吳麗華，文豐玉

西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川南充 637009

化學(xué)實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中是一種非常重要的方法，能夠提高學(xué)生對(duì)化學(xué)理論的理解程度，而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打造虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和系統(tǒng)可以打破時(shí)間和空間的限制，對(duì)于一些難以用真實(shí)環(huán)境開展的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，都可以用仿真實(shí)驗(yàn)來完成。所以運(yùn)用仿真實(shí)驗(yàn)也能夠提高教學(xué)的有效性，給學(xué)生充足的思考和實(shí)踐空間，將比較抽象的化學(xué)概念展示出來，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也更加生動(dòng)和正式，可以提升實(shí)驗(yàn)效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助教學(xué)具有較廣闊的應(yīng)用前景，不僅能夠?yàn)閷W(xué)生提供更多的學(xué)習(xí)平臺(tái)和機(jī)會(huì)，還能夠彌補(bǔ)教學(xué)器材不足的問題，促進(jìn)教師真正實(shí)現(xiàn)因材施教的教學(xué)理念，設(shè)計(jì)出符合中學(xué)生思維模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，提高教學(xué)效率。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的內(nèi)涵

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展以及我國教育事業(yè)的不斷改革，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育工作中的運(yùn)用也更加廣泛。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)際上是利用計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行全面仿真的一種技術(shù)，而在利用該技術(shù)開展教學(xué)的過程中，能夠通過創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室與虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供更加豐富的條件。虛擬現(xiàn)實(shí)是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)與其他現(xiàn)代化技術(shù)手段的融合生成的一種集逼真視聽觸覺一體化虛擬環(huán)境，用戶在這個(gè)環(huán)境中可以與虛擬環(huán)境的對(duì)象進(jìn)行交流和合作，雖然該環(huán)境并不是真實(shí)存在的，但是也能夠讓用戶產(chǎn)生比較真實(shí)的感覺。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)就是以計(jì)算機(jī)的模擬技術(shù)為中心，需要軟件和硬件設(shè)施的配合和支撐，幫助學(xué)生在仿真的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中了解客觀的世界。虛擬教學(xué)環(huán)境具有分布式、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，也能夠?yàn)榻虒W(xué)創(chuàng)建真實(shí)的情景。學(xué)生可以在這種環(huán)境中獲得學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，成為學(xué)習(xí)過程的主體，有利于推動(dòng)學(xué)生實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的學(xué)習(xí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究需要建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的支撐，也就是要通過情景的構(gòu)建促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行合作探索和交流，從認(rèn)知發(fā)展到行為實(shí)踐中，以此來替身學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。從本質(zhì)上來說，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)際上就是信息技術(shù)和課程改革的結(jié)合，利用信息技術(shù)改變了教學(xué)環(huán)境和結(jié)構(gòu)，對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)造型的綜合人才具有重要意義。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用價(jià)值

2.1 擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)的范圍

高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，有許多難以用現(xiàn)實(shí)環(huán)境和工具開展的實(shí)驗(yàn)，而有的化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件非?？量?，根本不能靠真實(shí)的實(shí)驗(yàn)器材和環(huán)境來完成，所以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)就會(huì)受到一定的限制。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來開展實(shí)驗(yàn)可以提供更加充足的實(shí)驗(yàn)器材，而且可以利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和仿真軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，按照實(shí)驗(yàn)的需求構(gòu)建符合條件的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提高實(shí)驗(yàn)情境的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，才能真正提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值。同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠打破時(shí)間和空間的限制，學(xué)生不僅可以在課堂上開展實(shí)驗(yàn)研究，還可以在課后任何時(shí)間利用虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境來參與實(shí)驗(yàn)探討，為學(xué)生提供更加廣闊的學(xué)習(xí)空間，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的自主探索能力具有重要意義。

2.2 有利于提高實(shí)驗(yàn)的可觀性

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，了解實(shí)驗(yàn)器材、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是幫助學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)原理的重要過程，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)的過程中，可能有的實(shí)驗(yàn)器材無法滿足實(shí)驗(yàn)條件，或者在實(shí)驗(yàn)過程中，難以準(zhǔn)確地記錄到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和變化，導(dǎo)致學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的效果并不好。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成的，學(xué)生可以對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的任何環(huán)節(jié)進(jìn)行放大、暫停等操作，可以擁有充足的觀察和思考空間，所以能夠幫助學(xué)生更好地了解實(shí)驗(yàn)的原理，保障了實(shí)驗(yàn)的可視性，有利于提高學(xué)生的理解能力。同時(shí)很多化學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及到燃燒、爆炸等比較危險(xiǎn)的操作，利用虛擬實(shí)踐能夠降低危險(xiǎn)性，也能夠避免因?yàn)榻虒W(xué)條件不足導(dǎo)致學(xué)生無法通過實(shí)驗(yàn)來獲取知識(shí)的問題，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。

2.3 有利于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)反饋

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)數(shù)據(jù)的記錄和整理是幫助學(xué)生分析化學(xué)規(guī)律的重要依據(jù)，但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于存在一定的限制因素和誤差，難以獲得比較全面和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。而利用仿真實(shí)驗(yàn)就能夠通過計(jì)算機(jī)軟件記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求來篩選數(shù)據(jù)，還能夠重復(fù)設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，提高實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，幫助學(xué)生全面認(rèn)識(shí)化學(xué)知識(shí)。在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)情境下的形象化教學(xué)，學(xué)生在具體操作的過程中也可以隨時(shí)提出自己的問題，留下實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和信息。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)完成后也可以通過觀看和反思實(shí)驗(yàn)過程來總結(jié)自己的實(shí)踐效果，不斷調(diào)整學(xué)生的學(xué)習(xí)方法。同時(shí)教師也能夠通過虛擬環(huán)境更全面地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，從而加強(qiáng)重難點(diǎn)知識(shí)的教學(xué)，提高教學(xué)效果。

2.4 提高實(shí)驗(yàn)的具體性和生動(dòng)性

仿真實(shí)驗(yàn)可以模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的各種場(chǎng)景，還能夠?qū)Σ荒軐?shí)現(xiàn)的化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行模擬，提高實(shí)驗(yàn)的形象性。而且也能夠避免實(shí)驗(yàn)過程中的危險(xiǎn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。而且利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生根據(jù)自己的需求來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，滿足他們?cè)趯W(xué)習(xí)中的主體需求，提高教學(xué)質(zhì)量。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下的化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以構(gòu)建豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型，包括驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)、模擬實(shí)驗(yàn)以及對(duì)照實(shí)驗(yàn)等，教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的實(shí)際情況來選擇實(shí)驗(yàn)類型，學(xué)生也能夠根據(jù)自己的需求自主選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑岣邔W(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，也能夠豐富實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中心化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的設(shè)計(jì)研究

3.1 構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)

傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師和學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生的自主性是比較差的，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的條件和時(shí)間也受到了一定的限制。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用到教育工作中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的仿真實(shí)驗(yàn)室成為了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要工具。而要引導(dǎo)學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中完成實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，就要為教學(xué)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和平臺(tái)，提高實(shí)驗(yàn)的可能性，開發(fā)智能化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方案，從而滿足化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。而虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建需要達(dá)到幾個(gè)基本的要求，比如要能夠?yàn)閷W(xué)生提供真實(shí)逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)學(xué)生能夠在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中任意操作儀器和設(shè)備，可以根據(jù)自己的需求和實(shí)驗(yàn)要求選擇儀器和設(shè)備，才能夠?yàn)閷W(xué)生的學(xué)習(xí)提供開闊的空間，促進(jìn)學(xué)生思維能力的發(fā)展。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)室更要擁有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、演示、記錄以及答疑等基本的功能，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的智能化處理，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。因此學(xué)校需要從硬件設(shè)施的建設(shè)上為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用提供充足的條件。除了要加大學(xué)校多媒體教育環(huán)境的投資，還要根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的要求進(jìn)行改造，打造虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用的教室，以推動(dòng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利開展。

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在化學(xué)教學(xué)中，部分實(shí)驗(yàn)由于條件有限，是無法在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行操作的，此時(shí)就可以利用仿真實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)具體的化學(xué)實(shí)驗(yàn)情景，引導(dǎo)學(xué)生深入觀察實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和現(xiàn)象，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)意識(shí)。而在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)的過程中，應(yīng)該根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊，以滿足教師不同教學(xué)階段的需求。一般包括了學(xué)前測(cè)試模塊、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、交互模塊以及成果評(píng)價(jià)模塊等，而針對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)，也要設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件。學(xué)前測(cè)試是為了幫助教師更好地掌握學(xué)生的實(shí)際情況，從而可以不斷調(diào)整指導(dǎo)方案。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)模塊就是學(xué)生在自主實(shí)驗(yàn)的過程中，平臺(tái)可以充當(dāng)指導(dǎo)的角色，讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)探究的目標(biāo)，對(duì)一些儀器進(jìn)行指導(dǎo)說明，還可以更好地組織學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和探索，豐富學(xué)生的知識(shí)。交互模塊就是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探索的過程中能夠針對(duì)實(shí)驗(yàn)中的問題與教師和同伴進(jìn)行實(shí)時(shí)交流，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果匯報(bào)給教師，以幫助教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行評(píng)價(jià)。而成果評(píng)價(jià)模塊就是系統(tǒng)能夠自動(dòng)給出學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)果和成績(jī)，也能指出相應(yīng)的錯(cuò)誤，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)自主反思和總結(jié)。

3.3 教學(xué)模式的選擇和教學(xué)設(shè)計(jì)

在利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)時(shí)，仍然要對(duì)實(shí)驗(yàn)的器材、實(shí)施過程以及結(jié)果記錄等進(jìn)行設(shè)計(jì)，要讓學(xué)生在明白實(shí)驗(yàn)原理的前提下開展仿真實(shí)驗(yàn)，只有明確了實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)，才能通過一步步實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提升學(xué)習(xí)的效果。同時(shí)針對(duì)不同類型的實(shí)驗(yàn)，教師也要參與虛擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)和模式選擇，要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)，幫助學(xué)生科學(xué)規(guī)劃仿真實(shí)驗(yàn)的步驟，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。教師要關(guān)注學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的問題，進(jìn)行科學(xué)引導(dǎo)，提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。一般在虛擬環(huán)境下開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行以下的教學(xué)設(shè)計(jì)：學(xué)生分析、任務(wù)分析、探究問題的可行性分析、目標(biāo)分析、過程和方法設(shè)計(jì)以及準(zhǔn)備階段。比如在探索氧氣的制取方式時(shí)，就有多種不同的制取方式和驗(yàn)證方式，而針對(duì)不同的方法需要提供不同的實(shí)驗(yàn)工具和儀器。因此教師要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的選擇進(jìn)行工具的準(zhǔn)備，明確學(xué)習(xí)的任務(wù)。

4 結(jié)語

綜上所述，在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠有效提升實(shí)驗(yàn)的生動(dòng)性和準(zhǔn)確性，教師要以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)為中心，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建具象的情景，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的針對(duì)性，同時(shí)借助豐富多彩的計(jì)算機(jī)軟件幫助學(xué)生掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)和世界進(jìn)行不斷的創(chuàng)新和探索，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力。