虚拟现实技术在高中化学教学中的应用

吴 燕

（亳州市第三完全中学 安徽亳州 236807）

从学科分类上来说，化学属于理科。对于高中生来说，这门学科涉及很多复杂的概念，并不那么容易理解。同时，高中阶段的化学教学活动中涉及许多实验活动，而这类活动的开展不光涉及各种复杂知识、化学技能等方面，还存在着安全保障的问题，而传统的高中化学教育往往不能在很大程度上“自由发挥”，而是受到各种现实因素限制，使得学生的学习效果受到影响。若在开展高中化学教学时，借助虚拟现实技术的支持，就有可能改变现状，让教学活动发挥更大的作用。学生们在仿真交互环境中参与各种实验过程，不光安全上更有保证，同时学习操作的体验也会更好，从而产生更大的学习热情。从整体上来说，虚拟现实技术的融入，会给高中化学教学整体水平的提升带来很大的空间，因此，有关人员应当在这方面多进行探索和实践[1]。

一、虚拟现实概念解读

虚拟现实（VR）是在上个世纪形成的一种创新而实用的技术内容，其中整合了多个领域的技术，如计算机以及电子信息，仿真技术等主要利用计算机来完成虚拟化的现实环境模拟，让人们获得环境交互感，并且沉浸其中。该技术对现实生活中各类数据加以运用，并通过计算机领域电子信号的作用让它同设备相结合，之后它就会转化为人类可以感知的现象，所以虚拟现实主要是计算机基础之上形成的一类“真实”的情境。它允许用户在数字环境中执行动作，同时感觉自己沉浸在物理环境中。虚拟现实的目的是让参与者体验及操纵环境，就仿佛置身真实世界一样。就虚拟现实体验所包含的内容来说，它并没有具体的标准，因此虚拟现实的模式也不是固定的，不过它有一些所遵循的公认的准则，那就是环境必须由根据用户的视角呈现，并且由同现实中大小一致的图像所构成。同时，运行虚拟环境的系统必须能够跟踪用户的运动，尤其是眼睛和头部的运动，以便对显示器上的图像做出反应和更改，或启动相关事件。

简而言之，虚拟现实环境是通过计算机基础上建立起的感官刺激来形成各种体验。当时代不断前进，更多的人在虚拟现实技术构筑起来虚拟化环境中获得真切的体验，并开始认识到虚拟现实技术所蕴含的巨大能量。随着技术的不断进步，虚拟现实有望在更多的领域和方面发挥重要的技术作用。目前，传统教学方式已不能够满足学生高效学习的需求，而且也不能很好地激发他们的学习欲望。虚拟现实的深度运用能够让学生在学习教育活动中获得更多的可能性。这类技术的融入打破了常规的教育模式，并有望将教育活动扩展到课堂之外。因此，越来越多的教育工作者正通过将虚拟现实引入课堂，让学生通过沉浸式学习等更加丰富多彩的学习活动来实现更高的教学效率[2]。

二、高中化学教学活动应用虚拟现实技术的价值与挑战分析

如今，虚拟现实技术正在帮助人们实现对各类事物的探索活动，从人体的微观世界到太阳系的遥远边缘，融入真实感的虚拟现实借由生动的动画、物理手段、空间音频等将体验带入学习者的生活。例如，英特尔公司就同合作伙伴合作开发出支持虚拟现实技术基础上的教育集成解决方案，利用强大的教室硬件为学生打造更加独特的学习体验。英特尔还同美国艺术博物馆合作，让观众有机会通过相关的展览活动以虚拟的方式实地考察世界上其他地方的一些艺术精品，因此，虚拟现实技术不仅帮助人们更好地掌握复杂的科学概念，还为更多的人打开了文化体验的大门。

随着虚拟现实技术日益向前发展，国内教育工作者亦开始关注到该技术所具有的独特优势，并且将其视为能够给教育活动以及教育发展带来强大支持的创新性教学思路。虚拟现实技术已被证明能切实提高学生的学习效果和考试成绩。在北京地区曾经开展的一项研究中，选择一组学生使用虚拟现实的方式进行学习，而另一组学生则通过传统教学方法进行学习，结果发现，VR组学生的平均得分明显高于对照组，而后续的随访测试活动中依然获得了同样的结果。通过观察，我们能够发现，传统高中化学教育活动中，教师所采取的教学方式往往是灌输型的，不利于学生接受知识，也不容易激发出他们的学习热情，当虚拟现实技术开始得到广泛的发展与应用，高中化学教学拥有了进一步走向现代化的机会：若能善用虚拟现实技术，借其开发更具有真实性的教学场景，就可以显著提高教学水平，让化学教育呈现出崭新的图景。

1.高中化学教学活动应用虚拟现实技术的价值

首先，在开展高中化学教学特别是实验教学活动的时候，教师可以以虚拟现实技术为基础，打造虚拟实验室环境。在这种环境中，学生能够通过仿真实验平台进行各种实验，并观看动画对实验过程进行的演示，从而学习其中应该怎么操作，有哪些步骤等。在这样的形式下，学生可以充分地以自主探索的方式展开学习，不光参与性更强，而且生动的学习体验也可以提高他们的学习热情和学习愿望。其次，高中阶段化学课程中涉及的一些化学实验内容往往存在一定的危险性，在过去，为了安全起见，化学教师一般会组织学生进行那些更加安全一些的实验活动，而导致学生没有机会参与到带有一定危险性的实验活动，从而在化学学习方面受到了限制，无法充分掌握各类知识点。而在虚拟现实技术的帮助下，学生就有机会参与到后一种类型的体验中去，而不必担心安全问题，这样就能够提高实验教学乃至整体化学教学的水平。

2.高中化学教学活动应用虚拟现实技术的挑战

目前，在高中化学教育活动中，已经有不少教师开始挖掘虚拟现实类技术的价值，并且获得了一定的成效，但他们在应用虚拟现实技术中也面临着一些问题。例如，要结合虚拟现实方面的技术开展教学活动，就必须用到相关的设备，让学生通过它们来获得交互体验，然而这类设备的成本往往是很高的，因此，此类教学活动意味着需要庞大的资金支持，但是很多学校没有办法拿出这么多资金，所以虚拟现实技术在高中化学教学中的应用与推广无法广泛进行下去。另外，由于实现虚拟化的实验等教学内容是基于对相关设备特别是计算机设备的特定操作来实现的，而学生在这方面的操作水平并不都是一样的。对于那些操作水平比较高的学生，能够获得良好的学习、交互体验，而若是那些操作水平不高的学生，就可能无法获得充分体验。除上述问题外，高中化学教师对于虚拟现实基础上的教学也不是十分熟悉，大部分老师还是更习惯于采用过去的教学、实验形式，短时间内不能完全转换教学思路和习惯。这也是现阶段高中化学教学活动应用虚拟现实技术所面临的一大挑战。

三、进一步做好虚拟现实技术在高中化学教学中应用的策略

从上面的分析可以看出，要更好地发挥虚拟现实技术在高中化学教学中的价值，还需要进一步对相关活动进行优化及改善，将结合了虚拟现实类技术的化学教学尤其是实验教学的水准进一步提升上来。

1.教学理念及交互能力的提升

在开展化学教学活动时，高中化学教师需要提高对于虚拟教学在教育活动中价值的认识，以及现阶段将其应用到现实的化学课堂教学中的一些挑战。目前，虚拟现实类技术已经在许多行业中得到了应用，不过正如前面所分析的，要让它在更大范围、更大规模上为高中化学课堂提供支持，还有一些问题需要解决。除了客观的资金的不足支持以及学生在设备操作方面的水平问题之外，教师方面也应当采取更多的措施加以改善。现阶段，教师在真实化交互环境构建方面能力还比较有限，导致高中生无法通过相关的操作学习获得很深刻的感悟与理解。所以，教师今后在教学中应当讲更多精力放在实验交互性的构建方面，特别是要增加更多的情感交流元素，充分利用智能技术以及协同技术的帮助来提高学生学习和实验的体验，从而真正让学生在相关活动中提高化学能力，尤其是实际操作能力。在开展教学活动的时候，高中化学教师还需要注意的是，不可以走入另一个极端，那就是将教学活动全部依赖于虚拟技术等相关技术上，而是应当找到传统教学同虚拟化教学的优势和契合点，将两者科学合理地融合在一起，发挥更大的协同效应，从而让教学水平的提升获得保证。

2.完善虚拟实验教学过程

对于那些不适合在现实中进行演示和操作的具有危险性的化学实验活动来说，利用虚拟现实基础上的实验活动不光规避了危险性，而且能够最大限度上保留实验操作的真实性，让学生将三维模型作为操作对象，并结合文字和声音的提示等实现沉浸式学习。而在打造虚拟现实技术基础之上的化学实验活动时，教师应当进一步完善相关的教学过程，以确保学生能够充分地投入其中，通过虚拟现实技术的帮助收获更多的化学知识与技能。

（1）课前准备活动

在开展此类实验教学之前，教师应当事先做好实验内容的安排布置，首先为学生设计预习性的学习活动，以让他们对于实验原理部分、实验所要达到的目的、相关的实验步骤、在实验过程中要用到哪些仪器设备等有一个大体上的了解，在此之后，还需要要求学生作出自己的总结，以深化他们对相关内容的掌握。

（2）老师讲解活动

当学生正式参与交互性化学实验活动之前，教师还应当再对他们进行必要的讲解，可以根据前面一个环节的内容，再围绕实验作一些补充性的讲解，特别是针对学生不容易理解的内容或是一些难点方面，更加细致、更有针对性的讲解能够让他们为后续的虚拟实验打下更好的基础。这也是此类实验教学活动同传统实验教学的一个比较显著的不同。在此部分，教师会基于学生将要进行的仿真实验活动来作一些细节性的讲解。

（3）交互式实验操作

在前面两个部分都完成之后，教师就可以组织学生通过虚拟交互式实验平台进行相关的实验。在实验过程中，教师应当更多地发挥配合者与引导者的作用，而更多地由学生自己动手操作进行体验，在学生完成实验并获得有关的实验数据以后，还要让他们撰写自己的实验报告。

（4）实验表现评定

教师对学生在虚拟的交互式实验活动中的表现进行评价的时候，可以从几个方面进行考察。一是其所提交的实验报告的评价，二是他们在实验操作方面表现的评价，三是学生在提问方面的表现以及对老师提出的问题的回答情况等。对于这几项考察，教师应当将实验报告作为一个重点关注对象。

基于上述思路，教师应将更多与教学活动相关的内容考虑进去，让虚拟实验教学活动发挥出更多的功用，使高中化学教学朝着更加深度的方向发展。

3.结合主题教学开发交互式虚拟学习环境

如前所述，虚拟现实作为一种交互式的化学教育工具正在兴起，但其在化学教育中的应用和评估仍然有限。教师可以针对这种局面，进行更多的化学教学探索，其中包括结合具体的主题和教学任务开发交互式虚拟学习环境。同虚拟现实技术类似，主题式的教学形式对于高中化学也有着非常大的价值可以挖掘。首先，这类学习活动能够进一步强化学生的探究主动性，让他们建立起解决问题方面更为良好的能力，包括运用所学习的化学知识来对相关问题进行解决。也因此有人提出，主题学习对高中学生提升自身的科学探究能力及创新能力方面、实现学科素养的培养是至关重要的。其次，通过主题性的学习实验活动，学生可以建立起相对稳固的知识体系。在这一体系的作用下，他们就能够更加深入地掌握知识，并且确保相关的知识与技能在长时间内不遗忘。这是因为在主题教学过程中，高中生更能够站在本质上来对化学现象以及其背后的原理进行理解。基于主题教学的种种优势，在高中虚拟交互式教学活动中，教师也可以尽可能多将这种形式的教学融合进去，让交互式仿真教学进一步发挥作用，促进学生对相关化学知识点的理解。

结语

综上所述，虚拟现实技术的参与，使得高中化学教学活动特别是实验教学活动获得了更多的机会与可能，这也是虚拟现实在教育领域中的价值体现之一。将化学课堂同虚拟的仿真式互动体验联系起来，是学生有机会获得更深入地学习和参与的机会，让自己通过沉浸式体验练习实验技能，掌握化学知识，并体验化学的趣味性。然而这并不是说，目前虚拟技术在高中化学教学活动中的应用已经达到极高的水准。事实上，在这方面还有很多的工作要做，除了要积极克服硬件设备建设上的资金困难之外，也需要教师更加深入地意识到该技术在高中化学方面的重要价值和影响，尤其是它对实验教学的关键促进作用，并在此基础上进行深入的思考，以更好地解决虚拟现实技术在高中化学教学中的应用上所面临的一些挑战，继而真正借助虚拟现实技术的力量形成更高水准的高中化学教育教学。