摘要：隨著信息計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也在不斷進(jìn)步和發(fā)展中并廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域中。虛擬實驗也應(yīng)用到中學(xué)教學(xué)環(huán)境中，成為深受教師和學(xué)生歡迎的新型教育手段。本文對虛擬技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對虛擬實驗技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中的實際應(yīng)用和意義進(jìn)行了相關(guān)研究。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗；中學(xué)化學(xué)；實驗教學(xué)

一、 高中化學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，中學(xué)階段的化學(xué)課程以科學(xué)探究為主要教學(xué)方式。目前，中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)遇到的問題主要有：

（1）由于難操作、危險、實驗周期長、實驗結(jié)果不明顯等問題，在實際教學(xué)中有些實驗無法讓學(xué)生進(jìn)行實際操作。

（2）由于受到中學(xué)升學(xué)考試壓力、實際教學(xué)課時的制約，以及對實驗教學(xué)的重視度不夠，造成對學(xué)生實驗操作技能的培養(yǎng)不夠。

（3）有的教師缺乏教學(xué)技能的更新，在教學(xué)模式的選擇上比較單一，對實驗的教學(xué)主要以講授法進(jìn)行。不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性，使實驗教學(xué)效果大打折扣。

（4）有些偏遠(yuǎn)地區(qū)的實驗室設(shè)備陳舊且數(shù)量不足，可操作的實驗數(shù)量和規(guī)模有限。

二、 什么是虛擬技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR：Virtual Reality）是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它是利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中。也就是說，我們用計算機技術(shù)模擬一個虛擬的世界，再借助外部的設(shè)備與虛擬世界的互動，讓人感覺就像在真實世界一樣?，F(xiàn)在，虛擬技術(shù)的應(yīng)用主要有：

VR+教育：K12教育、VR教學(xué)實訓(xùn)軟件、大型企業(yè)的內(nèi)部培訓(xùn)。

VR+制造業(yè)：汽車、飛機、動車、機械等的輔助設(shè)計。

VR+醫(yī)療：虛擬手術(shù)訓(xùn)練、遠(yuǎn)程會診、手術(shù)規(guī)劃及導(dǎo)航、遠(yuǎn)程協(xié)作手術(shù)。

VR+房地產(chǎn)：樣板房體驗等。

“VR+”將會是一個“互聯(lián)網(wǎng)+”，VR幾乎是無所不能，那么在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)同樣具有廣泛的作用和影響。

三、 虛擬技術(shù)在化學(xué)實驗教學(xué)中的優(yōu)勢

在虛擬教學(xué)模式中，學(xué)生在虛擬場景中進(jìn)行探究實驗，相當(dāng)于是自主學(xué)習(xí)，并且學(xué)習(xí)的過程不受時空限制，學(xué)習(xí)過程是由學(xué)生在自主參與過程中通過意義建構(gòu)產(chǎn)生的，教師在整個過程中承擔(dān)的作用只是引導(dǎo)者、學(xué)生意義構(gòu)建過程中的幫助者和刺激者。在此教學(xué)過程中，傳統(tǒng)教學(xué)模式的固有順序被打破，產(chǎn)生了“基于VR的課堂教學(xué)模式”，如圖1所示。

圖1基于VR的課堂教學(xué)模式

在基于VR的課堂教學(xué)模式中，教學(xué)過程和學(xué)習(xí)環(huán)境都是非線性的，學(xué)習(xí)者可以在VR系統(tǒng)中隨時隨地、沒有先后順序的獲取知識，教師也同樣如此。教師在VR教學(xué)系統(tǒng)中的教學(xué)呈現(xiàn)也不止微課、慕課這樣的簡單二維呈現(xiàn)，還可以進(jìn)行虛擬教學(xué)呈現(xiàn)。虛擬技術(shù)的在教學(xué)中的優(yōu)勢主要有：

（一） 臨場性

學(xué)生可以感覺到自己正處于虛擬環(huán)境中，覺得自己是該環(huán)境的一部分，而不是旁觀者。這種臨場性也可以通過運用交互設(shè)備把學(xué)生的聽覺、視覺等其他感覺暫時封閉起來，使他與真實環(huán)境隔離、集中注意力，全身心地投入到學(xué)習(xí)任務(wù)中去。

（二） 自主性

在虛擬教學(xué)模式中，學(xué)生可以自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)信息資料。并且，對于經(jīng)過一次學(xué)習(xí)沒有掌握的知識、技能，還可以自己進(jìn)行多次重復(fù)學(xué)習(xí)。真正使學(xué)生掌握學(xué)習(xí)的主動權(quán)，能提高學(xué)習(xí)效果，也減少了不必要的學(xué)習(xí)時間。

（三） 安全性

虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)比在現(xiàn)實環(huán)境中更安全，例如中學(xué)生可以進(jìn)行危險的化學(xué)實驗，軍事學(xué)生可以重演戰(zhàn)爭，消防隊員可以撲滅火災(zāi)。并且，在這種虛擬環(huán)境中試驗各種方案，即使闖下“大禍”，也不會引起任何實際“惡果”。

（四） 交互性

學(xué)生可以應(yīng)用多種交互手段，如語言、手勢、數(shù)據(jù)手套等與虛擬環(huán)境進(jìn)行交流，并得到反饋。這一特點使學(xué)生與物體、與事件、與其他人之間的雙向?qū)崟r反饋，在遠(yuǎn)程狀態(tài)下成為可能，就像面對面交流一樣。

四、 虛擬教學(xué)在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用舉例

虛擬技術(shù)在國內(nèi)的研究和應(yīng)用正處于一個上升期，在航天技術(shù)、醫(yī)療、建筑、設(shè)計、電子電路等教學(xué)中均有應(yīng)用。目前，國內(nèi)有代表性的虛擬化學(xué)實驗室主要有：浙江大學(xué)有機化學(xué)虛擬實驗室、金華科仿真化學(xué)實驗室、東師理想初中化學(xué)虛擬仿真實驗室軟件。有很多教師和研究者也在實際教學(xué)中進(jìn)行了虛擬技術(shù)應(yīng)用的研究。

徐心語，基于Java3D平臺，進(jìn)行了3D虛擬的鈉溶于水的化學(xué)實驗，平臺中所用到的儀器、藥品、實驗過程的聲音、形態(tài)、顏色變化和實驗最終結(jié)果。實驗者可以用鼠標(biāo)進(jìn)行實驗的每一步操作，并觀察出清晰準(zhǔn)確的反應(yīng)結(jié)果，實驗者能順利完成鈉溶于水的實驗并把鈉溶于水的“浮、溶、響、動、紅”的現(xiàn)象模擬出來。

高中化學(xué)選修3《物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》的內(nèi)容具有內(nèi)容抽象、難度大的特點，導(dǎo)致很多學(xué)生對此部分的學(xué)習(xí)非常沒有興趣。對于這種需要空間想象能力的內(nèi)容，虛擬技術(shù)就能很好地展現(xiàn)其作用了。張潔利用虛擬技術(shù)建立了化學(xué)實驗室三維分子模型，可直觀顯示物質(zhì)的H維空間結(jié)構(gòu)的比例模型、球棍模型、字符模型、平面模型等多種模型。

在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，驗證性實驗通常采用“告訴—驗證—應(yīng)用”的教學(xué)模式，即學(xué)生通過已經(jīng)設(shè)計好的實驗來驗證已經(jīng)知道結(jié)果的性質(zhì)或者化學(xué)結(jié)構(gòu)。但實際上，清楚一個過程是如何發(fā)生的比發(fā)現(xiàn)結(jié)果更重要。王查利利用虛擬實驗構(gòu)成了新型驗證性實驗教學(xué)模式，即“情境—驗證—比較—概括—應(yīng)用”。教師在實驗之前將實驗?zāi)繕?biāo)、實驗原理呈獻(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生在目標(biāo)的指引下努力完成實驗內(nèi)容，最后教師通過查閱實驗過程和學(xué)生的實驗結(jié)論來綜合評價此次實驗。

五、 虛擬技術(shù)對中學(xué)化學(xué)教學(xué)的意義

（一） 在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中使用虛擬技術(shù)能提高學(xué)生自我學(xué)習(xí)的能力

在現(xiàn)實實驗教學(xué)中，學(xué)生需要通過教材來了解實驗內(nèi)容。而在虛擬實驗系統(tǒng)中，教師可以提前將實驗內(nèi)容、要求及習(xí)題上傳到系統(tǒng)。學(xué)生可以根據(jù)實驗要求選擇所需的仿真儀器、藥品，并能將實驗過程中遇到的問題記錄上傳至系統(tǒng)，教師做出解答。這樣，學(xué)生的學(xué)習(xí)就由被動變?yōu)橹鲃?，提高學(xué)習(xí)興趣的同時也發(fā)揮了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意識，自主學(xué)習(xí)能力顯著提高。

（二） 在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中使用虛擬技術(shù)能加深學(xué)生對理論教學(xué)所學(xué)知識的理解

化學(xué)是一門以實驗為依托的課程，在高中必修1和必修2的課程中，我們都是通過實驗現(xiàn)象來讓學(xué)生得到一個直觀認(rèn)識，再通過推廣、總結(jié)得出相應(yīng)理論知識。但在實際實驗教學(xué)中，出于課時安排、場地、安全性等考慮，有些實驗無法實施，學(xué)生對于相關(guān)理論的理解也就不會那么通透，影響了實際教學(xué)效果。而虛擬技術(shù)解決了上述問題，使幾乎所有實驗都可以進(jìn)行，并可以邊講邊做，有效提高了學(xué)生對理論知識的理解和應(yīng)用。

（三） 在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中使用虛擬技術(shù)能豐富教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的實驗探究能力

在中學(xué)化學(xué)教學(xué)階段，探究實驗、工藝流程圖是試卷中的?？碱}目。但在實際上，在中學(xué)化學(xué)實驗室，我們很難進(jìn)行相關(guān)實驗，使場景重現(xiàn)。虛擬技術(shù)恰恰可以滿足我們的需要。我們可以在虛擬實驗系統(tǒng)將題目中的場景重現(xiàn)，使學(xué)生了解實際工業(yè)操作中需要考慮的問題；也可以讓學(xué)生自行設(shè)計探究實驗，理解設(shè)計實驗過程中需要考慮的試劑選擇、用量、環(huán)保問題及空白對照等方面。學(xué)生通過反復(fù)的模擬練習(xí)、處理數(shù)據(jù)，也就提高了實驗探究能力。

六、 結(jié)語

虛擬技術(shù)實現(xiàn)了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在中學(xué)化學(xué)中應(yīng)用，具有臨場性、交互性、安全性的特點，能夠提高學(xué)生的自學(xué)能力、實驗探究能力，是一種很好的輔助教學(xué)手段。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及虛擬化學(xué)實驗技術(shù)的發(fā)展和完善，虛擬技術(shù)勢必會越來越受到教育工作者的青睞。但是，要使其在中學(xué)實驗教學(xué)中充分發(fā)揮其輔助教學(xué)作用，必須要注意與傳統(tǒng)化學(xué)實驗的有效結(jié)合。另外，教育部門要加強對軟件的開發(fā)和教師技術(shù)方面的培訓(xùn)，以便虛擬技術(shù)在中學(xué)實驗教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]史壽樂.虛擬現(xiàn)實在教育中的應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化，2017，4（32）：205-206，209.

[2]朱福軍，鄭萌，顧倩頤.VR技術(shù)視角下課堂學(xué)習(xí)環(huán)境革新與重構(gòu)[J].中國教育技術(shù)裝備，2017（2）：43-45，48.

[3]王查利，荊永君，張朋輝.虛擬技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].中國教育信息化，2012（9）：60-63.

[4]徐心語.基于java 3D虛擬化學(xué)實驗系統(tǒng)的構(gòu)建——以鈉溶于水反應(yīng)現(xiàn)象為例[J].技術(shù)研究，2017（5）：20-22.

[5]張潔.三維虛擬技術(shù)在中學(xué)化學(xué)《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》教學(xué)中的研究應(yīng)用[D].西安：西北大學(xué)，2016.

[6]王查利.中學(xué)化學(xué)驗證性虛擬實驗的設(shè)計與應(yīng)用研究[D].沈陽：沈陽師范大學(xué)，2012.

作者簡介：

孫芳，中學(xué)一級，廣東省廣州市，廣東第二師范學(xué)院番禺附屬中學(xué)。