基于VR技术的初中化学实验教学

曹志兵 李沛屿

【摘 要】化学是一门以实验为主的学科，化学实验教学对学生十分重要。但受多方面因素的影响，化学实验教学效果有时并不理想，而基于VR技术的初中化学教学，是对传统演示实验的创新，能够更好地突破化学实验教学瓶颈，将微观世界与宏观世界相结合。此外，一些危险的实验也能借助VR技术开展，从而促进学生对于化学实验现象的感知、促进学生化学知识生成与理解。

【关键词】VR技术；初中化学；实验教学，化学结构，科学探究与实践

【中图分类号】G633.8  【文献标志码】A  【文章编号】1005-6009（2023）07-0073-03

【作者简介】1.曹志兵，南京外国语学校淮安分校（江苏淮安，223001）副校长，高级教师；2.李沛屿，南京外国语学校淮安分校（江苏淮安，223001）教师，二级教师。

《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）将“科学探究与实践”作为主要核心素养。化学实验作为科学研究的重要环节，对于学生理解抽象化学知识、培养学生核心素养意义重大，也有助于学生化学学习兴趣的提升。但在传统化学实验课堂中，受各方条件的限制，很多化学实验都无法正常开展，学生虽然对化学实验有一定的兴趣，可是教师却无法满足学生的实验诉求，化学实验教学效果得不到保障，压制了学生实验探究兴趣，不利于学生的化学学习。而VR技术具有沉浸感、趣味性、真实性的特点，有助于教师为学生构建出模拟实验环境。基于VR技术的化学实验教学能打破传统实验的教学弊端，促进学生实验学习的发展。

一、VR技术概念及特点

VR技术是虚拟现实技术（Virtual Reality）的简称，其有效整合了计算机几何技术、传感器技术、仿真技术和呈现技术，能为学生提供一个视、听、触等多方面感官的模拟体验，让学生“身临其境”。我校采用zSpace虚拟现实教育一体机，它通过zView投影到高清显示器的屏幕上，可以达到裸眼3D的效果。将zSpace中的软件应用于初中化学课堂上是对传统化学课堂的创新，能为学生提供真实的体验。一些危险的化学实验也能利用该设备展开，从而提升化学实验教学效果。

二、基于VR技术的初中化学实验教学设计原则

1.科学性原则

VR技术在初中化学实验教学中的应用目的，是让学生按照所提供的实验问题，小组合作设计出相应的实验方案，然后通过自主实验与探究得出结论，这样就能有效实现对学生综合素养和探究性思维能力的培养。

为此，在应用VR技术进行化学实验的时候，一定要确保实验内容、步骤、方法等符合科学严谨性原则，即严格按照科学性原则来展开化学实验，这样才能有效提升化学实验的教学效果。

2.交互性原则

VR技术最为显著的一个特征就是交流与互动性。因此，在开展化学实验教学的时候，一定要注重学生与实验对象的互动及交流，这样“记录员”才能及时获得反馈信息并记录，同时发现实验操作中出现的问题。为此，初中化学教师一定要注重在学生进行化学实验的同时提出相应的问题，进一步激发学生主动探究化学的兴趣，从而让学生在模拟实验操作中提高自己的思维能力、探究实践能力和创新意识。

3.自主性原则

学生只有自主参与到VR实验的操作中，才能取得良好的实验教学效果。所以在初中化学实验教学课堂上，教师需要尊重学生的主体地位，根据学生的兴趣来设计VR实验，让学生主动参与到实验分析、探索、推测、验证等一系列实验环节中，促进化学大概念的形成。

三、基于VR技术的初中化学实验教学

基于VR技术的初中化学实验教学，教师可以在化学实验课上让学生带上VR頭盔直接进入到虚拟实验室内，然后再借助手柄来完成实验操作；或者让学生站在主屏幕面前，直接用双手隔空抓取“物体”，演示模型和小实验，使抽象事物形象化，增强了可操作性，让学生沉浸其中。这样就能完成一些具有危险性的化学实验，还能减少清理实验废液、清洗实验器材等时间。学生还能在反复操作过程中感知实验乐趣、明确实验流程、理解化学实验现象，促使化学观念的形成。

1.基于VR技术深化实验认知

初中生因为是刚开始接触化学，所以在化学实验课上经常会出现一些错误，这个时候教师可用VR技术来纠错。因为虚拟体验的真实性以及不浪费资源等特点，学生还能在反复操作中深化对问题的认知，避免再次出错。

例如，在“石墨”这课中，很多学生对于“石墨的物理性质”无法形成有效理解。为了能够深化学生对于这一知识的理解，避免学生出现理解错误，学生可以直接使用zSpace中的zSpace Studio 软件，用触笔从图片库中将宏观的石墨抓取出来，观察颜色、形状等外观；对较微观的石墨、金刚石、碳60，研究其微观结构的不同，拆开石墨晶体并重新整合，学生会发现石墨的层状结构等，最后总结石墨的性质。这样学生自然能够对这一知识形成有效的认知，能够辨析相似但不同的晶体，从而帮助学生掌握正确的实验操作方法，有效提升化学实验教学效果。

2.基于VR技术突破高危高爆实验难题

传统模式下的初中化学实验教学课堂，因为受场地、时间以及空间等多方面限制，很多实验都无法顺利实施。VR技术的存在能改善这一问题，让一些高危高爆的化学实验也能在课堂上呈现。这样就能改变之前纸上谈兵的实验教学现状，让学生在真实的体验与实验操作中形成更深刻的理解。

例如，在“碳”这一课的教学中，碳的还原性是教学的重难点，但是钢铁冶金工业通常在高温、密闭的环境中进行，环境复杂、危险。对于此，教师可借助VR技术，为学生构建出一个冶金的场景，学生通过钢厂冶金VR虚拟仿真实训系统，进入到虚拟的冶金厂中，这样就能通过亲眼“看到”冶金的全过程，还能设置并调整原料的类型、比率等，形成对这一知识点更深层次的认知，有效提升教学实效。

3.基于VR技术促使微观粒子触手可及

在化学教学过程中，微观粒子一直都是教学重难点。因为微观世界是看不见、摸不着的，所以学生在课堂上很难形成有效理解，这也为初中化学教学的开展带来了较大的困难。VR技术的存在能够使微观粒子“触手可及”，可帮助学生形象化地理解这个未接触过的世界。

教师在化学实验课上，可以借助VR技术来为学生讲解微观粒子。例如，学生只要参与到虚拟情境体验中，即可直观地感受原子核外电子的排布。学生借助激光笔轻轻点击钠原子，就能够看到原子内部结构和核外电子分三层的排布现象。

四、基于VR技术的初中化学实验教学课程分析

基于新课程标准，在充分利用教学设备的原则下，以学生学习的观察活动、观看活动、操作活动、思考活动等四个活动为基准，教师在“水的组成”一课中，引导学生亲历“观察→处理信息→发现”这样的科学探究与实践过程，经历“对现象进行抽象的概括→运用实验解释抽象概念→回归生活验证抽象概念”这样的科学思维过程。从体验走向探究，从动手实验走向分析总结，实现化学学科的综合性。

在科学技术不断发展的时代背景之下，“互联网+教育”也成为教育创新重要趋势。而VR技术作为信息化教学常用手段，将其应用于初中化学中，为学生构建出虚拟化学实验室，能够满足学生化学理论学习及实验练习诉求，最大程度缓解学生实验课开设不足、实验危险系数高等情况。同时让学生有效脱离时间及空间限制，自由地展开化学实验。为此，在初中化学课堂上，教师一定要准确认识VR技术的教育价值，借此来突破传统化学课存在的弊端，从而真正提高化学教学效果，促进学生学科能力及化学学科素养的提升。