借助虚拟现实技术开展高中化学实验教学的探究

［摘 要］通过引入虚拟现实技术，高中化学实验教学得以突破传统模式的限制，赋予学生更安全、更直观、更具互动性的学习体验。教学实践表明，虚拟现实技术在实验教学中显著提升了学生的学习兴趣与参与度，同时深化了学生对化学概念及实验步骤的理解与掌握，有利于培养学生的科学素养和创新实践能力。文章分析了借助虚拟现实技术开展高中化学实验教学的意义，阐述了虚拟现实技术在高中化学实验教学中的应用途径。

［关键词］虚拟现实技术；高中化学；实验教学

［中图分类号］ G633.8 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-6058（2024）26-0067-03

随着技术的飞速发展，虚拟现实技术（VR）作为一种创新且充满可能性的教学手段，正逐步融入教育教学实践当中。在高中阶段，化学实验教学是培养学生科学素养和实验技能的关键环节，迫切需要引入新颖的教学理念以满足当代学生的学习需求。本文旨在探索依托虚拟现实技术开展高中化学实验教学的价值及其应用途径，通过虚拟现实技术提供的沉浸式体验、真实实验场景再现以及探究式学习功能，以期为高中化学实验教学带来新的突破，增强学生的学习动力和操作能力，从而为培育创新型人才奠定坚实基础。

一、虚拟现实技术应用概述

虚拟现实技术在基础教育中的应用正逐渐普及并深化。该技术通过创建逼真的三维虚拟环境，为学生提供了一种全新的、沉浸式的学习体验。在基础教育阶段，虚拟现实技术被广泛应用于多学科教学中，尤其对于那些难以通过传统教学方式呈现或理解的抽象概念、复杂实验和科学现象，虚拟现实技术能够形象生动地展现出来，帮助学生更好地理解和掌握。此外，虚拟现实技术还能够激发学生的学习兴趣和积极性，提升他们的自主学习能力和创新思维，为基础教育的改革与创新提供有力的技术支持。

二、虚拟现实技术应用于高中化学教学的意义

（一）提升实验安全性

虚拟现实技术以其独特的优势，为高中化学实验教学构筑起一道坚实的安全屏障。以“钠与水的反应”实验为例，在真实环境中进行时，由于金属钠的活泼性极高，与水反应极为剧烈，稍有不慎就可能引发安全事故。因此，许多学生在进行实验时都会心存顾虑，无法完全投入到实验中。而在虚拟现实技术的帮助下，这个问题得到了有效解决。在虚拟空间中，学生可以自由地观察钠块被投入水中后的剧烈反应，看它如何在水中翻腾跳跃，发出嘶嘶的声响，并放出氢气。整个实验过程不仅栩栩如生，而且完全在安全可控的环境下进行，彻底消除了学生对实验安全的担忧。更重要的是，虚拟现实技术还允许学生对实验进行反复模拟和练习，直到他们完全掌握实验要领和金属钠的化学性质。这种既安全又高效的学习方式，不仅极大地提升了学生的学习效果，还进一步激发了他们对化学学科的学习兴趣和探索热情。因此，虚拟现实技术在提升高中化学实验安全性方面发挥了不可替代的作用。

（二）增强学习互动性

通过运用虚拟现实技术，微观世界被赋予了前所未有的直观性和互动性。以“离子反应”这一章节为例，在传统教学模式下，学生往往只能通过书本上的文字和图片来想象离子之间的相互作用和反应过程，这无疑增加了理解的难度。而在虚拟现实技术的辅助下，学生可以在虚拟环境中亲手搭建离子模型，直观地观察正负离子如何相互吸引、排斥，以及它们在水溶液中如何发生反应生成新的化合物。这种沉浸式的互动学习方式，极大地提高了学生的课堂参与度，使他们从被动接受知识转变为主动探索知识，让原本抽象的离子反应知识变得生动具体、触手可及。此外，虚拟现实技术还为学生提供了与虚拟环境中的离子实时互动的机会。学生可以通过调整离子的位置、浓度等参数来观察离子反应的变化规律，从而更深入地理解离子反应的本质和影响因素。这种直观且互动性强的学习方式，不仅激发了学生对化学反应本质的探索欲望，还培养了他们的实践能力与创新思维。

（三）增强教学直观性

在高中化学教学中，原子结构是一个抽象且难以理解的概念。传统教学方法往往依赖于静态的图片和模型，难以让学生真正领会原子内部的复杂结构和动态变化。而虚拟现实技术的应用为破解这一难题提供了全新的解决方案。借助虚拟现实技术，教师可以为学生构建一个三维立体的原子世界。在这个虚拟环境中，学生可以自由地进入原子内部，直观感受并细致观察原子核、电子云以及不同能级的电子排布。这种直观、互动的学习方式让学生能够更加清晰地认识到原子结构的层次性和动态性。例如，在探索“原子轨道”这一概念时，虚拟现实技术可以呈现出电子在不同轨道上运动的真实场景。学生可以通过调整视角和观察点，详细观察s、p、d等各类轨道的形状、大小以及电子在这些轨道上的运动状态。这种直观的学习方式有助于学生更深入地理解原子轨道的概念和电子排布规律。此外，虚拟现实技术还可以模拟原子间的相互作用和化学反应过程。学生可以在虚拟环境中亲手操作原子模型，观察它们在反应过程中的动态变化和化学键的形成与断裂。这种学习方式不仅增强了化学知识的直观性，还让学生有机会亲身参与化学反应的探索过程，从而更深刻地理解化学反应的本质和原理。

三、借助虚拟现实技术开展高中化学实验教学的途径

（一）以虚助实，拓展化学实验操作边界

借助虚拟现实技术，教师可以有效地拓展高中化学实验的操作边界。在传统实验教学中，由于设备、安全和时间等方面的限制，许多实验难以在课堂上充分展开。然而，通过构建虚拟实验环境，学生得以在无风险、无限制的条件下进行各种复杂的实验操作，如高温高压反应、微观世界探索等。这种以虚助实的教学方式不仅丰富了实验教学内容，还提升了学生的实践能力和科学素养。

以“浓硫酸的强氧化性”实验为例，在传统化学实验教学模式中，学生通常需要亲自动手，使用浓硫酸、金属等物质进行真实的化学反应实验。这样的实验设计旨在让学生通过亲身实践来观察和了解浓硫酸的强氧化性及其在化学反应中的作用。然而，浓硫酸具有强烈的腐蚀性和氧化性，一旦操作不当，很容易导致学生受伤或设备损坏。同时，对于初学者而言，由于缺乏足够的经验和技巧，他们在操作过程中往往会遇到诸多困难。而借助先进的虚拟现实技术，教师可以为学生打造一个既安全又逼真的实验学习环境。具体而言，教师可以利用虚拟现实技术构建一个高度仿真的虚拟实验室，让学生可以身临其境地进行浓硫酸的强氧化性实验，而无需担心真实实验中潜在的风险和意外。学生可以通过头戴设备自由地观察和探索虚拟世界，从而更加深入地理解浓硫酸的化学性质及其在化学反应中的表现。

通过引入虚拟现实技术来模拟真实实验，不仅可以有效避免传统实验中存在的安全隐患和操作难题，还可以为学生提供更加逼真、高效、有趣的实验学习体验。

（二）交互探索，打造沉浸式实验任务体验

虚拟现实技术为高中化学实验教学提供了全新的交互探索方式，从而打造出沉浸式的实验任务体验。在虚拟实验环境中，学生不再是被动的观察者，而是积极的参与者。他们可以通过手柄、头盔等交互设备，亲手操作虚拟实验器材，观察化学反应的每一个细节，甚至与虚拟世界中的分子、原子进行实时互动。这种沉浸式的交互探索方式极大地激发了学生的学习兴趣和内在动力，促使他们在亲身体验中更深刻地理解化学原理，培养创新思维和实践能力。

以“探索酸碱中和反应中的热量变化”实验为例，在教学实践中，借助虚拟现实技术，教师可以为学生设计一个别开生面的沉浸式实验任务，让他们亲身感受化学反应中热量变化的奥妙。

1.实验任务背景设定

教师设定一个具体的实验任务：探索酸碱中和反应中的热量变化。在这个任务中，学生将置身于一个虚拟的实验室环境，里面摆放着各种实验器材和试剂。

2.交互探索步骤详解

（1）准备阶段：学生戴上VR头盔，手持VR手柄，进入虚拟实验室。他们可以清晰地看到实验指南和器材列表，从而对实验有整体的认识。（2）选择试剂与器材：借助VR手柄，学生能够选择所需的酸碱试剂以及测量热量的实验器材，如温度计或热量计。（3）混合试剂：在虚拟导师的引导下，学生将酸碱试剂按照一定比例混合。他们可以观察到试剂混合瞬间的颜色变化、气泡产生等直观现1ad22a5354077aabf2ea17bf1668ca575eca71c635df4db98d73fff639fc0a0d象。（4）测量热量变化：学生可以使用虚拟温度计或热量计，实时监测反应过程中的热量变化。数据会以图表或数字的形式直观展示在VR界面中。（5）调整实验条件：为了更深入地探索，学生可以调整试剂的浓度、温度等实验条件，观察不同条件下热量变化的规律。（6）记录与分析：学生可以在虚拟实验记录本上记录实验数据，并结合理论知识进行分析。系统还提供智能分析功能，能够帮助学生更好地理解实验结果。

3.实验任务亮点与意义

（1）安全性高：在虚拟环境中进行实验，避免了真实实验中潜在的安全风险。（2）交互性强：学生可以通过手柄与虚拟环境中的一切进行互动，提高了实验的参与度和趣味性。（3）数据直观：通过虚拟现实技术，热量变化等抽象数据得以直观展示，有助于学生更好地理解和掌握相关知识。（4）条件可调：在虚拟环境中，学生可以轻松调整实验条件，拓宽科学探索的边界。

通过这样一个沉浸式实验任务，学生不仅能够深刻体验到化学反应中的热量变化，还能在交互探索中培养创新思维。

（三）虚实结合，促进化学知识的应用与迁移

通过虚拟现实技术与真实实验的有机结合，教师可以有效地促进学生对化学知识的应用与迁移。虚拟实验为学生提供了丰富的模拟场景和实验条件，使他们能够在多样化的情境中探索和应用化学知识。而真实实验则为学生提供了实际操作的机会，让他们在实践中验证和巩固虚拟实验中所学的知识。这种虚实结合的教学方式有助于学生在不同情境间建立联系，实现知识的灵活应用与迁移，从而提升他们解决问题的能力，培养他们的综合素养。

以“探索铁及其化合物间的转化”实验为例，学生借助虚拟现实技术进入了一个充满奇幻色彩的虚拟世界。在这个世界中，他们仿佛置身于一个巨大的实验室，周围摆满了各种各样的铁及其化合物试剂和实验器材。他们可以自由地选择试剂进行实验，观察铁及其化合物在不同条件下的转化过程。

通过虚拟现实技术的模拟实验，学生亲手操作了铁的氧化、还原、沉淀等反应，目睹了反应过程中颜色的变化、气体的释放以及新物质的生成。这种直观的实验体验让学生对铁及其化合物间的转化规律有了更加深刻的认识和理解。学生开始明白铁及其化合物间的相互转化是如何影响铁的性质和用途的，这种理解并非只停留在理论层面，而是融入了他们的实践操作中。

当学生从虚拟实验室回归现实时，他们带着丰富的感性认识和直观经验进入真实实验室。在这里，他们运用之前所学的知识和虚拟实验中的经验进行了真实的实验操作。他们根据实验指导成功地验证了铁及其化合物间的转化规律，不仅如此，他们还尝试探索了不同的实验条件和反应路径对转化过程的影响。

通过虚实结合的学习方式，学生实现了知识的有效迁移和应用。他们不仅掌握了铁及其化合物间的转化规律，还学会了如何运用所学知识解决实际问题。这种能力的培养，让他们在未来的学习和工作中能够更加自信地面对各种挑战和问题。同时，这种学习方式为学生在化学领域的深入学习和探索打下了坚实的基础。

总之，借助虚拟现实技术开展高中化学实验教学的探究，不仅为学生带来了身临其境的学习体验，还极大地丰富了教学内容与手段。虚拟现实技术打破了传统实验教学的限制，让学生在安全、可控的环境中进行各种化学实验的探究，从而更深入地理解化学原理与现象。这种创新的教学方式不仅激发了学生的学习兴趣，还培养了学生的实践能力和创新思维。随着虚拟现实技术的不断发展和完善，相信它将在高中化学实验教学中发挥更加重要的作用。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 吴锋.虚拟现实（VR）技术在中学高危化学实验教学中的运用初探[J].化学教学，2020（6）：58-61.

[2] 张栋.VR技术在中学理科教学中的应用与开发策略[J].中小学数字化教学，2022（4）：84-87.

（责任编辑 罗 艳）