在VR实验室中，教师可以为学生提供实验设备、进行实验演示并监督实验活动，学生可以观察教师和其他学生的实验过程，并自行完成实验。实验设备可以在不受限制的情况下重复使用，让学生充分体验到燃烧、腐蚀等实验效果并消除潜在的安全风险。以九年级上学期化学课程中“测定空气中氧气的含量”实验为例，该实验利用红磷与氧气发生反应来消耗氧气进而粗略测量空气中的氧气含量，由于红磷在燃烧过程中会产生有毒并具有刺激性气味的五氧化二磷烟雾，对学生健康有害。在VR实验室中进行该实验就可以有效地解决这个问题，利用VR技术逼真地复原实验场景和测试步骤，学生可在虚拟场景中组装实验仪器，检查实验装置气密性，完成燃烧实验，获得实验结果。并且在虚拟实验的整个过程中，系统语音会提醒操作人员以标准的方式进行各种实验操作，帮助学生以规范的操作完成整个实验，培养严谨的科学态度[8]。

对于VR的实际效果，研究发现通过VR技术教学对学生所学知识的短期和长期保留度都有明显的提升。在相同时间和不同内容方式的教学后立即进行的测试中，接受VR方式教学的学生，其测试平均成绩比接受传统方式教学的学生高出27.4%;而在经过两周不同方式的教学后，前者的测试平均成绩比后者的高出32.4%[9]。在另一项测试中，相同的学生在观看VR实验演示和现场实验演示后，有88%的学生能够回忆出VR演示的内容，只有48%的学生能够回忆出现场演示的内容[10]。调查结果说明，VR技术对提升学生学习效率具有明显的作用。

4 VR技术在化学实验教学中的意义

虚拟仿真实验是未来学生获取知识的一种重要的手段和方法，也是未来教育发展的一个方向，将VR技术应用于化学实验教学中，具有以下重要意义。

4.1 保障实验教学的安全

教学安全是悬在教师、学校乃至社会头顶的一把利剑，学校安全已经成为社会高度关注的问题。一旦发生教学安全事故，将产生不可估量的后果。化学实验教学无法避免地需要接触到强酸、强碱、有毒有害腐蚀品等，在教学过程中极易出现安全事故。VR实验室可以很好地解决安全性问题，在虚拟的实验环境中，由于不直接接触危险化学药品，不会对身体产生任何损害，即使发生操作失误，也不会产生实际的危险，逼真的错误反馈还能促使学生规范地进行实验操作，进一步降低安全风险的同时培养学生严谨的科学态度。

4.2 提高学生主动参与意识

在教学过程中，通过充分发挥学生的主体参与行为，能提高学生的主动参与意识，激发学习驱动力，让学生成为学习的主人。不同于传统的多媒体教学手段学生只有视觉和听觉上的感受，VR强大的临场参与感将使学生受到视觉、听觉和触觉上的多重刺激，获得“身临其境”的感受，更有利于学生对所学习的知识产生深刻的印象。同时依靠计算机硬件强大的处理能力，VR能够实时地对学生的操作做出反馈，激发学生的探索欲望，增加学习兴趣，提高学习效率。

4.3 培养学生创新思维

创新思维是一种高级的人类思维活动，也是一种重要的发现、获取和运用知识的能力。将VR技术应用于教学过程中，能够促使课堂教学手段向更加科学化、高效化的方向发展，同时有利于开展互动式、启发式教学，开扩学生眼界，培养学生创新思维。借助VR技术，把学生从对文字、符号、公式的单一空间性理解中解放出来，将知识转化为逼真的“现实”体验[11]。同时，VR技术强大的可交互性和开放性，允许学生按照自己的设想设计实验、验证实验，让学生在没有约束的环境中相互合作、自主创新，发现有价值的科学现象，思考现象背后的科学真理，领悟教科书上学不到的科学知识，促进学生由被动式学习向主动式学习发展，使学生的独立思考能力、实验实践能力、创新思维能力得到全方位的锻炼和提高。

4.4 改变传统教学理念

将VR技术应用于教学过程中，有利于改变原有的教师灌输、学生接受的学习方式，实现教学目标、教学内容和教学方法的调整。教师可以结合教学内容建构有关联性的虚拟场景，引导学生自主合作进行探究。教学的内容也不再是一成不变，而是围绕一个主题不断发展，不断演化，让学生结合已知现象和事实推导未知内容，探索事物的发展变化规律，培养学生的科学钻研态度和独立创新精神。VR技术的应用对减轻教师负担也有重要作用，在VR实验室中教师不再需要时刻监督、参与学生的实验，只需要起组织、指导的作用，在时间安排上，更多地是学生自主性、探索性的学习。并且能够改变以教师为中心的传统教学理念，教师的身份不再是传统的知识传授者，而是学生学习过程中的组织者、参与者、促进者，对学生创新精神和实践能力的培养较为有利。

5 结论

VR技术被看作是仅次于互联网技术而且具有改变当今世界未来发展方向的巨大潜力的重要技术，一经推广应用就向世人展示了诱人的发展前景。将VR技术运用在化学实验教学过程中，能够使学生在不需要教师监督以及接触危险化学品的同时模拟进行高危化学实验，在保证人身安全的前提下提高学习效率，同时有利于学生创新思维的培养以及教师传统教学理念的转变，达到素质教育的目的。尽管现阶段VR技术仍在不断升级、改进，相应的硬件设备还比较昂贵，VR技术尚未在教育领域中被广泛使用，仅有少数学校在教学上进行过尝试。但是随着VR技术相关的软硬件设备不断发展和完善，以及成本的不断降低，其在基础教育领域中的巨大优势和发展潜力会被更多的教育工作者重视和青睐。VR作为一个新型的教学技术和手段，必将在信息时代的教育教学进程中发挥重要作用[12]。

参考文献：

[1] 刘四春. 化学实验教学与多媒体的相互融合[J]. 学子（理论版）， 2014， （3S）： 16.

[2] 王飞. 基于Flash的初中化学虚拟实验课件的交互功能设计[J]. 中小学信息技术教育， 2010， （9）： 91～92.

[3] 周优丽. 交互式电子白板在高中化学教学中的运用探讨[J]. 中国教育技术装备， 2014， （23）： 17～18.

[4] 赵沁平. 虚拟现实综述[J]. 中国科学（F辑： 信息科学）， 2009， 39（1）： 2.

[5] 赵蔚， 段红. 虚拟现实软件研究[J]. 计算机技术与发展， 2012， 22（2）： 229～233.

[6] 王洪兴. 虚拟现实技术在高等职业教育中的应用探讨[J]. 中国教育技术装备， 2011， （30）： 132～133.

[7] 和思易. 全球首家多人联机交互式VR实验室落地武汉[OL]. http：//www.hesiyivr.com/main/108/detail.html， 20171225.

[8] 杨国红， 李鼎盛. VR理化生实验室： 让学生做到知行合一[J]. 中小学数字化教学， 2018， 5（2）： 79～80.

[9] Jang Hee Lee， Olga A. Shvetsova. The Impact of VR Application on Students Competency Development： A Comparative Study of Regular and VR Engineering Classes with Similar Competency Scopes [J]. Sustainability， 2019， （11）： 2221～2247.

[10] T. Nadan， V. N. Alexandrov， R. Jamieson and K. A. Watson. Is Virtual Reality a Memorable Experience in an Educational Context [J]. Researchgate， 2011， 6（1）： 53～57.

[11] 朱斌， 曹漫祥. VR技術及其在现代教学中的应用[J]. 中国教育信息化， 2007， （9）： 63～65.

[12] 荣梓任. 虚拟现实技术在教育领域中的应用[J]. 企业技术开发旬刊， 2015， （10）： 58～59.