王查利，荊永君，張朋輝

（沈陽(yáng)師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

王查利，荊永君，張朋輝

（沈陽(yáng)師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，帶來(lái)了教育環(huán)境的進(jìn)一步提升。本文在介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)的概念及其類型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外幾個(gè)典型案例的研究分析，總結(jié)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其應(yīng)用前景提出展望。

虛擬現(xiàn)實(shí)；化學(xué)教育；應(yīng)用現(xiàn)狀；分析

化學(xué)是一門依托實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)用性很強(qiáng)的學(xué)科，在教學(xué)過(guò)程中其教學(xué)信息大部分都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)傳遞，然而，化學(xué)實(shí)驗(yàn)中相當(dāng)一部分實(shí)驗(yàn)具有危險(xiǎn)性（如氫氣的驗(yàn)純實(shí)驗(yàn)），或者實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易觀察（如脂化反應(yīng)、核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）。因此，通過(guò)輔助手段來(lái)減少傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的劣勢(shì)，從而增加實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)的促進(jìn)作用，成為研究者日漸關(guān)注的問(wèn)題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興的技術(shù)手段，能夠?qū)?shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行模擬仿真，不僅可以增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)、提高學(xué)生的動(dòng)手能力，而且能夠節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本和減少實(shí)驗(yàn)危害。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的優(yōu)勢(shì)將會(huì)給教育領(lǐng)域特別是教育中的實(shí)驗(yàn)學(xué)科提供全新的學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)環(huán)境。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)的概念及其類型

虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，簡(jiǎn)稱VR）由美國(guó)的加隆·雷尼爾（JaronLanier）于1989年正式提出，國(guó)內(nèi)還有學(xué)者將其翻譯為“靈境”、“虛擬環(huán)境”等。虛擬現(xiàn)實(shí)指的是利用三維多媒體信息處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)事物各種變化過(guò)程描述具有逼真的視、聽、觸、動(dòng)等多種感知功能的虛擬環(huán)境。通過(guò)對(duì)場(chǎng)景的虛擬能夠?yàn)閷W(xué)生營(yíng)造自主學(xué)習(xí)的虛擬環(huán)境，學(xué)生在虛擬環(huán)境中，能夠與虛擬對(duì)象以各種方式產(chǎn)生交互，從而達(dá)到感知虛擬環(huán)境中的信息并獲得知識(shí)和技能的目的，這樣就從根本上改變了傳統(tǒng)的 “以教促學(xué)”的方式。[1]而在具體的實(shí)現(xiàn)形式上，就必須要考慮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特殊性，用最恰當(dāng)?shù)姆绞絹?lái)呈現(xiàn)知識(shí)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中應(yīng)用的關(guān)鍵。[2]

布魯?shù)拢˙urdgeG）在1993年的Electro93國(guó)際會(huì)議上提出了虛擬現(xiàn)實(shí)的三個(gè)基本特征：沉浸感、交互性、想象性。[3]

虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感是其最根本的特征，它能夠使對(duì)象完全投入到虛擬環(huán)境中去，通過(guò)親身體驗(yàn)來(lái)獲得對(duì)世界的感知，這樣形成的知識(shí)更容易形成長(zhǎng)時(shí)記憶。交互性是指用戶在虛擬環(huán)境中能夠自由操縱虛擬對(duì)象并能夠得到反饋，它是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)區(qū)別于其他技術(shù)的核心。例如，用戶可以通過(guò)傳感手套用手握住虛擬環(huán)境中的水杯，能夠感受到水杯的重量，當(dāng)搖晃水杯時(shí)，能感受到杯中水的晃動(dòng)。想象性是指用戶在虛擬環(huán)境中，通過(guò)與虛擬環(huán)境的各種交互作用，從依靠單一的定量計(jì)算轉(zhuǎn)變成依靠定性和定量的綜合集成環(huán)境中獲得感性和理性知識(shí)，從而可以加深對(duì)概念的理解。

普通意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)，需要數(shù)據(jù)頭盔、傳感手套等昂貴設(shè)備，數(shù)據(jù)頭盔提供立體圖像深度暗示，它的顯示范圍包含人的整個(gè)視覺范圍，并且將用戶與現(xiàn)實(shí)世界完全屏蔽；傳感手套采用光纖作為傳感器，通過(guò)光纖而獲得光強(qiáng)數(shù)據(jù)從而間接獲知指關(guān)節(jié)的彎曲程度，最后感知手的變化。用戶在使用時(shí)可以依照自身的參與程度而選擇相對(duì)應(yīng)的設(shè)備。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以分為以下四種類型。

1．桌面虛擬現(xiàn)實(shí)

桌面虛擬現(xiàn)實(shí)（DesktopVR），是指用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)的屏幕獲得一個(gè)虛擬的觀察通道，依靠虛擬現(xiàn)實(shí)的簡(jiǎn)單外部設(shè)備達(dá)到與虛擬環(huán)境的交互。由于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感有限，導(dǎo)致了用戶在使用過(guò)程中無(wú)法擺脫現(xiàn)實(shí)世界的束縛，而不能夠完全沉浸在虛擬世界中，這是DVR的不足之處，然而其低廉的成本和實(shí)現(xiàn)技術(shù)較簡(jiǎn)單卻使其有著很廣闊的應(yīng)用前景。[4]如汽車駕駛模擬器、金華科仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室等都屬于桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用。

2．沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)（ImmersiveVR）主要是指用戶在數(shù)據(jù)頭盔、傳感手套等一些交互設(shè)備的作用下，自身的視、聽覺及其他感覺大部分或完全被人為地隔絕，而完全沉浸在虛擬的世界中，［5］在與虛擬世界中的物體交互的過(guò)程中產(chǎn)生新的視、聽及其他感覺，達(dá)到獲得經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的目的，這是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中最有代表性和技術(shù)性的系統(tǒng)。多投影面沉浸式虛擬環(huán)境（CaveAutomaticVirtualEnvironment）就是較有代表性的投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

3．增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實(shí)

增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實(shí)（AugmentedVR），是指在用戶觀察真實(shí)環(huán)境中的物體的同時(shí)，將虛擬環(huán)境的圖形與真實(shí)環(huán)境中的物體疊加在一起，把與真實(shí)物體有關(guān)的、儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中的信息展現(xiàn)給用戶，達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的目的。中科院心理研究所從美國(guó)引進(jìn)的IS－900運(yùn)動(dòng)跟蹤儀和SimEye XL100A頭盔，可以跟蹤身體各部位的運(yùn)動(dòng)以及眼睛所看到的物體，并將這些信息呈現(xiàn)在顯示儀上。這兩種設(shè)備已經(jīng)用于人類空間認(rèn)知基礎(chǔ)研究和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)研究。

4．分布式虛擬現(xiàn)實(shí)

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)（DistributedVR）是基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)而產(chǎn)生的，主要通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能而將多個(gè)用戶連接到同一虛擬環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)信息共享提高協(xié)同工作的效率。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)使虛擬現(xiàn)實(shí)上升到另外一種高度。[6]例如軍事演習(xí)的虛擬戰(zhàn)爭(zhēng)模擬就是分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域中的出現(xiàn)，帶來(lái)了學(xué)習(xí)效果的提高、思維活動(dòng)方式的改善等一系列教育功能的優(yōu)化。從目前來(lái)看，教育領(lǐng)域中虛擬現(xiàn)實(shí)的運(yùn)用并沒有大規(guī)?；?，其根本原因在于虛擬現(xiàn)實(shí)的軟硬件成本還沒有降低到教育系統(tǒng)能夠廣泛接受的程度。目前教育中應(yīng)用的相關(guān)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)多屬于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)的研究現(xiàn)狀

1．國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)源地，其研究水平基本上代表了國(guó)際虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的水平。目前美國(guó)在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺(tái)軟件和硬件四個(gè)方面。虛擬現(xiàn)實(shí)在航空航天、醫(yī)療、建筑等行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛和深入，但在教育中的應(yīng)用還未完全普及。

在國(guó)外研究成果中，應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域比較有代表性的學(xué)習(xí)軟件如下：

（1）ChemLab

ChemLab由美國(guó)Corel公司于1996年推出。它是一個(gè)交互式的化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M工具，通用的實(shí)驗(yàn)裝置和步驟用于模擬一步一步執(zhí)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。該軟件以任務(wù)為主線，首先，由教師制定一系列學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)生在領(lǐng)會(huì)學(xué)習(xí)任務(wù)和目標(biāo)的前提下，通過(guò)引導(dǎo)而最大程度地獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。ChemLab的功能比較突出，但實(shí)驗(yàn)器具和試劑偏少，實(shí)驗(yàn)?zāi)K之間的自由構(gòu)建功能體現(xiàn)不足，擴(kuò)展功能也很有限并且不具備味覺和觸覺功能。[7]

（2）IrYdiumChemistryLab

IrYdiumChemistryLab軟件由美國(guó)CarnegieMellon大學(xué)基于Java開發(fā)，有很好的跨平臺(tái)性，但運(yùn)行速度不是很快。它的優(yōu)點(diǎn)在于學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)查看學(xué)習(xí)進(jìn)度，充分利用空閑時(shí)間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)；將化學(xué)藥品的屬性直接展現(xiàn)在屏幕上，方便學(xué)生直接使用，如圖2所示。但是該軟件只設(shè)置了部分實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)藥品和裝置都不是很充足，在實(shí)驗(yàn)范圍的廣度上有待提升；針對(duì)學(xué)習(xí)者在實(shí)驗(yàn)中可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤沒有做出預(yù)測(cè)，缺乏錯(cuò)誤的提示和糾正功能。

2．國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的地位處于日漸上升的階段，多個(gè)領(lǐng)域都相繼引入虛擬現(xiàn)實(shí)并取得了較好的成果。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中主要應(yīng)用于航空航天、建筑、醫(yī)療、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、電子電路等學(xué)科教學(xué)中，而在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用還未得到大范圍的推廣。目前，國(guó)內(nèi)有代表性的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有以下幾種：

（1）浙江大學(xué)有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室

浙江大學(xué)有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室，是基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)，如圖3所示，該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要從基本操作、制備實(shí)驗(yàn)和分離實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的虛擬操作。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)容全面、界面清晰、操作步驟明晰并伴有操作提示，能夠讓學(xué)習(xí)者在提示作用下快速完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。但對(duì)于錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)完全屏蔽并且每一步都有提示，缺乏對(duì)學(xué)習(xí)者能力的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)。

（2）金華科仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室

金華科仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，軟件界面設(shè)計(jì)靈活，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較豐富，實(shí)驗(yàn)過(guò)程具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)性和開放的交互性，既是化學(xué)課堂中的教學(xué)平臺(tái)，也是化學(xué)教師的課件制作平臺(tái)和學(xué)生的交互式學(xué)習(xí)平臺(tái)。該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、三維分子展示（如圖4所示）、中學(xué)化學(xué)小百科三部分組成。仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)界面是二維結(jié)構(gòu)，用戶可以按照自己的需要搭建實(shí)驗(yàn)器材，獨(dú)自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)整體性上有自己的優(yōu)勢(shì)，并且能夠清晰地看到發(fā)光、氣泡等現(xiàn)象，不足之處在于它沒有對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能存在的錯(cuò)誤進(jìn)行分析，并給出錯(cuò)誤提示和更正處理。

（3）東師理想初中化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室軟件

東師理想初中化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室軟件，囊括了整個(gè)初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)全部實(shí)驗(yàn)儀器做了總結(jié)并給出了圖形介紹，每個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容又分為操作演示、虛擬操作、實(shí)驗(yàn)儀器展示、實(shí)驗(yàn)介紹四個(gè)部分。該軟件通過(guò)實(shí)驗(yàn)介紹闡述實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)以及實(shí)驗(yàn)的實(shí)用性和重要性，用語(yǔ)音和圖形把實(shí)驗(yàn)操作和注意事項(xiàng)展現(xiàn)給學(xué)生，最后通過(guò)學(xué)生自己的虛擬操作達(dá)到理解實(shí)驗(yàn)的目的，如圖5所示。整個(gè)教學(xué)過(guò)程思路清晰、目標(biāo)明確，學(xué)生按照既定的操作步驟在操作提示的引導(dǎo)下自主搭建實(shí)驗(yàn)器材，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，這既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，又能夠避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)。此系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)流程上還屬于線性的，缺乏發(fā)散思維和創(chuàng)新思維的引導(dǎo)，通過(guò)既定的儀器完成既定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)是該系統(tǒng)的不足之處。

從技術(shù)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，目前應(yīng)用于化學(xué)學(xué)科教學(xué)中的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)大部分都是二維的結(jié)構(gòu)，金華科仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室以及東師理想初中化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中涉及的分子結(jié)構(gòu)模型是三維呈現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前主要采用建模工具軟件，如 3DSMAX、MultigenCreator、Maya、Solid-Works等，進(jìn)行環(huán)境建模；再利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)工具和平臺(tái)提供的強(qiáng)大引擎和SDK工具包實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制、仿真和交互操作等功能；最后優(yōu)化并生成特定文件格式的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品并發(fā)布。目前使用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開 發(fā) 工 具 和 平 臺(tái) 有 Java3D、OpenGVS、VRML、Cult3D、EON、Quest3D、Virtools等，不同的技術(shù)各有其特點(diǎn)。

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在技術(shù)上已經(jīng)很容易實(shí)現(xiàn)，但在教與學(xué)的方式還需要進(jìn)一步改善。以上系統(tǒng)都只是采用傳統(tǒng)的以教為中心的教學(xué)模式，整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程只是按照既定的教學(xué)步驟而進(jìn)行，不能對(duì)學(xué)生的思維進(jìn)行引導(dǎo)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不能突出對(duì)學(xué)生技能的訓(xùn)練，缺乏對(duì)學(xué)生的智慧技能以及協(xié)作學(xué)習(xí)能力的考察；對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中所出現(xiàn)的錯(cuò)誤沒有作出預(yù)測(cè)并及時(shí)更正也是以上系統(tǒng)所缺乏的功能。[8]

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，必然使教育領(lǐng)域產(chǎn)生一種全新的改革，對(duì)于實(shí)驗(yàn)性的學(xué)科來(lái)說(shuō)，受到的影響更大?；瘜W(xué)學(xué)科實(shí)驗(yàn)過(guò)程的復(fù)雜性、現(xiàn)象的隱蔽性以及操作的危險(xiǎn)性等都直接影響了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的認(rèn)知。虛擬現(xiàn)實(shí)的出現(xiàn)，讓實(shí)驗(yàn)性學(xué)科的研究者和教學(xué)者感到煥然一新。

雖然虛擬現(xiàn)實(shí)有著無(wú)可或缺的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和良好的發(fā)展前景，但是也還有其自身的缺陷：從理論方面來(lái)看，它仍然需要更有依據(jù)性的理論作為支撐，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以其獨(dú)特的實(shí)現(xiàn)方式得到了眾多學(xué)者的青睞，但在國(guó)內(nèi)教育技術(shù)領(lǐng)域還沒引起足夠的重視；[9]從技術(shù)方面來(lái)說(shuō)它仍然需要性價(jià)比更高的設(shè)備來(lái)為教育系統(tǒng)服務(wù)，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，還只是延伸了計(jì)算機(jī)的接口，側(cè)重于研究人的感知系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的連接作用問(wèn)題，而對(duì)于“大腦是怎樣儲(chǔ)存和加工處理人在實(shí)踐中所得到的感知信息，并使之成為人對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)”這一重要過(guò)程的研究還有待進(jìn)一步深入。[10]只有真正涉及這些問(wèn)題并能夠以技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)，信息處理系統(tǒng)與人的關(guān)系才能夠明朗化，才能夠讓虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展更快速，更有針對(duì)性。

縱觀虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用現(xiàn)狀，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在與化學(xué)學(xué)科整合后，其日后的研究應(yīng)主要包括以下幾個(gè)方面：虛擬現(xiàn)實(shí)中有關(guān)教與學(xué)的理論；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所帶來(lái)的虛擬實(shí)驗(yàn)的積極影響與它所帶來(lái)的負(fù)面問(wèn)題；虛擬情境中參與對(duì)象的行為變化的監(jiān)測(cè)；虛擬現(xiàn)實(shí)中的有關(guān)教與學(xué)的多模式發(fā)展研究。

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（編輯：金冉）

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1673-8454（2012）09-0060-04