李靜媛 張 弛

一、引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（英文名稱：Virtual Reality，縮寫為VR），又稱靈境技術(shù)，是20 世紀開發(fā)出來的一項全新的實用技術(shù)，其基本實現(xiàn)方式是用計算機模擬虛擬環(huán)境，給人以“環(huán)境沉浸感”。隨著社會的發(fā)展，各行各業(yè)對VR 技術(shù)也越發(fā)關(guān)注，尋求其對所在行業(yè)可能產(chǎn)生的應(yīng)用價值，教育領(lǐng)域當然也不例外。有研究表明，視覺的認識信息占人類認知總量的83%，而且人對這些信息往往記得更牢固、更持久。VR 技術(shù)有突出的可視化效果，教師可通過基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸式教學(xué)，解決某些知識過于抽象、難以理解等問題，進而實現(xiàn)由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”，向?qū)W習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來獲取知識的轉(zhuǎn)變，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與投入程度［1］。

二、初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用探索

筆者所在學(xué)校于兩年前開始嘗試將VR 技術(shù)應(yīng)用于各科教學(xué)中，其基本模式為：教師根據(jù)教學(xué)需要設(shè)計腳本并輔以必要的概念圖——由專業(yè)機構(gòu)根據(jù)腳本進行VR 課件開發(fā)，最終由教師審核，對課件中不合理或不符合教師設(shè)想的部分提出修改意見，形成基本符合要求的課件，再在教學(xué)中進行應(yīng)用嘗試，不斷對課件進行修改、完善。筆者所在校的初中化學(xué)學(xué)科是學(xué)校的試點學(xué)科，通過幾年的實踐取得了令人滿意的成績。下面，從VR 技術(shù)應(yīng)用于初中化學(xué)教學(xué)中的價值和所起到的作用這個角度進行舉例說明。

1.交互式體驗激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

例如，在講授人教版《義務(wù)教育課程標準實驗教科書·化學(xué)》（以下統(tǒng)稱“人教版教材”）九年級上冊《燃燒和滅火》這一課時，其主要價值不在于書本上抽象的知識，而在于學(xué)生遇到諸如火災(zāi)這類危險情境時，是否能科學(xué)合理地采取有效措施，最大限度地保護好自己。為此，教師設(shè)計了火場逃生的交互式體驗?zāi)M情境，讓學(xué)生在虛擬而又真實的場景中自主選擇逃生方式，強化其體驗性（見圖1）。

由于這些情境的設(shè)置都是來自于生活，而且也穿插了生活中不可缺少的消防安全等方面的知識，故大大地激發(fā)了學(xué)生參與的興趣，提高了他們相關(guān)的能力素養(yǎng)。若沒有虛擬技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，那只能停留在“教師講、學(xué)生聽”的教學(xué)形式上，自然也不會給學(xué)生留下深刻的記憶，更談不上運用到緊急情況的實際中去了。更可貴的是，這樣的虛擬場景不具有任何危險性［2］。

2.沉浸式體驗實現(xiàn)了宏觀微觀結(jié)合

圖1 火場逃生交互式體驗示意圖

化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一就是宏觀辨識與微觀探析，在化學(xué)學(xué)習(xí)中，有很多需要用微觀實質(zhì)來解釋宏觀現(xiàn)象的問題。對微觀內(nèi)容的解讀，要求學(xué)生具有一定的空間想象能力，而初中學(xué)生由于知識儲備的限制往往對化學(xué)中的微觀想象感到困惑。因此，對事物進行直觀體驗，建立直接經(jīng)驗的需求在虛擬現(xiàn)實中是很容易實現(xiàn)的［3］。

實例（1）關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的介紹。在以往的教學(xué)中，我們往往只能憑借有限的動畫資源和圖片資源來解釋原子的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在借助VR 技術(shù)，就可帶領(lǐng)學(xué)生走入原子內(nèi)部，讓他們在微觀時空中旅行。他們看到了體積很小的質(zhì)量卻在原子中占絕對優(yōu)勢的原子核，看到了身輕如燕無規(guī)則運動的電子，看到了原子核中的質(zhì)子和中子……學(xué)生沉浸于其中，對知識有了深刻的理解與記憶。

實例（2）在人教版教材九年級下冊《溶液的形成》這一課中，學(xué)生往往對物質(zhì)溶解的微觀過程和乳化現(xiàn)象不能很好地理解。雖然我們也可以用播放動畫的方式來幫助學(xué)生進行形象化理解，但這畢竟是平面化的，且觀看投影屏幕總給人一種距離感。于是，筆者進行了這樣處理：首先，通過幾種常見物質(zhì)在水中分散的實驗，讓學(xué)生對物質(zhì)的溶解產(chǎn)生初步的感性認識；然后，引導(dǎo)學(xué)生思考“為什么溶液具有均一和穩(wěn)定的特征呢？”這一問題。這使學(xué)生自然而然地想到，要從微觀中尋找原因。這時，讓學(xué)生戴上VR 設(shè)備，對氯化鈉、蔗糖等物質(zhì)溶于水的微觀過程進行觀察（見圖2），可由教師控制，讓大家同步觀察，還可放開權(quán)限，讓學(xué)生根據(jù)需要進行細節(jié)觀察。借助VR 技術(shù)的3D 功能，觀察者如同置身于溶液之中，親眼洞視著溶質(zhì)離子或分子在水分子的拖動下紛紛擴散，進而形成了均一穩(wěn)定的混合物。這樣的沉浸式體驗比觀看電腦屏幕、平面動畫的帶入感要強很多。同樣，洗滌劑乳化油脂的原理對于初中學(xué)生來講也是比較難以理解的，而在VR 技術(shù)的幫助下，學(xué)生看到，眼前胖胖的油分子無比“呆萌”，但是在乳化劑的進攻下又無可奈何地被分為無數(shù)個小油滴，繼而實現(xiàn)了乳濁液的“升級”（見圖3）。這樣的視覺效果很生動，使學(xué)生能夠很好地對物質(zhì)溶解過程進行描述。這也說明他們真正地掌握了該知識，且是獨立完成的。

圖2 氯化鈉溶解VR 場景模擬圖

圖3 洗滌劑乳化油脂VR 場景模擬圖

3. 共享式體驗突破時空限制

在實際教學(xué)中，我們往往會在時空上受到一些限制。例如，教師不可能每次都帶學(xué)生到實地去參觀體驗，更不可能穿越回古代。有了虛擬技術(shù)，這個問題就能很好地得到解決。例如，筆者所在校的嚴娟老師執(zhí)教的人教版教材九年級下冊第八單元《金屬》一課，一開始，她就利用VR 技術(shù)帶領(lǐng)學(xué)生進入虛擬的金屬博物館，學(xué)生跟隨屏幕中地面上的箭頭指示，開啟了一段神奇的金屬在人類歷史進程中得到應(yīng)用的旅程。依照人類利用金屬的時間先后而排序的幾種金屬——銅、鐵、鋁、鈦等呈現(xiàn)在學(xué)生面前，同時耳邊還伴有親切的講解聲（見圖4）。從圖5 的界面上學(xué)生可以感受到這種縱深感是普通電腦屏幕不能比擬的，而且在現(xiàn)實生活中，我們也找不到這樣一家可以突破時空限制而真實存在的博物館。課后，學(xué)生們和聽課的同仁們都紛紛直呼“過癮”，對這一“創(chuàng)舉”給予了高度的評價。

圖4 “中星”模擬場景主界面

圖5 參觀金屬博物館模擬實景圖

三、體會與反思

通過對虛擬技術(shù)的應(yīng)用，筆者深切感受到科技改變未來、夢想照進現(xiàn)實的美好。學(xué)生對應(yīng)用高科技的課堂充滿好奇，積極參與，真正成為了學(xué)習(xí)的主人。教師們在此過程中也收獲了很多，得到了成長。當然，虛擬技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的阻礙也是比較多的。例如，怎樣處理設(shè)計者、應(yīng)用者與開發(fā)者之間的關(guān)系，三者是否能長期穩(wěn)定地合作，所開發(fā)的課件是否符合設(shè)計者的思路、應(yīng)用者的需求。再如，課件的形象性、逼真性、趣味性和美觀性等指標如何，是否符合客觀事實，如果達不到相應(yīng)效果，是否會起反作用。

當今世界，人工智能、大數(shù)據(jù)分析與虛擬現(xiàn)實被稱為影響未來的三大科技創(chuàng)新項目。未來的虛擬現(xiàn)實將結(jié)合更多高新科技元素，如人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)和移動技術(shù)等，其在教育領(lǐng)域的發(fā)展前景也將會越來越廣闊。將虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)廣泛地應(yīng)用到課堂教學(xué)中，對貫徹落實教育部關(guān)于“發(fā)展未來學(xué)?！焙汀爸腔壅n堂改革”的精神有著重大的意義。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)能夠?qū)⑻摂M對象與真實環(huán)境相融合，通過其獨特的科技性更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣，并為學(xué)生提供一種新的學(xué)習(xí)媒體和學(xué)習(xí)體驗，促使學(xué)生在愉悅的狀態(tài)下進行移動學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)。但是，虛擬技術(shù)在未來教學(xué)中的廣泛應(yīng)用還需要社會、學(xué)校、教師等方面的共同努力，從根本上解決資金配置、軟件研發(fā)、人員協(xié)調(diào)等一系列的問題。筆者期待，在不久的將來，虛擬現(xiàn)實能與教育完美結(jié)合，真正走進中小學(xué)課堂，為開啟未來教育的創(chuàng)新之路作出巨大的貢獻。