馬麗娟 楊正紅

【內(nèi)容摘要】結(jié)合化學學科與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點，探討如何根據(jù)化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展的需要，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)幫助學生形象化地認識物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與化學反應(yīng)機理、設(shè)計并模擬化學實驗，進而培養(yǎng)學生宏微結(jié)合的意識與模型認知能力，促進學生科學探究能力與創(chuàng)新意識的發(fā)展，以期為化學教育工作者提供更多的教學資源和教學方向。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實技術(shù) ?化學教學 ?學科核心素養(yǎng)

化學學科核心素養(yǎng)是化學學科育人價值的集中體現(xiàn)，對培養(yǎng)學生未來融入社會所需的必備品格和關(guān)鍵能力有著重要的影響。虛擬現(xiàn)實技術(shù)基于化學學科特點，通過營造自主學習的虛擬環(huán)境，讓學生在虛擬環(huán)境中與虛擬對象以各種方式產(chǎn)生交互，幫助學生感知、獲得、加工處理虛擬環(huán)境中的信息，彌補了傳統(tǒng)“離身”教學方式中出現(xiàn)的學生主體性失落、課堂教學形式化、工具化以及學生核心素養(yǎng)培養(yǎng)困難等不足，有力地促進了學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。本文將從虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征、在高中化學課堂教學中的應(yīng)用與問題進行論述，以期為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中化學教學中的應(yīng)用提供借鑒。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其特點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用三維多媒體信息處理系統(tǒng)，將現(xiàn)實事物各種變化過程進行逼真的視、聽、觸、動等多種感知功能描述，為實驗者提供生動逼真、多感觀一體化虛擬環(huán)境的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的仿真性、強交互性、開放性與多感官性能夠幫助實驗者打破時空局限，自由地進入逼真的實驗環(huán)境中進行具體的實驗操作，增強了實驗者捕捉、反饋信息的及時性與準確性，為后續(xù)的學習與研究提供豐富的理論與實踐參考。其中桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要將計算機屏幕作為虛擬情境的觀測窗口，學習者通過計算機輸入設(shè)備與虛擬情境產(chǎn)生交互并獲得體驗，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、操作方便的特點，在化學教學中運用最為廣泛，如Jmol、Blender、金華科仿真化學實驗室等。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在化學教學中促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展的應(yīng)用

1.形象認識物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學生微觀辨析與模型認知能力

以“分子的立體構(gòu)型”教學為例，傳統(tǒng)化學教學中教師普遍選擇利用圖片展示和球棍實物模型演示的方式幫助學生獲得感性體驗從而達到教學目的。但在實際教學中，由于實物教具較少，教師講授輔以少量演示的方式較為枯燥、抽象，對空間思維能力較弱學生的學習較為復雜、吃力。此外，學生座位與教師演示的空間距離也很大程度上影響著學生對演示模型的觀察。在課堂教學效率方面，啟發(fā)講授式和探究式教學均需要教師花費大量時間幫助學生進行理論推導，重復講解、分析共價分子空間構(gòu)型，兩種教學方式課堂效率較低。利用Jmol和Blender軟件可以向?qū)W生清晰地展示分子空間結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)運動軌跡。分子多維度動態(tài)的運動能幫助學生直觀地認識分子的微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，啟發(fā)學生根據(jù)空間結(jié)構(gòu)模型推測并驗證特定共價分子的空間構(gòu)型。

由此可見，虛擬現(xiàn)實技術(shù)一方面能創(chuàng)設(shè)生動的情境，幫助學生獲得直接的感性體驗，深入理解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及組成，推測物質(zhì)性質(zhì)及其應(yīng)用，有利于發(fā)展學生宏微結(jié)合、基于認知模型進行推理的素養(yǎng)。另一方面，虛擬情境展示的動畫為教師的理論講解提供了感性支撐，學生能夠自由、自主地與虛擬情境產(chǎn)生交互，細致、高效地認識物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，在做到教育公平的同時，也提高了課堂教學效率。

2.預(yù)演實驗方案，發(fā)展學生科學探究能力與創(chuàng)新意識

在進行氯元素及其化合物教學中，由于氯氣有毒危害較大，出于師生安全的考慮教師往往采用視頻、圖片、板書以及口述的方式代替實際的實驗操作。學生對氯氣性質(zhì)的探究性學習也被記憶化學方程式和實驗現(xiàn)象的機械學習取代，學生缺乏對化學實驗現(xiàn)象的感性認知，不利于科學探究能力的發(fā)展。一些教師雖然在課堂通過演示實驗幫助學生從實驗現(xiàn)象認識氯氣的相關(guān)性質(zhì)，但對學生觀察實驗時發(fā)現(xiàn)的新問題，通常采取“忽視”或直接講授解答學生疑惑的方式處理。實驗教學中無法給學生實驗探究的條件，只是讓學生課后改進設(shè)計環(huán)保型的實驗方案，改進方案得不到驗證，科學探究素養(yǎng)的培養(yǎng)流于形式。

利用金華科NO BOOK仿真化學實驗室不僅可以為師生創(chuàng)設(shè)安全、綠色的虛擬化學實驗環(huán)境，還可以給學生提供自主學習的條件。學生可以在課前認識實驗操作需要用到的試劑與儀器，對即將學習的化學實驗進行預(yù)演、分析與總結(jié)。課后反復演練實驗，反思總結(jié)實驗裝置與操作的不足，探究性地改進并驗證實驗方案。這不僅激發(fā)了學生化學學習興趣，加深了對實驗操作與實驗原理的理解，提高了分析問題、解決問題與合作學習的能力，也使學生科學探究能力與創(chuàng)新意識的發(fā)展落到了實處。

3.搭建化學課堂與化工生產(chǎn)的橋梁，培養(yǎng)學生科學態(tài)度與社會責任

隨著STSE教育理念的提出，課程標準、教科書以及高考命題方向與化工生產(chǎn)的聯(lián)系越來越密切。但在實際的化學教學中，大多數(shù)學校出于對師生安全和經(jīng)濟方面的考慮，不能為師生提供參觀化工廠的條件，教師只能以少量教學圖片向?qū)W生介紹化學課程中大片段的化工知識。此外，由于化工知識科技性、綜合性較強，知識點龐雜，工藝復雜，離日常生活較遠等，學生對化工知識的學習普遍出現(xiàn)由于缺乏感性認識而難以理解化工生產(chǎn)原理的學習困難狀態(tài)。王希霞在工業(yè)制硫酸中運用動態(tài)仿真模擬技術(shù)制作水洗法二轉(zhuǎn)二吸流程動態(tài)仿真模擬界面。該模擬界面將工業(yè)制硫酸的各裝置和流程清晰地呈現(xiàn)在中學化學課堂，加強了化學與化工的聯(lián)系。教師能根據(jù)模擬的動態(tài)界面向?qū)W生詳細介紹工業(yè)制硫酸各流程的裝置、具體操作和基本化學反應(yīng)原理。學生也能通過模擬界面分析各環(huán)節(jié)反應(yīng)在經(jīng)濟、環(huán)境方面的局限，提出優(yōu)化反應(yīng)裝置的建議與方案，激發(fā)和增強了學生探究物質(zhì)性質(zhì)和變化的興趣，培養(yǎng)了學生嚴謹求實的科學態(tài)度和“綠色化學”的重要觀念，有利于學生科學思維與發(fā)散思維的培養(yǎng)。

三、總結(jié)與建議

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為現(xiàn)代教育前沿技術(shù)，在化學教學中的應(yīng)用彌補了傳統(tǒng)化學教學的不足。直觀、形象的虛擬情境為提高學生化學學習興趣，促進學習方式轉(zhuǎn)變，發(fā)展各個維度的化學學科核心素養(yǎng)提供了豐富的支撐材料，從科技創(chuàng)新的角度為未來化學教學的進一步發(fā)展提供了研究方向。但在化學教學中普遍單一采用桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，雖有簡便快捷、教學成本低的優(yōu)勢，但不能給學生帶來逼真的沉浸式體驗，后續(xù)還應(yīng)在化學教學實踐中開發(fā)實驗如頭戴式、洞穴式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。此外，在實際教學中教師也應(yīng)明確化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，虛擬現(xiàn)實技術(shù)只是一種輔助教學的手段，不能夠完全替代真實的化學實驗操作，學生設(shè)計并用虛擬現(xiàn)實技術(shù)預(yù)演后的實驗方案依然需要真實的化學實驗進行驗證。教師在給學生提供具象的感性認識的同時也應(yīng)注重培養(yǎng)學生的抽象思維能力和實驗操作能力，要使教師講授、化學實驗、虛擬現(xiàn)實技術(shù)形成合力，共同指向各維度化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

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（作者單位：山西師范大學化學與材料科學學院;山西師范大學教師教育學院）