張文增

摘 要 運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)的全部過程，將它變成一套實(shí)驗(yàn)的模擬，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)只要應(yīng)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，就能在虛擬化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是現(xiàn)代教育技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的呈現(xiàn)，如果理科教師合理應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)，可以為學(xué)生提供一個(gè)更為優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間環(huán)境。

關(guān)鍵詞 現(xiàn)代教育技術(shù)；虛擬實(shí)驗(yàn)；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；Stellarium

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）03-0024-03

1 引言

當(dāng)前理科實(shí)驗(yàn)分為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)兩種。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在一些弊端，如某些實(shí)驗(yàn)對環(huán)境要求高、時(shí)間長，部分實(shí)驗(yàn)參數(shù)不可控，操作失誤易造成器材損壞甚至危害人身安全、污染環(huán)境等。虛擬實(shí)驗(yàn)是一種把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的全部過程遷移到虛擬環(huán)境中，應(yīng)用虛擬環(huán)境呈現(xiàn)結(jié)果的實(shí)驗(yàn)方式。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用多元化的輸入、豐富的聲光效果、即時(shí)的互動(dòng)回應(yīng)技術(shù)，創(chuàng)造一個(gè)接近于實(shí)體的空間，這一空間能讓人有身臨其境的感覺?，F(xiàn)代化的虛擬實(shí)驗(yàn)可以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)空間環(huán)境，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的限制。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬，是虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用。教師可以應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)空間環(huán)境，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。當(dāng)前虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在教育領(lǐng)域中，科學(xué)技術(shù)人員開發(fā)出大量的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，如Stellarium、NOBOOK、Flash、ChemLab等。

2 應(yīng)用虛擬空間呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)情境

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)空間有諸多要求，如果實(shí)驗(yàn)環(huán)境不能達(dá)到需求，則或者不能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或者實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)難以被監(jiān)測。如以高中物理教師引導(dǎo)學(xué)生理解斜拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)為例，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，學(xué)生很難開展斜拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)；在虛擬環(huán)境下，教師可以引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的方法做實(shí)驗(yàn)。在教師應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件引導(dǎo)學(xué)生做虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可以調(diào)試發(fā)射的力度、斜拋的角度，通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)的因素來觀察實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在反復(fù)實(shí)驗(yàn)中找到影響實(shí)驗(yàn)的因素。

虛擬技術(shù)，可以呈現(xiàn)出接近于真實(shí)世界的技術(shù)，人們和那個(gè)世界是互動(dòng)的關(guān)系。即人們?nèi)绻谔摂M世界中做一個(gè)動(dòng)作，虛擬世界就能回饋一個(gè)和真實(shí)世界一樣的結(jié)果。

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)包含有數(shù)據(jù)傳感技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、交互技術(shù)、多媒體技術(shù)等，它是信息技術(shù)高度發(fā)展的呈現(xiàn)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和課程整合成果的不斷涌現(xiàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)對理科實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生越來越大的影響，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)也越來越成熟、越來越真實(shí)，在真實(shí)空間不適合做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，教師可以為學(xué)生開辟一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)空間，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下不能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)在虛擬環(huán)境下都能進(jìn)行，為學(xué)生開展理科實(shí)驗(yàn)帶來很多便利。

3 應(yīng)用虛擬空間優(yōu)化實(shí)驗(yàn)情境

應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)突破實(shí)驗(yàn)空間限制 部分教師會(huì)認(rèn)為，虛擬實(shí)驗(yàn)就是假的實(shí)驗(yàn)，假的實(shí)驗(yàn)又如何能跟真實(shí)的實(shí)驗(yàn)相比？在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能夠?qū)崒?shí)在在地做實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)變化，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，雖然獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過程可能非常艱難，甚至不精確，然而實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)不是假的。虛擬實(shí)驗(yàn)就是假的事物，學(xué)生如何能通過虛擬的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得科學(xué)知識？

為了說明虛擬實(shí)驗(yàn)可突破空間的限制，且具有科學(xué)性，現(xiàn)應(yīng)用虛擬軟件Stellarium來說明。這款軟件可以真實(shí)地 模擬星空運(yùn)行的情況，即它可虛擬出星空中所有行星及衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)。以應(yīng)用這款虛擬實(shí)驗(yàn)軟軟件研究行星與行星間的引力及公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)的原理為例，它允許學(xué)生定義地球自轉(zhuǎn)的所有參數(shù)；允許學(xué)生自設(shè)一個(gè)人造衛(wèi)星，設(shè)定人造衛(wèi)星的所有參數(shù)；允許學(xué)生在發(fā)射人造衛(wèi)星以前設(shè)定初始自轉(zhuǎn)速度與公轉(zhuǎn)速度；允許學(xué)生設(shè)定初始的高度。當(dāng)學(xué)生設(shè)定完所有的實(shí)驗(yàn)參數(shù)據(jù)，按“發(fā)射”軟件，人造衛(wèi)星便按設(shè)定的參數(shù)發(fā)射出去，開始圍繞地球進(jìn)行公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)。學(xué)生可以設(shè)定天體運(yùn)行圖的比例、公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的時(shí)間比例。

虛擬軟件不是“假”的數(shù)據(jù)，是科學(xué)家在科學(xué)分析事物的基礎(chǔ)上模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)情況，在獲得科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上編寫的實(shí)驗(yàn)軟件。虛擬實(shí)驗(yàn)軟件給出的數(shù)據(jù)與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)極其相近。就像這一款虛擬應(yīng)用軟件，它的數(shù)據(jù)變化與天文臺監(jiān)測的天文數(shù)據(jù)極其相近。因?yàn)樘摂M軟件具有真實(shí)性與科學(xué)性，虛擬軟件只是把實(shí)體軟件的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容轉(zhuǎn)移到虛擬的空間中，讓學(xué)生可以在虛擬的環(huán)境中做實(shí)驗(yàn)，所以教師不必?fù)?dān)心虛擬軟件會(huì)給出虛假實(shí)驗(yàn)的場景，更不必?fù)?dān)心會(huì)誤導(dǎo)學(xué)生。教師在教學(xué)中可以應(yīng)用虛擬軟件引導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，突破空間限制，讓學(xué)生可以用做探索實(shí)驗(yàn)的方法學(xué)習(xí)理科知識。

應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)突破實(shí)驗(yàn)時(shí)間限制 在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，時(shí)間因素是不可控制的。部分實(shí)驗(yàn)的因素時(shí)間變化速度太快，學(xué)生來不及計(jì)時(shí)；部分實(shí)驗(yàn)的因素時(shí)間較難掌握，這就給學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)帶來不少障礙。虛擬實(shí)驗(yàn)允許學(xué)生自動(dòng)設(shè)定時(shí)間，能為學(xué)生記錄所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，允許學(xué)生應(yīng)用回放的方式重新觀察時(shí)間。當(dāng)學(xué)生能夠突破實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制時(shí)，就能夠科學(xué)地分析因素與因素之間的關(guān)系。

以教師應(yīng)用虛擬軟件（如NOBOOK）學(xué)習(xí)“孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)”為例，如果依照傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，學(xué)生必須去種豌豆，了解豌豆雜交的成果；在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，學(xué)生只需要選擇需要雜交的品種，就能迅速獲得實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。學(xué)生既可以選擇光滑的豌豆與皺皮豌豆雜交，也可以選擇紅色果蠅和白色果蠅雜交。只要是在軟件允許的范圍內(nèi)，學(xué)生都可以完成雜交實(shí)驗(yàn)。虛擬軟件的雜交是在瞬間完成的，軟件運(yùn)算雜交的結(jié)果只需要一兩秒鐘。學(xué)生可以根據(jù)需求重置以上所有參數(shù)，反復(fù)觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從這一則實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看到，學(xué)生可以把所有的時(shí)間因素控制在手中，可以加快或放慢實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，可根據(jù)需求重置實(shí)驗(yàn)，可控制幾乎所有的實(shí)驗(yàn)時(shí)間因素。

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生因?yàn)槭艿綍r(shí)間因素的限制，出現(xiàn)種種實(shí)驗(yàn)問題，如果不能克服時(shí)間因素的限制，就不能精確地觀察時(shí)間。虛擬實(shí)驗(yàn)把時(shí)間控制的權(quán)力交到學(xué)生手中，學(xué)生可以加快、放慢實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，從而能更精確地觀察實(shí)驗(yàn)的過程。虛擬軟件幫助學(xué)生突破了時(shí)間因素的限制，讓學(xué)生可以更從容地觀察理科實(shí)驗(yàn)。

應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)突破實(shí)驗(yàn)因素限制 虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的特點(diǎn)是可以讓學(xué)生自由選擇所有實(shí)驗(yàn)的因素，幫助學(xué)生記錄所有的實(shí)驗(yàn)因素?cái)?shù)據(jù)，記錄所有實(shí)驗(yàn)生成結(jié)果的數(shù)據(jù)。因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)軟件實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)的能力很強(qiáng)，所以學(xué)生能排除一切不利于實(shí)驗(yàn)的因素。

人教版《化學(xué)》（選修四）中“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”是高中化學(xué)的重要章節(jié)，高考會(huì)考的必考知識點(diǎn)。影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素有反應(yīng)物的濃度、氣體壓強(qiáng)、溫度、催化劑等。如何深入理解，鞏固知識，提高學(xué)習(xí)效率，是教師必須認(rèn)真思考的問題。課堂講解、習(xí)題練習(xí)是常用方法，但是如果教師能為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)操作，讓學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)感知“影響因素”，更勝于千題百練。

在教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)“濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響”，有一實(shí)驗(yàn)：

2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4===K2SO4+2MnSO4+10CO2↑+8H2O

思考如何用不同濃度的草酸（H2C2O4）溶液參與該反應(yīng)，了解反應(yīng)物的濃度對實(shí)驗(yàn)反應(yīng)速度的影響。

結(jié)合學(xué)習(xí)需求及虛擬軟件（如NOBOOK或ChemLab）的功能，學(xué)生在虛擬軟件中找到實(shí)驗(yàn)道具，即試管+試管架、量筒等實(shí)驗(yàn)用品。學(xué)生需要在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置實(shí)驗(yàn)對象的形態(tài)、容量、濃度，針對某些因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，了解因素的變化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；了解實(shí)驗(yàn)的原理、目的、步驟，如實(shí)驗(yàn)不能滿足研究的需求，需通過探討優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

在“壓強(qiáng)對化學(xué)反應(yīng)速率的影響”的教學(xué)中有一經(jīng)典實(shí)驗(yàn)反應(yīng)：N2+3H2===2NH3。在傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中可能很難完成該實(shí)驗(yàn)，但在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，學(xué)生可以精確地控制反應(yīng)物的濃度、氣體壓強(qiáng)、溫度、催化劑等條件，改變實(shí)驗(yàn)因素觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化。虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)控制結(jié)果是精確的，學(xué)生只要完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在虛擬環(huán)境中操作實(shí)驗(yàn)過程，就能快速得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果；當(dāng)學(xué)生需要反復(fù)進(jìn)行同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，只需要調(diào)整其中某項(xiàng)實(shí)驗(yàn)因素參數(shù)時(shí)，只要手動(dòng)更改這一個(gè)因素參數(shù)，不需再反復(fù)地做實(shí)驗(yàn)，就能得到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)可以精確地控制每一個(gè)實(shí)驗(yàn)因素變量，所以能幫助學(xué)生節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生能把更多的時(shí)間用在分析數(shù)據(jù)、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案上。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生哪怕只需要更改一個(gè)實(shí)驗(yàn)因素，就需要反復(fù)做實(shí)驗(yàn)，在做實(shí)驗(yàn)的過程中需要非常謹(jǐn)慎地控制實(shí)驗(yàn)流程，避免因操作不嚴(yán)謹(jǐn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗而必須重復(fù)實(shí)驗(yàn)的問題。在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，學(xué)生可以復(fù)制自己的實(shí)驗(yàn)流程，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要只更改一些實(shí)驗(yàn)因素參數(shù)，就能迅速得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。虛擬實(shí)驗(yàn)突破了實(shí)驗(yàn)因素參素控制帶來的實(shí)驗(yàn)障礙，提高了實(shí)驗(yàn)效率，加大了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的容量，強(qiáng)化了學(xué)生對知識的理解與掌握。

4 應(yīng)用虛擬空間保證實(shí)驗(yàn)安全

實(shí)驗(yàn)探究是學(xué)生學(xué)習(xí)理科知識的重要途徑。在理科學(xué)習(xí)中，學(xué)生都需要通過觀察實(shí)驗(yàn)→獲得數(shù)據(jù)→分析比較數(shù)據(jù)→觀察事物內(nèi)在的規(guī)律→得到結(jié)論驗(yàn)證猜想。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能自主地學(xué)到知識，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能決定實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，這些實(shí)驗(yàn)技能有些是從書中得到的，有些是在實(shí)踐中得到的。

在傳統(tǒng)理科實(shí)驗(yàn)中，教師出于種種因素的限制，有可能不愿意讓學(xué)生深入地開展實(shí)驗(yàn)。比如：學(xué)生在開展傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可能會(huì)打破玻璃儀器，操作不當(dāng)可能會(huì)損壞器材，造成實(shí)驗(yàn)失敗，也可能會(huì)造成事故，甚至學(xué)生會(huì)故意破壞實(shí)驗(yàn)儀器。教學(xué)器材有限，為了避免器材損失，有時(shí)教師會(huì)考慮少做實(shí)驗(yàn)，改為講解實(shí)驗(yàn)或是課堂演示實(shí)驗(yàn)，避免實(shí)驗(yàn)過程中人為事故的發(fā)生，保證學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的人身安全。

有些實(shí)驗(yàn)是具有高危性的，學(xué)生一旦操作失誤，可能會(huì)帶來嚴(yán)重后果。以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)“濃硫酸稀釋的操作方法”為例，如果教師直接告訴學(xué)生稀釋濃硫酸的方法只能是把濃硫酸沿著杯壁緩緩倒入水中，而不能把水直接倒入濃硫酸中，部分學(xué)生沒有真正理解，一旦實(shí)驗(yàn)操作失誤，不僅他們可能會(huì)受到傷害，周圍的學(xué)生也可能會(huì)受到傷害。

在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)失敗了也不會(huì)有嚴(yán)重的后果，如教師可以引導(dǎo)學(xué)生用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件（如Flash）來了解將水直接倒入濃硫酸中造成的后果。通過虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)看到將水直接倒入濃硫酸中，濃硫酸四濺傷人的后果，直觀的多媒體動(dòng)畫會(huì)給他們留下深刻的印象，知道絕不能把水直接倒入濃硫酸中。教師可引導(dǎo)學(xué)生思考：假設(shè)把濃硫酸緩緩倒入水中呢？或把濃硫酸迅速倒入水中呢？學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)可了解錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)方法帶來的后果，并思考以上實(shí)驗(yàn)后果出現(xiàn)的原理。

教師可以應(yīng)用安全的虛擬實(shí)驗(yàn)空間環(huán)境引導(dǎo)學(xué)生多做虛擬實(shí)驗(yàn)，多思考理論知識，讓虛擬實(shí)驗(yàn)成為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的重要利器。當(dāng)具備了實(shí)驗(yàn)技能以后，學(xué)生便能根據(jù)學(xué)習(xí)的需求自如地選擇做虛擬實(shí)驗(yàn)或?qū)嶓w實(shí)驗(yàn)，完成學(xué)習(xí)研究任務(wù)。

5 總結(jié)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)開辟了一個(gè)新的空間，在這個(gè)空間里，教師可以突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的限制，彌補(bǔ)目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)氛圍。教師在開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，要針對教學(xué)的目的，仔細(xì)分析如何發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢，讓學(xué)生能夠更加高效地通過實(shí)驗(yàn)來吸收知識、鞏固知識、提高學(xué)習(xí)效率。筆者相信，只要教師合理地應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)這種現(xiàn)代教育技術(shù)，一定能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空間環(huán)境，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。

參考文獻(xiàn)

[1]由繼紅.虛擬實(shí)驗(yàn)室研究概述[J].生命科學(xué)儀器，2014（Z1）：34-37.

[2]李平，毛昌杰，徐進(jìn).開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013（11）：5-8.

[3]周寶成，黃建花.建立虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室 進(jìn)一步開放實(shí)驗(yàn)室[J].教育教學(xué)論壇，2013（1）：248-249.