虚拟现实技术在高中化学实验教学领域的设计与应用

王保安 苏丹 李亚利 吴燕

（亳州市第三完全中学，安徽 亳州 236800）

化学是一门以实验为基础的学科，化学核心素养是化学学科育人价值的集中体现，对培养学生未来融入社会所需的必备品格和关键能力有着重要影响。虚拟现实技术基于化学特点，通过营造自主学习的虚拟环境，让学生在虚拟环境中与虚拟对象以各种方式产生交互，帮助学生感知、获得、加工处理虚拟环境中的信息，弥补了传统“离身”教学方式中出现的学生主体性失落、课堂教学程式化、工具化、形式化以及学生核心素养培养困难等不足，有力地促进了学生化学核心素养的发展。

一、虚拟现实技术概述

我们所熟知的VR 技术，虽然出现时间不长，但是其应用领域却日益广泛，不仅影视娱乐、医学领域会应用到VR 技术，与此同时，VR 技术在教育领域中的应用也日益普遍。通过将VR 技术引入教育领域中，能够通过模拟真实的环境，促使学生对环境能够具有较强的沉浸感，学生能够在真实的情境中学习。VR 技术有几个重要特征，具体如下：首先，VR 技术具有较强的沉浸性特征。借助虚拟现实场景，用户仿佛置身于一个真实的世界，不仅能够感受到触觉、味觉、嗅觉以及运动方面的感官刺激，与此同时，还能促使用户主动在虚拟的现实世界中沉寂，用户能够获得真实的活动体验，进而在真实的情境中完成相应的活动任务。其次，VR 技术具有较强的交互性特点。用户身处于虚拟的空间之中，当触碰到相关的物体的时候，希望能够产生真实的感知体验。与此同时，用户在活动的过程中做出的某一个动作则往往也会使所触碰到的物体的状态以及位置发生变化，具有较强的交互性特点。最后，VR 技术具有多感知性特点。通过使用VR技术，能够使人的多项感知能力得到有效激活，其范围不仅包含上文中提到的嗅觉、味觉以及触觉，同时也包含系统运动感知以及听觉感知，而伴随着相关技术的逐渐成熟，VR 技术的多感知性丰富程度也在逐渐提升，其应用范围也会越来越广泛。

二、虚拟现实技术应用于化学实验的必要性和优势

（一）必要性

将虚拟现实技术应用到中学化学实验是课程改革的要求，在中国现行的《化学考试大纲说明》中，就写了要求学生通过化学学习和化学实验掌握分析问题的过程和成果，然后能够用准确的术语进行文字、模型和图表的分析和处理的能力。其中尤其强调了模型和模型方法这种科学思维方式和认识手段，能够帮助学生理解一些抽象的化学概念或者分析一些化学现象，除此之外，通过模型法还能够描述一些化学事实和对一些实验进行科学预测，在学生的学习过程中尤为重要。其次，将虚拟现实技术应用于中学化学实验是信息化教学发展的要求。随着国家信息化水平的不断提升，信息技术已经普遍运用于各个领域行业其中就包括教育领域，因为传统的教育模式已经满足不了新时期对教学效果的要求和期望，只有将新的信息技术应用到教学中才能适应学生的时代感和提高教学效率。并且随着学校规模的扩大导致了学生数量的大幅增加，传统的实验器材已经不能够满足激增的学生数量，实验器材的缺失必然会影响学生学习化学的兴趣和效率。因此，虚拟现实技术应用于化学实验是时代发展的趋势。

（二）优势

1.具有可重复性，提高实验效率。利用虚拟现实技术学生可以通过计算机对化学实验进行操作，熟悉实验基本步骤和注意事项，为后期进行实践时间时打下基础和避免一些操作失误，从而延长实验器材的使用寿命。在化学实验中具体实施虚拟现实技术，可以利用计算机程序对学生的模拟实验步骤和过程进行考核，当学生对实验的掌握达到一定程度时，通过模拟实验也能引发学生对实验的思考，结合模拟和具体实验能够过化学实验有更深的了解和认识。

2.增强实验操作体验，节约资源。化学实验是一个过程体验感极高的过程，通过每个步骤都能发生肉眼可见的化学变化和现象，微弱的操作变化都能够影响最终的化学现象，但是如果想要看到这些微弱的变化和差别，用真实的实验仪器是极其浪费的，而且付出的成本和回报是不成正比的。但是通过模拟现实技术，这个过程能够在计算机上被实现，不受到实验室时间、空间和物品数量上的限制，并且能够进行多次实验，如果学生一次不能感受到化学变化的过程，在现实实验中老师也是不会为了个别学生再重复进行一个实验的，但是使用计算机模拟实验就可以重复进行许多次。同时，虚拟实验可以让学生能够直观了解实验器材的组建和现象，当实验过程发生变化或者由于学生对实验学习掌握的不全面导致某些实验步骤没有正确进行，那么在现实实验中是极有可能造成实验失误导致学生有现实危险，但是在计算机上进行模拟操作就可以避免这些实验风险，同时提醒学生注意实验安全，能更有效地提高学生对实验的学习效果。

三、高中化学实验教学中影响学生实验教学的因素

（一）教师对高中化学实验的重视程度不高

相比传统的教学理念而言，新课改对学生探究能力和思维能力培养的重视程度得到了明显提升。尽管如此，仍有很大一部分教师还是坚守应试教育理念，十分重视学生的卷面分数。再加上化学实验教学耗时比较长，而初中化学教学时间有限，为了达到“舍远求近”的目的，有不少教师减少了学生动手操作的机会，亲自动手演示，要求学生对实验步骤和现象进行记忆。甚至还有少部分教师直接利用多媒体为学生展示实验，通过“云实验”的方式进行实验教学。无论是哪种教学方式，都严重违背了化学学科科学性、探究性的本质，造成学生科学探究意识和能力无法得到有效发展。

（二）学生的学习动力和自控力有所欠缺

新课改下，自主学习、思考和探究的学习形式都到了大力提倡，有些教师也积极响应新课改的要求，给予学生充足的自主学习探究的时间和空间，但是最终的教学效果并不明显。一方面是教师忽略了自身的引导作用，没有及时给予学生正确合理的引导，导致学生无法顺利地完成科学探究。另一方面是学生自身学习动力和自控力不足导致的，正处于荷尔蒙急速增长的时期，外界对其有着不可抗拒的吸引力，很容易在外界的左右下，出现各种不良学习行为。再加上他们自控能力差，不善于进行自我管理，学习态度消极等不良现象，这些因素都给高中实验教学的效果造成了恶劣影响，从而阻碍了学生科学探究能力的发展。

四、虚拟现实技术在职业院校实训教学中的应用分析

（一）形象认识物质微观结构，培养学生微观辨析与模型认知能力

选择性必修课程“物质结构与性质”侧重从物质结构、微粒间不同作用力的微观角度分析物质性质，促进学生深入探析物质微观结构与物质性质的关系。相关理论与模型的学习能够丰富对物质构成规律的认识，提升学生根据认知模型进行理论推测，分析物质结构与性质的能力。以“分子的立体构型”教学为例，课程标准要求学生能够结合实例认识特定分子的空间结构，运用价层电子对互斥理论、杂化轨道等理论与模型解释、预测特定共价分子的空间结构，这需要学生具有较强的空间想象能力、抽象思维能力与模型认知能力。传统化学教学中教师普遍选择利用图片展示和球棍实物模型演示的方式帮助学生获得感性体验从而达到教学目的。在课堂教学效率方面，采用启发讲授式教学需要教师花费大量时间进行理论推导，重复讲解抽象知识、分析共价分子空间构型;采用探究式教学提供球棍模型让学生自己推测分析的空间结构费时较多，且学生对于分子的空间结构依然停留在二维或三维的认识水平，两种教学方式课堂效率较低。

（二）预演实验方案，发展学生科学探究能力与创新意识

在进行氯元素及其化合物教学中，由于氯气有毒危害较大，出于师生安全的考虑教师往往采用视频、图片、板书以及口述的方式代替实际的实验操作。学生对氯气性质的探究性学习也被记忆化学方程式和实验现象的机械学习取代，学生缺乏对化学实验现象的感性认知，不利于科学探究能力的发展。一些教师虽然在课堂通过演示实验帮助学生从实验现象认识氯气的相关性质，但对学生观察实验时发现的新问题，通常采取“忽视”或直接讲授解答学生疑惑的方式处理。实验教学中无法给学生实验探究的条件，只是让学生课后改进设计环保型的实验方案，改进方案得不到验证，科学探究素养的培养流于形式。利用金华科NOBOOK 仿真化学实验室不仅可以为师生创设安全、绿色的虚拟化学实验环境，还可以给学生提供自主学习的条件。学生可以在课前认识实验操作需要用到的试剂与仪器，对即将学习的化学实验进行预演、分析与总结。课后反复演练实验，反思总结实验装置与操作的不足，探究性地改进并验证实验方案。这不仅激发了学生化学学习兴趣，加深了对实验操作与实验原理的理解，提高了分析问题、解决问题与合作学习的能力，也使学生科学探究能力与创新意识的发展落到实处。

五、虚拟现实技术在高中化学实验的发展策略

（一）虚拟实验和传统实验有机结合

虚拟和传统化学实验两者各有优势，它们不是对立的关系，传统实验不能完全被虚拟化学实验所取代，同时也不能只做传统的化学实验，应该将两者有机结合，相互补充，达到一加一大于二的效果。例如，有些设计类综合实验比较复杂，我们可以首先通过虚拟实验模拟验证实验是否可行，可行后在通过传统实验进一步深入展开，这既节约了时间和成本，又提高了实验效率。

（二）虚拟化学实验教学资源共享

当前虚拟化学实验的发展还不完善，在绝大部分院校中的规模较小，只是一种辅助教学的存在形式，在软件开发和教学资源方面，虚拟化学实验有很大的局限性。因此，将多个院校的教育资源进行整合，建设高校间的协作研究虚拟实验室，可以节约资源，促进虚拟实验系统的快速发展。

结束语：综上所述，学校在实际组织化学教学活动的过程中，要想真正实现教学质量以及教学效率的有效提升，还需要对传统的教学方法进行更新，教学中要合理应用新技术，使教学能够真正做到与时俱进，通过一些科学的、先进的、现代化教学方法的应用，为学生未来更好地适应工作岗位打下良好的基础。而从高中实训教学的角度来讲，通过V R技术的应用，不仅能够实现对真实工作场景的模拟，使学生在最接近于真实情境的环境中参与实践，还能使学生的学习热情以及学习积极性都得到有效激发。