王查利，荊永君，張朋輝

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

虛擬現(xiàn)實技術(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

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

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

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

化學(xué)是一門依托實驗教學(xué)的實用性很強(qiáng)的學(xué)科，在教學(xué)過程中其教學(xué)信息大部分都是通過實驗來傳遞，然而，化學(xué)實驗中相當(dāng)一部分實驗具有危險性（如氫氣的驗純實驗），或者實驗現(xiàn)象不易觀察（如脂化反應(yīng)、核外電子運動狀態(tài)）。因此，通過輔助手段來減少傳統(tǒng)實驗存在的劣勢，從而增加實驗對學(xué)習(xí)的促進(jìn)作用，成為研究者日漸關(guān)注的問題。虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種新興的技術(shù)手段，能夠?qū)嶒瀮?nèi)容進(jìn)行模擬仿真，不僅可以增加學(xué)生的感性認(rèn)識、提高學(xué)生的動手能力，而且能夠節(jié)約實驗成本和減少實驗危害。虛擬現(xiàn)實技術(shù)所具有的優(yōu)勢將會給教育領(lǐng)域特別是教育中的實驗學(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)實的概念及其類型

虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，簡稱VR）由美國的加隆·雷尼爾（JaronLanier）于1989年正式提出，國內(nèi)還有學(xué)者將其翻譯為“靈境”、“虛擬環(huán)境”等。虛擬現(xiàn)實指的是利用三維多媒體信息處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對現(xiàn)實事物各種變化過程描述具有逼真的視、聽、觸、動等多種感知功能的虛擬環(huán)境。通過對場景的虛擬能夠為學(xué)生營造自主學(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]而在具體的實現(xiàn)形式上，就必須要考慮虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特殊性，用最恰當(dāng)?shù)姆绞絹沓尸F(xiàn)知識是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中應(yīng)用的關(guān)鍵。[2]

布魯?shù)拢˙urdgeG）在1993年的Electro93國際會議上提出了虛擬現(xiàn)實的三個基本特征：沉浸感、交互性、想象性。[3]

虛擬現(xiàn)實的沉浸感是其最根本的特征，它能夠使對象完全投入到虛擬環(huán)境中去，通過親身體驗來獲得對世界的感知，這樣形成的知識更容易形成長時記憶。交互性是指用戶在虛擬環(huán)境中能夠自由操縱虛擬對象并能夠得到反饋，它是虛擬現(xiàn)實技術(shù)區(qū)別于其他技術(shù)的核心。例如，用戶可以通過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，能感受到杯中水的晃動。想象性是指用戶在虛擬環(huán)境中，通過與虛擬環(huán)境的各種交互作用，從依靠單一的定量計算轉(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，從而可以加深對概念的理解。

普通意義上的虛擬現(xiàn)實，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視覺范圍，并且將用戶與現(xiàn)實世界完全屏蔽；傳感手套采用光纖作為傳感器，通過光纖而獲得光強(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。用戶在使用時可以依照自身的參與程度而選擇相對應(yīng)的設(shè)備。

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

1．桌面虛擬現(xiàn)實

桌面虛擬現(xiàn)實（DesktopVR），是指用戶通過計算機(jī)的屏幕獲得一個虛擬的觀察通道，依靠虛擬現(xiàn)實的簡單外部設(shè)備達(dá)到與虛擬環(huán)境的交互。由于桌面虛擬現(xiàn)實的沉浸感有限，導(dǎo)致了用戶在使用過程中無法擺脫現(xiàn)實世界的束縛，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現(xiàn)技術(shù)較簡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)實驗室等都屬于桌面式虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用。

2．沉浸式虛擬現(xiàn)實

沉浸式虛擬現(xiàn)實（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程中產(chǎn)生新的視、聽及其他感覺，達(dá)到獲得經(jīng)驗和知識的目的，這是虛擬現(xiàn)實系統(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)實系統(tǒng)。

3．增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實

增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實（AugmentedVR），是指在用戶觀察真實環(huán)境中的物體的同時，將虛擬環(huán)境的圖形與真實環(huán)境中的物體疊加在一起，把與真實物體有關(guān)的、儲存在計算機(jī)中的信息展現(xiàn)給用戶，達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實的目的。中科院心理研究所從美國引進(jìn)的IS－900運動跟蹤儀和SimEye XL100A頭盔，可以跟蹤身體各部位的運動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)實研究。

4．分布式虛擬現(xiàn)實

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

虛擬現(xiàn)實在教育領(lǐng)域中的出現(xiàn)，帶來了學(xué)習(xí)效果的提高、思維活動方式的改善等一系列教育功能的優(yōu)化。從目前來看，教育領(lǐng)域中虛擬現(xiàn)實的運用并沒有大規(guī)模化，其根本原因在于虛擬現(xiàn)實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)實系統(tǒng)多屬于桌面虛擬現(xiàn)實。

二、虛擬現(xiàn)實的研究現(xiàn)狀

1．國外研究現(xiàn)狀

美國作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)源地，其研究水平基本上代表了國際虛擬現(xiàn)實發(fā)展的水平。目前美國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。虛擬現(xiàn)實在航空航天、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Corel公司于1996年推出。它是一個交互式的化學(xué)實驗?zāi)M工具，通用的實驗裝置和步驟用于模擬一步一步執(zhí)行化學(xué)實驗，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)會學(xué)習(xí)任務(wù)和目標(biāo)的前提下，通過引導(dǎo)而最大程度地獨立完成實驗。ChemLab的功能比較突出，但實驗器具和試劑偏少，實驗?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CarnegieMellon大學(xué)基于Java開發(fā)，有很好的跨平臺性，但運行速度不是很快。它的優(yōu)點在于學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)來查看學(xué)習(xí)進(jìn)度，充分利用空閑時間進(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)置了部分實驗，實驗藥品和裝置都不是很充足，在實驗范圍的廣度上有待提升；針對學(xué)習(xí)者在實驗中可能產(chǎn)生的錯誤沒有做出預(yù)測，缺乏錯誤的提示和糾正功能。

2．國內(nèi)研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)的地位處于日漸上升的階段，多個領(lǐng)域都相繼引入虛擬現(xiàn)實并取得了較好的成果。目前，虛擬現(xiàn)實技術(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、電子電路等學(xué)科教學(xué)中，而在化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用還未得到大范圍的推廣。目前，國內(nèi)有代表性的虛擬化學(xué)實驗系統(tǒng)主要有以下幾種：

（1）浙江大學(xué)有機(jī)化學(xué)虛擬實驗室

浙江大學(xué)有機(jī)化學(xué)虛擬實驗室，是基于Web的虛擬實驗，如圖3所示，該系統(tǒng)的實驗內(nèi)容主要從基本操作、制備實驗和分離實驗三個方面，實現(xiàn)對有機(jī)化學(xué)實驗的虛擬操作。整個實驗系統(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驗內(nèi)容。但對于錯誤的實驗完全屏蔽并且每一步都有提示，缺乏對學(xué)習(xí)者能力的檢測與監(jiān)測。

（2）金華科仿真化學(xué)實驗室

金華科仿真化學(xué)實驗室，軟件界面設(shè)計靈活，實驗內(nèi)容較豐富，實驗過程具有嚴(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，也是化學(xué)教師的課件制作平臺和學(xué)生的交互式學(xué)習(xí)平臺。該虛擬實驗系統(tǒng)由仿真化學(xué)實驗室、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)實驗室的設(shè)計界面是二維結(jié)構(gòu)，用戶可以按照自己的需要搭建實驗器材，獨自進(jìn)行實驗。在實驗整體性上有自己的優(yōu)勢，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實驗過程中可能存在的錯誤進(jìn)行分析，并給出錯誤提示和更正處理。

（3）東師理想初中化學(xué)虛擬仿真實驗室軟件

東師理想初中化學(xué)虛擬仿真實驗室軟件，囊括了整個初中化學(xué)實驗內(nèi)容，對全部實驗儀器做了總結(jié)并給出了圖形介紹，每個實驗內(nèi)容又分為操作演示、虛擬操作、實驗儀器展示、實驗介紹四個部分。該軟件通過實驗介紹闡述實驗的教學(xué)目標(biāo)以及實驗的實用性和重要性，用語音和圖形把實驗操作和注意事項展現(xiàn)給學(xué)生，最后通過學(xué)生自己的虛擬操作達(dá)到理解實驗的目的，如圖5所示。整個教學(xué)過程思路清晰、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)下自主搭建實驗器材，獨立完成實驗，這既鍛煉了學(xué)生的動手能力，又能夠避免真實實驗的危險。此系統(tǒng)在實驗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)，通過既定的儀器完成既定的實驗任務(wù)是該系統(tǒng)的不足之處。

從技術(shù)領(lǐng)域來說，目前應(yīng)用于化學(xué)學(xué)科教學(xué)中的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)大部分都是二維的結(jié)構(gòu)，金華科仿真化學(xué)實驗室以及東師理想初中化學(xué)虛擬仿真實驗室中涉及的分子結(jié)構(gòu)模型是三維呈現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實技術(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)實技術(shù)開發(fā)工具和平臺提供的強(qiáng)大引擎和SDK工具包實現(xiàn)場景的實時繪制、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)實產(chǎn)品并發(fā)布。目前使用的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開 發(fā) 工 具 和 平 臺 有 Java3D、OpenGVS、VRML、Cult3D、EON、Quest3D、Virtools等，不同的技術(shù)各有其特點。

虛擬實驗系統(tǒng)在技術(shù)上已經(jīng)很容易實現(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，整個學(xué)習(xí)過程只是按照既定的教學(xué)步驟而進(jìn)行，不能對學(xué)生的思維進(jìn)行引導(dǎo)；實驗過程中不能突出對學(xué)生技能的訓(xùn)練，缺乏對學(xué)生的智慧技能以及協(xié)作學(xué)習(xí)能力的考察；對學(xué)生在實驗中所出現(xiàn)的錯誤沒有作出預(yù)測并及時更正也是以上系統(tǒng)所缺乏的功能。[8]

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景

虛擬現(xiàn)實技術(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，對于實驗性的學(xué)科來說，受到的影響更大?；瘜W(xué)學(xué)科實驗過程的復(fù)雜性、現(xiàn)象的隱蔽性以及操作的危險性等都直接影響了學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的獲取以及對實驗結(jié)果的認(rèn)知。虛擬現(xiàn)實的出現(xiàn)，讓實驗性學(xué)科的研究者和教學(xué)者感到煥然一新。

雖然虛擬現(xiàn)實有著無可或缺的技術(shù)優(yōu)勢和良好的發(fā)展前景，但是也還有其自身的缺陷：從理論方面來看，它仍然需要更有依據(jù)性的理論作為支撐，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)以其獨特的實現(xiàn)方式得到了眾多學(xué)者的青睞，但在國內(nèi)教育技術(shù)領(lǐng)域還沒引起足夠的重視；[9]從技術(shù)方面來說它仍然需要性價比更高的設(shè)備來為教育系統(tǒng)服務(wù)，目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，還只是延伸了計算機(jī)的接口，側(cè)重于研究人的感知系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)與計算機(jī)的連接作用問題，而對于“大腦是怎樣儲存和加工處理人在實踐中所得到的感知信息，并使之成為人對客觀世界的認(rèn)識”這一重要過程的研究還有待進(jìn)一步深入。[10]只有真正涉及這些問題并能夠以技術(shù)實現(xiàn)時，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)實的發(fā)展更快速，更有針對性。

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

[1]趙志剛.虛擬現(xiàn)實技術(shù)對實驗教學(xué)的影響[J].中國電化教育，2007（12）.

[2]張力.應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)教學(xué)質(zhì)量的研究[J].電化教育研究，2003（6）.

[3]周思躍，龔振邦.虛擬現(xiàn)實定義的探討[J].計算機(jī)仿真，2006（9）.

[4]黃劍玲，鄒輝.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗教學(xué)系統(tǒng)及其特點[J].中國電化教育，2009（4）.

[5]李敏，劉剛，王力.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在化學(xué)反應(yīng)工程實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2006（10）.

[6]李鳴華.分布式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計與應(yīng)用研究[J].電化教育研究.2009（4）.

[7]蔡邦宏.化學(xué)實驗的真實再現(xiàn)—CorelChemLab軟件的應(yīng)用[J].計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué).2006（10）.

[8]宋正國，刁秀麗.虛擬實驗教學(xué)環(huán)境研究現(xiàn)狀及趨勢探悉[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2009（12）.

[9]李凌云，王海軍.網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2008（4）.

[10]王琳琳，劉洪利.虛擬現(xiàn)實下的頤和園[J].首都師范大學(xué)學(xué)報，2009（1）.

（編輯：金冉）

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1673-8454（2012）09-0060-04