劉瑞淇 劉赟宇 王寶金

摘 要：很多高中化學實驗存在危險性，應用VR技術來虛擬實驗過程，使學生“身臨其境”感受實驗效果，既生動又安全。文章通過應用Unity軟件、手機和VR眼鏡開發(fā)化學實驗，并采用問卷調查和分析的方法，驗證VR實驗的學習效果，具有推廣普及的價值。

關鍵詞：化學實驗;虛擬現(xiàn)實;教學評價

中圖分類號：TP393? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：B? ? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2019）06-0094-03

高中化學課程中教師講到“水入酸”實驗，會產生酸液飛濺現(xiàn)象，飛濺的高溫腐蝕液十分危險。類似實驗還很多，出于安全考慮，很多類似的實驗無法嘗試，目前的教學方式大都是通過文字語言描述使學生理解。因此，應用VR技術虛擬化學實驗過程，使學生能夠“身臨其境”感受到實驗的真實效果，既安全又生動。本文通過VR技術設計化學實驗，并通過實踐分析驗證學習效果。

一、VR技術

VR是Virtual Reality的縮寫，即虛擬現(xiàn)實技術，在20世紀60年代被首次提出，VR可將體驗者帶入創(chuàng)造的虛擬三維空間，打造完全在現(xiàn)場的感覺，核心是產生沉浸感，使用者可以達到一種進入其他時空的感覺，帶來更加身臨其境的體驗。對教育領域來說，VR技術可以虛擬科技場景，形象有趣地將抽象的科學知識呈現(xiàn)出來， VR的“身臨其境”，與教育學領域中的“情景構建”理論非常契合。

高中課程中學習到的化學反應實驗，本身涉及的知識抽象、領域廣泛，青少年對化學反應了解少，尤其是危險化學反應，比如，高中化學課程講到“水入酸”實驗，由于實驗會產生酸液飛濺現(xiàn)象，十分危險，一般只做理論說明，不能真實實驗，導致學生對實驗的危險性認識不足。因此，如何應用VR技術來虛擬實驗過程，替代化學課程中的危險類化學實驗，增強學生對實驗的認識，提高安全意識，并通過實踐驗證學習效果，是本文研究的主要問題。

二、技術調研與分析

1.技術基礎

虛擬現(xiàn)實技術是仿真技術的一個重要方向，是一門富有挑戰(zhàn)性的前沿學科和研究領域。虛擬現(xiàn)實技術主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設備等方面。虛擬現(xiàn)實技術具有多感知性、存在感、交互性、自主性等特征，2004年之后虛擬現(xiàn)實技術開始進入普及應用階段。

2.開發(fā)軟件

虛擬現(xiàn)實軟件、虛擬現(xiàn)實引擎已經非常成熟，常見軟件包括VRP、Quest 3D、Unity等， Unity3D是一款虛擬現(xiàn)實、跨平臺應用程序開發(fā)引擎，可以輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，目前Unity2017個人版免費，專業(yè)版有30天全功能試用期。

3.硬件設備

硬件設備包括數(shù)據(jù)手套、數(shù)字頭盔、頭部跟蹤、動作捕捉。此外，還有位置追蹤器、VR眼鏡，其中VR眼鏡可以結合手機實現(xiàn)最簡單有效的虛擬現(xiàn)實效果，目前常見的VR眼鏡有HTC Vive、Facebook Oculus Rift、Sony PlayStation VR、Samsung Gear VR、Google Cardboard。

4.交互方式

虛擬現(xiàn)實被很多業(yè)內人士認為是下一個時代的交互方式，它比平面圖形交互擁有更加豐富的形式，常見的交互方式包括眼部跟蹤、動作捕捉、語音識別、手勢識別、傳感器等。

5.確定方案

結合上述技術調研結果，考慮成本問題，我們確定采用Unity軟件開發(fā)虛擬實驗，暴風魔鏡VR眼鏡和安卓手機展示虛擬實驗的方案。具體見表1。

雖然這個方案里使用的設備只有手機和VR眼鏡，但是使用起來卻很方便，正如現(xiàn)在人們使用智能手機來聽音樂，效果并不是最好的那個，但是至少可以隨時隨地聽，使用很方便，使用手機學習也是這樣，設計的實驗可以隨時進行，簡單方便。使用虛擬現(xiàn)實技術替代危險化學實驗，需要考慮將危險化學實驗的實驗步驟、實驗效果及技術關鍵點通過虛擬的方式展示出來，從化學實驗用品準備到實驗操作步驟、注意事項、安全知識、效果呈現(xiàn)，結合化學實驗進行技術分析后確定項目采用的技術路線， 認為此方案可行性強。同時，考慮該方案的知識性、便捷性、趣味性和功能性于一體，利用虛擬現(xiàn)實技術設計充滿趣味性、真實性、交互性的虛擬場景，形象展現(xiàn)化學實驗的基礎知識。

因此，VR化學實驗設計的技術路線如下：首先梳理高中化學的知識體系，歸納整理出由于危險不能實際操作的化學實驗，設計實驗平臺整體風格;然后以“水入酸”實驗為例開展工作，進行虛擬場景的具體內容開發(fā)，制作各個場景所需要的虛擬三維模型、材質、貼圖，制作相關文字及語音資料;最后搭建虛擬場景、編寫控制程序，通過VR眼鏡和手機，采用真實感和趣味性的人機交互手段形成實驗的具體內容，并通過學習體驗總結學習效果。

三、開發(fā)過程

Unity虛擬現(xiàn)實設計流程主要包括MAX制作模型、導入Unity、設計相機代碼、設計UI、build。具體包括：①通過Unity的菜單確定基本的視圖、比例和結構;②建立場景里面的坐標系統(tǒng)和向量;③創(chuàng)建基本的場景，開發(fā)游戲對象、組件、腳本;④導入網(wǎng)格、材質、貼圖、動畫等基本元素;⑤確定游戲對象、組件、腳本彼此之間的關系;⑥設定攝像機、燈光、地形、渲染、粒子系統(tǒng)、物理系統(tǒng)等;⑦向量的加減法、光照法線貼圖、內存管理、圖形優(yōu)化等。

本實驗的具體開發(fā)過程如下：

首先，模型創(chuàng)建（3D MAX），如圖1所示。

第二，場景搭建（Unity）：下載并安裝Unity，打開軟件，新建項目。

第三，UI設計（Unity） 和腳本編寫（Visual Studio）：開發(fā)玻璃棒攪拌程序腳本和VR具體實現(xiàn)程序腳本（具體腳本略）。

第四，調試完善。

最后作品展示，如圖2所示。

四、設計實驗教程

實驗儀器： 智能手機、VR眼鏡。

設計高中化學“酸水混合”虛擬實驗教程如下：

首先，在手機打開“suanshuirongye”程序。

第二，將手機放入VR眼鏡，如圖3。

第三，佩戴VR眼鏡，嘗試轉頭并觀察四周的場景，熟悉實驗室環(huán)境。

第四，將屏幕中的提示“黃標點”移動到裝有“酸”的燒杯，這個燒杯將被拿起，將酸緩慢注入裝有“水”的燒杯中，同時玻璃棒進行攪拌，記錄實驗過程和現(xiàn)象，完成“酸入水”實驗，如圖4。

第五，同理，將屏幕中的提示“黃標點”移動到裝有“水”的燒杯，這個燒杯將被拿起，將水注入裝有“酸”的燒杯中，觀察隨后發(fā)生的現(xiàn)象，分析、記錄實驗現(xiàn)象，完成“酸入水”實驗;

第六，實驗結束，在實驗報告中填寫實驗內容、注意事項、總結心得和收獲。

五、效果驗證

1.調查數(shù)據(jù)

為了驗證虛擬化學實驗設計的實際效果，通過專家評價法，確定主要評價指標，并設計了科學有效的調查問卷，在學習過程中發(fā)放調查問卷反饋學習效果。最后利用統(tǒng)計學知識，根據(jù)事物的隨機性規(guī)律收集、分析調查數(shù)據(jù)并得出結論。

2.調查數(shù)據(jù)分析

調查問卷發(fā)放給中學生、大學生及教師各10名，要求獨立完成，調研內容主要體現(xiàn)學習效果、學習興趣、情境效果、便捷性、可靠性五個方面的情況，問卷按照中學生、大學生、教師分成三組，選項包括差、較差、一般、較好、好五個級別（對應分值1-5分），根據(jù)結果統(tǒng)計每組的平均值。

重點對中學生的調研問卷進行了分析，在課外學習活動中隨機發(fā)放問卷，學生來自南開中學、天津中學、天津一中、42中、耀華中學等學校，很多學生對VR之前有了解，體驗過VR，對于虛擬化學實驗的優(yōu)點，點贊人數(shù)最多的是“有吸引力”，認為能夠提高自己的學習興趣（占被調研人數(shù)的80%）;其次是“操作便捷”“情境效果佳”“立體感強”“對學習有幫助”（分別占被調研人數(shù)的60-70%）;同時，分值統(tǒng)計結果中，按平均分統(tǒng)計（滿分5分），“操作便捷”4.6分、“運行可靠”4.6分、“學習效果”4.47分、“總體感受”4.4、“情境效果”4.3分、“學習興趣”4分、“增強自信”4分，學生對虛擬化學實驗的各項指標打分都在4分（大于或等于）以上，認可度高，說明大家很容易接受這種實驗方式。

同時，對10名大學生、10名教師也進行了隨機問卷調查與數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)大家的觀點類似，都認為這種實驗方式很容易接受，能夠提高學習效果，同時，也有人提出目前這樣的教學資源還很少，隨著技術進步，希望今后這樣的學習方式能夠在更多的學科領域推廣普及。

根據(jù)三組不同類型人員調查的結果，得到各項評價指標的雷達圖，如圖5所示。

被調查的30個人大部分都認為此化學虛擬實驗就其“總體感受”“學習效果”“操作便捷”“情境效果”方面都有一定的優(yōu)勢，在未來也具備較大的發(fā)展空間。尤其是“情境效果”方面，普遍體現(xiàn)出了利用 VR 技術具有較強立體真實感的優(yōu)勢。但不可否認在教師組的“運行可靠”指標比較低（3.7分），實驗初期請幾位教師體驗時，由于第一版的虛擬實驗模型較多、貼圖復雜，造成運行速度較慢，要想制作成細膩度較高的虛擬展廳教學系統(tǒng)，對于系統(tǒng)的軟件硬件都是個考驗，因此，后面對系統(tǒng)進行了修改調試，將模型和貼圖進行了簡化處理，修改后軟件運行速度明顯好轉。相信隨著設備軟硬件技術的不斷進步，未來的虛擬化學實驗設計會更加可靠、效果也會更好。

六、結論

虛擬現(xiàn)實場景對青少年群體有著特別的吸引力，學生戴上VR眼鏡，即可重現(xiàn)跨時空場景以及現(xiàn)實中難以實現(xiàn)的或肉眼無法觀察到的物體的多維展示。具體到化學實驗來講，由于很多化學實驗存在危險性或實驗成本較高，若用實物進行，從安全和經濟角度考慮都不理想，同時，有些看不見的、原理性的知識，僅靠實物也無法直觀看到。而借助VR技術形成真實的沉浸感，使學生“沉浸”到學習環(huán)境中，實現(xiàn)用戶和環(huán)境的深度交互，同時具有攜帶方便、成本低廉的特點，因此易于推廣，可更好地引起學生的興趣并激發(fā)其想象力和創(chuàng)新力。

同時，VR具備的“身臨其境”特性和教育的“情景構建”理論不謀而合，利用VR沉浸式體驗替換抽象枯燥的板書教學，認知過程充滿樂趣，通過情境教學更加符合教育認知規(guī)律，從而提高學習效果。因此，VR技術非常適合在化學、物理、生物、地理等學科的教學中推廣應用?？傊?，VR虛擬現(xiàn)實技術將對未來學習方式的升級起到巨大的推動作用，未來課堂將更多應用情境教學，帶來更多精彩的體驗式學習。

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（編輯：魯利瑞）