借助虚拟现实技术，突破化学实验及其教学难点

借助虚拟现实技术，突破化学实验及其教学难点

曾剑波 徐光翠

福建省惠安第四中学 362100

摘要 化学是一门以实验为基础的自然科学，实验不仅是学习和掌握知识的手段，而且是化学教学内容的重要组成部分。但是在目前许多化学试验中，存在一些不可视、不可摸、不可入、危险的化学实验；实验仪器不足，设备陈旧老化问题；化学实验教学观念落后，教学方法和手段单一问题，实验许多内容与学时少等突出矛盾等等。这些问题是当前化学实验教学改革面临的主要问题。虚拟现实技术在化学实验中的应用，主要表现在建立虚拟仿真化学实验环境和虚拟实验过程。虚拟仿真化学实验室利用计算机来模仿实验的环境及过程，让学生通过计算机操作来“做”某一个实验，从而学习和掌握从试验中获得的知识，以及代替或者加强传统的实验教学。

关键字 虚拟现实 化学实验 化学教学

一 什么是虚拟现实

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术，就是以计算机技术应用为核心，结合虚拟现实技术、仿真技术、计算机图像技术、多传感交互技术以及高分辨现实技术等生成的逼真的实验情境，在该情境中用户使用相关设备对虚拟的仪器和装置进行操作，完成实验。根据IEEE（电气和电子工程协会）定义，虚拟现实是指在视、听、触、嗅、味觉等方面高度逼真的计算机模拟环境，用户可与此环境进行互动，产生身临其境的体验。

虚拟现实的特征。虚拟现实具有三个最突出的特征：交互性（interactivity）、沉浸感（illusion of Immersion）和构想性（imagination）^[1].

交互性 沉浸感

interactivity Immersion

构想性

imagination

1. 交互性（interactivity）。交互性主要是参与者通过使用专门输入和输出设备，用人类的自然技能实现对模拟环境的考察与操作的程度。虚拟现实技术将从根本上改变人与计算机系统的交互方式。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，二期能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。

2. 沉浸感（Immersion）。沉浸感是虚拟现实最突出的技术特征，它是指参与者在纯自然的状态下，借助交互设备和自身的感知觉系统，对虚拟环境的投入程度。虚拟现实是通过计算机生成一个非常逼真足以“迷惑”人类感知的虚幻世界，导致用户产生了类似于现实世界的存在意义或幻觉。人们不禁可以通过视觉和听觉，还可以通过嗅觉和触觉多维地感受，使人身在其境。

3. 构想性（imagination）。构想性是用户沉浸在虚拟环境中，通过与虚拟环境的相互交互，从而使思维深化，产生新的构思。系统会对此作出反应，并将处理后的结果反馈给用户，是一个学习——创造——再学习——再创造的过程。虚拟现实可以模拟真实的世界，更可以模拟纯粹想象出来的世界，让操作者处于想象的世界中，只有虚拟现实才可以达到这样的境界。如用虚拟现实可以模拟出分子间相互作用的场景，让操作者能亲身经历分子之间的运动^[2]。

二 、传统化学实验的狭隘性和困境

化学是一门以实验为基础的自然科学。实验不仅是学习和掌握知识的手段，而且是化学教学内动的重要有机组成部分^[3]。化学教育的老前辈带安邦教师就指出：“化学实验的重要性，是无论如何强调也不过的年的”。实验对于学习化学、提高化学教学质量、落实培养学生科学素养的目标具有其他化学教学内容或形式所不可替代的作用^[3]。实验教学不仅可以巩固化学学习基础，激发学习兴趣，而且还可以验证化学原理，因此成为化学教学中必不可少的环节。实验可以使原本难以理解的内容瞬间被了解及记忆，使枯燥的化学知识幻化为“魔术”，激起学生强烈的学习兴趣。然而，这个环节却存在着一些问题，影响了学生对化学实验的兴趣和效率。

然而，目前传统化学实验教学对实验场地的要求高，对仪器，设备的需求量大，同时因实验造成的废弃物排放等的处理要求严格并且较繁琐问题并不能很好地展开。在实验本身方面，很多实验由于自身反应速度过快或过慢，导致现象不好观察，这便不利于实验辅助教学的实行。并且随着人们环保意识的提高和可持续房展观念的增强，绿色化学受到人们的重视，要求人们从节约资源和保护环境的角度来重新审视和改革化学实验。

三 、高中化学实验中学存在问题以及使用虚拟现实技术的好处

虚拟现实技术在教育领域中应用，优势体现为两个：

第一，将虚拟现实实验应用于实验教学中将能有效地避免很多传统教学上客观存在的弊端。在化学教学中，可排除实验本身许多限制条件

^[4]。如，利用虚拟现实实验可以减少药品试剂的试用；可以控制反应速度以便于学生观察现象；可以避免由于操作不规范导致实验失误造成的安全问题；由于是虚拟实验，不会产生对环境污染的排放物，有利于环境保护。

第二，建构主义的学习理论强调学习者能对知识进行自我构建^[5]。虚拟现实技术强调身临其境、互动式、主人公式的模拟，有利于学生进行发现式学习，给学生提供了一种新的途径来学习化学。随时随地展现真实的场景，使学生有身在其中的感觉，使情景式教学、融入式教学更名副其实。虚拟现实的三大特点能充分调动起学生学习能动性，让学生模拟现实中不存在的角色、物体或完成难以进行的实验，从而完整对知识的主动学习，激发学习内动力。

而早在2003年，教育部更是在颁布的《普通高中化学课程标准（实验）》6中，提到将以在科学探究教学中幼小的应用信息技术支出教学目标的实现作为新的改革途径和支持性平台。由此可见，将虚拟现实技术融于现今中学化学中，势在必行。

四、将虚拟现实应用于化学实验的优点

化学实验中，一些涉及有毒、可能引起爆炸、反应缓慢、因为药品仪器等资源短缺而不能进行的实验可以通过虚拟现实实验来完成对实验现象的描述。在新课标教材中，含有此类类型的实验有16个^[7]。

做真实实验之前使用虚拟现实实验进行预习，老师要求学习者通过虚拟实验明确实验原理、目的和要求，然后按照要求进行操作，并进行思考答题。熟悉虚拟试验后，学习者做真实实验时可以有效避免出现误操作，防止仪器损坏，防止药品的浪费。

1 实验条件欠缺^[5]，利用虚拟现实实验可以有效减少实验设备场地药品的使用^[3]。

虽然很多数学校都设有实验室，但大多学校的实验室只是为了应付上级检查，平时很少开放，特别是某些乡村中学基本不开设实验。而且有些学校并不注重实验，用来购买仪器药品的经费少之又少。有些学校即使开设了实验课，也通常是教师演示实验或者多媒体演示实验，学生远远观看，不能通过自身操作来获得亲身体验。还有些实验设计工业生产，装置规模大，根本无法再课堂内演示，但是实验现象又要求学生记住。建构主义的学习观始终强调学习过程中学生的主动性和建构性，非常重视学习者在具体情境中进行有意义的建构，由于缺少自身的感性认识，这种建构比较难形成。

采用虚拟现实实验，由于一切实验仪器、药品、设备等都是虚拟的，可以有效节省传统实验的仪器设备实验药品，以虚拟的教学环境使学生全方位体现设备、器械使用过程和效果；另一方面，随时随地展现真实的场景，使学生有身在其中的感觉，使情景式教学、融入式教学更名副其实。在教师指导下，在虚拟现实提供的实验情境下，学生主动设疑、生疑、释疑，从而得到结论的中学化学实验探究式教学的实践具有重要的理论指导作用。对于我们进一步认识清楚学习的本质，揭示学习的规律，深化物理教学改革，推进素质教育等都具有积极意义。此外，利用虚拟现实实验，还能不受环境条件的限制反复进行实验。

以普通高中课程标准实验教科书（人教版）《有机化学基础》第三章第二节醛的实验3-5为例，这是关于醛被银氨溶液氧化的实验，【实验3-5】在结晶的试管中加入1ml2%的AgNO₃溶液，然后边震荡试管边逐滴滴入2%的稀氨水，至最初沉淀恰好溶解为止，制得银氨溶液。再滴入3滴乙醛，震荡后将试管放在水浴中温热，观察现象^[8]。我们知道AgNO₃试剂比较贵，而且由于银氨溶液要碱性才能氧化乙醛，所以每次做这个实验的银氨溶液需要现配，导致我们对药品的量要求更多，一定程度上浪费了很多药品。

2 实验速度太快太慢或者现象不明显^[9]，实验结果与预期有偏差

由于化学反应速率跟物质自身的性质有关，很多实验现象稍纵即逝，不能再现，不便于观察。又或者，由于一些不可控性的因素，出现一些现象不明显、异常、有误差的情况8。还比如甲烷的取代反应中，用甲烷和氯气在光照的情况下，生成一氯甲烷。然而现实实验并不能单纯只生成一氯甲烷，还有可能生成二氯甲烷三氯甲烷甚至是四氯甲烷。利用虚拟现实可以有效设避免误差达到更完美的试验结果。

利用虚拟现实实验可以有效控制实验过程中的现象以及结果，可以分步骤的记录解析实验过程中的所涉及到的知识点和所需注意的事项，这是现在的实际实验所体现不了的。虚拟试验还有个好处就是可以反复的试验得出所需要的结果，而在此过程中可以避免一些不必要的错误步骤，例如虚拟现实指出某类常犯错误和不规范的行为，更好的适用于现代以因材施教的教学方针，也更有利于培养学生关于自主思考和动手能力，甚至还能为了实验需要呈现动态描述，反复操作的现象。，如前面提到醛被银氨溶液氧化的实验由于要水浴加热，要求时间较长，使得在有限的课堂时间内不便于展开。并且学生只能看到实验结果，而无法观察到整个实验过程。

3由于操作不规范，或者实验现象太危险存在安全隐患^[9]

众所周知，有些实验太危险，一些实验中会用到强酸、强碱等强腐蚀性的试剂，一不小心操作，使试剂滴落到皮肤甚至溅到眼睛里，就会受到伤害，如大部分有机实验中都要用到浓硫酸试剂，如果操作不当可能产生安全事故。还有一些实验如果操作不当，会产生更为严重的后果，如铝热反应是高中化学重要的性质实验，此实验反应剧烈，会产生高温．发出强光，放出大量的热，如果操作不当，很有可能造成非常严重的实验事故。利用虚拟实验，既能一目了然的观察实验结果，又能让学生在安全范围内做好实验。

化学实验中的一些容易引起错误的操作，学生如果不亲自感知错误操作的后果，只靠听老师讲解错误的原因以及错误操作可能带来的危害，很难形成感性认识，但是又不能为了加深学生印象而用错误操作来做实验，否则会造成危险。引入虚拟现实实验，让学生在虚拟的环境下感受并操作实验，模拟错误实验造成的后果用来加深对错误后果的印象。如银镜反应需要在碱性环境下进行，然而很多学生并未注意到此条件，导致实验失败。

此外，由于药品的自身限制，某些实验的成功率并不是太高，导致实验失败，会给学生造成失败的体验，打击他们学习化学的积极性。比如醛被银氨溶液氧化的实验，由于乙醛带有刺激性气味，并且乙醛自身的性质使得实验不容易成功，不便于在课堂开展分组实验。

4 利用虚拟现实实验实现绿色化实验

很多实验会对环境造成影响，如九年级各版本化学教材中关于硫在空气、氧气中燃烧实验存在一些问题：实验是在开放的容器中进行的，产生的SO₂会对空气造成污染；如铝热反应传统实验反应过程中会产生白烟会污染教室环境且不能体现实验用途。利用虚拟现实能有效地避免此类问题。在很多有机实验，比如醛被银氨溶液氧化的实验结束之后，清洗带有银镜的试管，会造成环境污染。

四 、虚拟现实弊端

1 在实际应用过程中，我们也应该注意到，虚拟现实技术并非专门为教育设计的，无论是老师还是学生都应该从学习的本质出发，用学习理论指导虚拟现实在教学中的应用，应该让虚拟现实实验服务于化学教学，而不是过分强调虚拟现实实验本末倒置。虚拟现实实验不能完全代替真实实验。虚拟现实实验最终应该作用于化学实验，从而达到授之以渔的教学目的，最终由化学实验转变为化学探索的培育过程。

2虚拟现实技术就目前来看来成本较高，不适宜大规模普及，尚需科技进一步发展后逐渐普及，这也将是一个极为缓慢的过程：一方面，虚拟现实技术应用于实际教学，会对一线教师的专业和新型科技应用能力提出更高的要求，授课和备课难度会进一步提高；另一方面，在技术尚未普及到每家每户之前，虚拟现实技术会减少每个学生的实践次数，同时减少对操作体验过程重复学习的机会，因此削弱学生真正的实践能力，所以虚拟现实最终还是得回归于实际实验^[12]。

五 、小结

虚拟现实技术是一门新兴的技术，对医学、航空、教育、建筑等多个学科领域的促进作用显著，但是这种新型的人机交互技术尚未成熟依然存在颇多的争议和局限性，另一方面相较于传统黑板教学和多媒体教学，还尚显青涩稚嫩，需要庞大的用户基础在各领域中逐步适应和探索开发，因此虚拟现实技术在教育中的应用与发展将是一个漫长的过程。

参考文献：

[1]段越莹.借助虚拟现实技术，突破物理教学难点.课程教育研究.2015（12）156-157

[2]冯逊.虚拟现实技术在教育中的应用与展望. 全国首届数字（虚拟）科技馆技术与应用学术研讨会论文集[C].114-119

[3]张逸，梅龙宝，詹寿发.虚拟现实技术与物理实验创新.实验技术与管理.2002.03（19）46-49.

[4]刘本娜.运用多媒体技术突破化学教学难点研究.山东师范大学.2007.10

[5]石逸雯.高中化学实验中存在的困难及解决策略分析.新校园 108

[6]普通高中化学课程标准（实验）.人民教育出版社.

[7]赵红喜.虚拟实验在中学化学教学实验中的应用研究[D].河南大学.2013.5

[8]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书（必修一）

[9]张正军.谈多媒体在解决化学实验教学难点中的运用..中学教学参考 85

[10]江多荣.简析虚拟现实技术在初中数学教学中的意义.课程教育研究.2012.12.143-144