基于VR技術(shù)的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

曹志兵 李沛嶼

【摘 要】化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為主的學(xué)科，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生十分重要。但受多方面因素的影響，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果有時(shí)并不理想，而基于VR技術(shù)的初中化學(xué)教學(xué)，是對(duì)傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新，能夠更好地突破化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)瓶頸，將微觀世界與宏觀世界相結(jié)合。此外，一些危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)也能借助VR技術(shù)開展，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)于化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的感知、促進(jìn)學(xué)生化學(xué)知識(shí)生成與理解。

【關(guān)鍵詞】VR技術(shù)；初中化學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)，化學(xué)結(jié)構(gòu)，科學(xué)探究與實(shí)踐

【中圖分類號(hào)】G633.8? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? 【文章編號(hào)】1005-6009（2023）07-0073-03

【作者簡介】1.曹志兵，南京外國語學(xué)?；窗卜中＃ńK淮安，223001）副校長，高級(jí)教師；2.李沛嶼，南京外國語學(xué)?；窗卜中＃ńK淮安，223001）教師，二級(jí)教師。

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）將“科學(xué)探究與實(shí)踐”作為主要核心素養(yǎng)?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)作為科學(xué)研究的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于學(xué)生理解抽象化學(xué)知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)意義重大，也有助于學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)興趣的提升。但在傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂中，受各方條件的限制，很多化學(xué)實(shí)驗(yàn)都無法正常開展，學(xué)生雖然對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)有一定的興趣，可是教師卻無法滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)訴求，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果得不到保障，壓制了學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究興趣，不利于學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)。而VR技術(shù)具有沉浸感、趣味性、真實(shí)性的特點(diǎn)，有助于教師為學(xué)生構(gòu)建出模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境?；赩R技術(shù)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)能打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)弊端，促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的發(fā)展。

一、VR技術(shù)概念及特點(diǎn)

VR技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）的簡稱，其有效整合了計(jì)算機(jī)幾何技術(shù)、傳感器技術(shù)、仿真技術(shù)和呈現(xiàn)技術(shù)，能為學(xué)生提供一個(gè)視、聽、觸等多方面感官的模擬體驗(yàn)，讓學(xué)生“身臨其境”。我校采用zSpace虛擬現(xiàn)實(shí)教育一體機(jī)，它通過zView投影到高清顯示器的屏幕上，可以達(dá)到裸眼3D的效果。將zSpace中的軟件應(yīng)用于初中化學(xué)課堂上是對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)課堂的創(chuàng)新，能為學(xué)生提供真實(shí)的體驗(yàn)。一些危險(xiǎn)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)也能利用該設(shè)備展開，從而提升化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

二、基于VR技術(shù)的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)原則

1.科學(xué)性原則

VR技術(shù)在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用目的，是讓學(xué)生按照所提供的實(shí)驗(yàn)問題，小組合作設(shè)計(jì)出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，然后通過自主實(shí)驗(yàn)與探究得出結(jié)論，這樣就能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生綜合素養(yǎng)和探究性思維能力的培養(yǎng)。

為此，在應(yīng)用VR技術(shù)進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，一定要確保實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、步驟、方法等符合科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性原則，即嚴(yán)格按照科學(xué)性原則來展開化學(xué)實(shí)驗(yàn)，這樣才能有效提升化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

2.交互性原則

VR技術(shù)最為顯著的一個(gè)特征就是交流與互動(dòng)性。因此，在開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)候，一定要注重學(xué)生與實(shí)驗(yàn)對(duì)象的互動(dòng)及交流，這樣“記錄員”才能及時(shí)獲得反饋信息并記錄，同時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作中出現(xiàn)的問題。為此，初中化學(xué)教師一定要注重在學(xué)生進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)提出相應(yīng)的問題，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探究化學(xué)的興趣，從而讓學(xué)生在模擬實(shí)驗(yàn)操作中提高自己的思維能力、探究實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。

3.自主性原則

學(xué)生只有自主參與到VR實(shí)驗(yàn)的操作中，才能取得良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。所以在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂上，教師需要尊重學(xué)生的主體地位，根據(jù)學(xué)生的興趣來設(shè)計(jì)VR實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)分析、探索、推測(cè)、驗(yàn)證等一系列實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，促進(jìn)化學(xué)大概念的形成。

三、基于VR技術(shù)的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

基于VR技術(shù)的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師可以在化學(xué)實(shí)驗(yàn)課上讓學(xué)生帶上VR頭盔直接進(jìn)入到虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，然后再借助手柄來完成實(shí)驗(yàn)操作；或者讓學(xué)生站在主屏幕面前，直接用雙手隔空抓取“物體”，演示模型和小實(shí)驗(yàn)，使抽象事物形象化，增強(qiáng)了可操作性，讓學(xué)生沉浸其中。這樣就能完成一些具有危險(xiǎn)性的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，還能減少清理實(shí)驗(yàn)廢液、清洗實(shí)驗(yàn)器材等時(shí)間。學(xué)生還能在反復(fù)操作過程中感知實(shí)驗(yàn)樂趣、明確實(shí)驗(yàn)流程、理解化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，促使化學(xué)觀念的形成。

1.基于VR技術(shù)深化實(shí)驗(yàn)認(rèn)知

初中生因?yàn)槭莿傞_始接觸化學(xué)，所以在化學(xué)實(shí)驗(yàn)課上經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，這個(gè)時(shí)候教師可用VR技術(shù)來糾錯(cuò)。因?yàn)樘摂M體驗(yàn)的真實(shí)性以及不浪費(fèi)資源等特點(diǎn)，學(xué)生還能在反復(fù)操作中深化對(duì)問題的認(rèn)知，避免再次出錯(cuò)。

例如，在“石墨”這課中，很多學(xué)生對(duì)于“石墨的物理性質(zhì)”無法形成有效理解。為了能夠深化學(xué)生對(duì)于這一知識(shí)的理解，避免學(xué)生出現(xiàn)理解錯(cuò)誤，學(xué)生可以直接使用zSpace中的zSpace Studio 軟件，用觸筆從圖片庫中將宏觀的石墨抓取出來，觀察顏色、形狀等外觀；對(duì)較微觀的石墨、金剛石、碳60，研究其微觀結(jié)構(gòu)的不同，拆開石墨晶體并重新整合，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)石墨的層狀結(jié)構(gòu)等，最后總結(jié)石墨的性質(zhì)。這樣學(xué)生自然能夠?qū)@一知識(shí)形成有效的認(rèn)知，能夠辨析相似但不同的晶體，從而幫助學(xué)生掌握正確的實(shí)驗(yàn)操作方法，有效提升化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.基于VR技術(shù)突破高危高爆實(shí)驗(yàn)難題

傳統(tǒng)模式下的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂，因?yàn)槭軋?chǎng)地、時(shí)間以及空間等多方面限制，很多實(shí)驗(yàn)都無法順利實(shí)施。VR技術(shù)的存在能改善這一問題，讓一些高危高爆的化學(xué)實(shí)驗(yàn)也能在課堂上呈現(xiàn)。這樣就能改變之前紙上談兵的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，讓學(xué)生在真實(shí)的體驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)操作中形成更深刻的理解。

例如，在“碳”這一課的教學(xué)中，碳的還原性是教學(xué)的重難點(diǎn)，但是鋼鐵冶金工業(yè)通常在高溫、密閉的環(huán)境中進(jìn)行，環(huán)境復(fù)雜、危險(xiǎn)。對(duì)于此，教師可借助VR技術(shù)，為學(xué)生構(gòu)建出一個(gè)冶金的場(chǎng)景，學(xué)生通過鋼廠冶金VR虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，進(jìn)入到虛擬的冶金廠中，這樣就能通過親眼“看到”冶金的全過程，還能設(shè)置并調(diào)整原料的類型、比率等，形成對(duì)這一知識(shí)點(diǎn)更深層次的認(rèn)知，有效提升教學(xué)實(shí)效。

3.基于VR技術(shù)促使微觀粒子觸手可及

在化學(xué)教學(xué)過程中，微觀粒子一直都是教學(xué)重難點(diǎn)。因?yàn)槲⒂^世界是看不見、摸不著的，所以學(xué)生在課堂上很難形成有效理解，這也為初中化學(xué)教學(xué)的開展帶來了較大的困難。VR技術(shù)的存在能夠使微觀粒子“觸手可及”，可幫助學(xué)生形象化地理解這個(gè)未接觸過的世界。

教師在化學(xué)實(shí)驗(yàn)課上，可以借助VR技術(shù)來為學(xué)生講解微觀粒子。例如，學(xué)生只要參與到虛擬情境體驗(yàn)中，即可直觀地感受原子核外電子的排布。學(xué)生借助激光筆輕輕點(diǎn)擊鈉原子，就能夠看到原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和核外電子分三層的排布現(xiàn)象。

四、基于VR技術(shù)的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程分析

基于新課程標(biāo)準(zhǔn)，在充分利用教學(xué)設(shè)備的原則下，以學(xué)生學(xué)習(xí)的觀察活動(dòng)、觀看活動(dòng)、操作活動(dòng)、思考活動(dòng)等四個(gè)活動(dòng)為基準(zhǔn)，教師在“水的組成”一課中，引導(dǎo)學(xué)生親歷“觀察→處理信息→發(fā)現(xiàn)”這樣的科學(xué)探究與實(shí)踐過程，經(jīng)歷“對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行抽象的概括→運(yùn)用實(shí)驗(yàn)解釋抽象概念→回歸生活驗(yàn)證抽象概念”這樣的科學(xué)思維過程。從體驗(yàn)走向探究，從動(dòng)手實(shí)驗(yàn)走向分析總結(jié)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的綜合性。

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代背景之下，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”也成為教育創(chuàng)新重要趨勢(shì)。而VR技術(shù)作為信息化教學(xué)常用手段，將其應(yīng)用于初中化學(xué)中，為學(xué)生構(gòu)建出虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，能夠滿足學(xué)生化學(xué)理論學(xué)習(xí)及實(shí)驗(yàn)練習(xí)訴求，最大程度緩解學(xué)生實(shí)驗(yàn)課開設(shè)不足、實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)系數(shù)高等情況。同時(shí)讓學(xué)生有效脫離時(shí)間及空間限制，自由地展開化學(xué)實(shí)驗(yàn)。為此，在初中化學(xué)課堂上，教師一定要準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)VR技術(shù)的教育價(jià)值，借此來突破傳統(tǒng)化學(xué)課存在的弊端，從而真正提高化學(xué)教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)生學(xué)科能力及化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的提升。