虛擬現(xiàn)實技術在化學實驗教學的應用

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上虛擬現(xiàn)實技術在化學實驗教學的應用運用虛擬現(xiàn)實技術在化學教學中開展教學工作，不但有助于優(yōu)化當前的化學課堂，使課堂的教學容量得到極大擴展，而且還可以模擬現(xiàn)實生活中的真實場景，將所要教學的內(nèi)容以更直觀、形象的方式呈現(xiàn)。尤其是對實驗這一部分內(nèi)容的教學與實踐，有利于凸顯重點、突破固有難點，而且還可以可視化某些抽象性知識，同時提升學生對化學學科的學習興趣，降低實驗風險，樹立學生的綠色發(fā)展意識，而且突破各種限制，增強學生的學習效果等，從而更好地促進教學。：虛擬現(xiàn)實技術;化學實驗教學;應用虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，簡稱VR），它于1989年由美國學者加隆雷尼爾(Jaro

2、nLanier)提出。這一技術是利用計算機的多媒體信息處理系統(tǒng)模擬真實的三維空間而創(chuàng)建出的虛擬世界，描述現(xiàn)實世界的各種物質和事物演變的動態(tài)過程。隨著多媒體和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，當前學生學習的方式多樣，不再局限于課堂學習，學生可在課后選擇自主學習，虛擬現(xiàn)實技術的引進為其創(chuàng)造了機會。在虛擬情境中，學生能夠以各種方式與虛擬對象產(chǎn)生交互并在短期內(nèi)獲得反饋結果，從而感知到預期的各種信息并從中獲得科學知識和技能，這樣就從傳統(tǒng)的以教促學轉變?yōu)橐詫W促學的方式。在化學實驗部分中相當一部分知識是不可觀察或不容易觀察的，例如核外電子的運動狀態(tài)、化學平衡中反應達到平衡時反應物和生成物的狀態(tài)等。另外一部分試劑和實驗都有

3、較大的危險性，例如強酸、強堿，用氫氣還原氧化鐵和氧化銅，鈉與水反應等。鑒于化學這一學科的上述特點，這才使得作為處于前沿的虛擬現(xiàn)實技術走進中學化學，尤其是與實驗教學部分結合有了充分必要性和實踐性。但具體的呈現(xiàn)形式或者操作方式怎么選擇，就必須要充分考慮這一技術的特殊性,以最恰當?shù)姆绞絹沓尸F(xiàn)使效果最大化。一、虛擬現(xiàn)實技術在化學實驗教學中應用的優(yōu)勢1.提高學生對化學學習的興趣，豐富學生的體驗。在傳統(tǒng)課堂中，學生獲取知識的通常途徑是在教師的指導下，學生通過親身經(jīng)歷一些化學實驗來實現(xiàn)某部分知識和技能的獲取。然而現(xiàn)實中很少實現(xiàn)，取而代之的是通過教師對知識的講解，教授并反復對學生強調(diào)什么是重點、什么是難點，什

4、么是考點和易錯點，機械重復地加強記憶。教師在課堂上講解完各種知識以及注意點之后，再輔之以相對應的化學實驗演示或和題目來驗證或者強化之前所教的知識。其實這些陳述性的教授方式僅僅告訴了學生是什么，而并沒有告訴他們?yōu)槭裁词沁@樣、又該如何將這些死知識遷移到生活中的活問題中去，其實這不過是教學任務中的一部分而已，并不是知識的全部，也不是學生要掌握的唯一目標。這一慣常的化學課堂，看起來似乎非常合理，其教學效率以及學生的效能感也都很高，然而卻抑制了學生學習的積極性和創(chuàng)新能力的發(fā)展。在教學過程中引入虛擬現(xiàn)實技術，不僅避免了過分重視教師的作用而忽略學生參與的重要性，還提高了學生對化學的興趣及其體驗感。2.可以有

5、效地規(guī)避各種實驗風險?；瘜W實驗室是學生學習知識和掌握技能的重要平臺之一。實驗室儲存的試劑大多具有危險性，產(chǎn)生的物質也在一定程度上對師生的健康有影響。例如鉀，其化學反應活性非常高，可與各種常見物質發(fā)生反應：遇空氣可自燃甚至爆炸，遇水、二氧化碳可猛烈反應；與鹵素、多種氧化物以及酸等都能劇烈反應等。這種類似的反應對學生具有較大的潛在危害。近幾年來，因實驗造成的各種傷亡事故也層出不窮，數(shù)字一直在不斷更新中。經(jīng)驗豐富的天之驕子在做化學實驗時尚且發(fā)生如此多不幸的事，更何況是初入門的中學生？那么作為未來教師的我們，又當如何在實際的教學過程中讓學生不僅能學到知識，還能避免某些危險性較大的實驗呢？將虛擬現(xiàn)實技術

6、和化學實驗部分的教學有機地結合起來，可以有效地減少各種真實實驗帶來的潛在危險。3.節(jié)約資源，利于樹立學生的綠色發(fā)展意識。十八大以來，我們一直在弘揚生態(tài)文明建設，在這一過程中，我們充分認識到保護環(huán)境的重要性和當前形勢的緊迫。當然我們這里所提的良好的生態(tài)環(huán)境基本上都是針對社會大環(huán)境而言，相對于工業(yè)污染，實驗室的污染小到可以忽略不計，但是我們都明白，工業(yè)化學源于實驗室化學，要想從根本上解決環(huán)境污染問題，實驗室同樣扮演著不可或缺的角色。就當下的情況而言，我們將虛擬現(xiàn)實技術引入化學實驗中，讓師生用虛擬實驗代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗，不但節(jié)約了實驗試劑，而且低碳環(huán)保，還避免了產(chǎn)生的有毒有害物質給身體帶來損傷，真正實現(xiàn)了

7、零污染。同時在實驗的過程中也培養(yǎng)了學生的資源節(jié)約意識，這與當今時代倡導的可持續(xù)發(fā)展也是相符合的。教育要從娃娃抓起，我們的環(huán)保理念也得從小培養(yǎng)，從身邊力所能及的事開始做起！4.將概念性的學習內(nèi)容形象化?；瘜W中有些實驗的反應較為緩慢、耗時很長，并且現(xiàn)象微不可見，或者課堂實驗難以呈現(xiàn)某些化工流程或新的科技成果。如分子結構是中學化學教學中必不可少的一部分，對于學生認識分子的結構，從而了解分子的化學式、化學反應方程式等有著及其重要的作用。目前的教學中，教師一般采用口述或圖片的方式給學生呈現(xiàn)，使得學生的認識僅僅停留在二維空間，沒有對現(xiàn)實事物的深刻理解。運用虛擬現(xiàn)實技術，可以動態(tài)展示3D分子結構模型，并且任

8、意旋轉分子模型，將宏觀現(xiàn)象與微觀現(xiàn)象相聯(lián)系，將書中的內(nèi)容形象化。同樣，核外電子的運動狀態(tài)中，電子的運動是看不見、摸不著但卻是客觀存在的，我們可以通過虛擬現(xiàn)實技術將其運動的軌跡可視化。這些多元化的教學手段的融入產(chǎn)生了可觀察的效果，能夠大大加強學生對抽象概念和不可見現(xiàn)象的感知。5.突破多種限制，學生可隨時學習。運用虛擬現(xiàn)實技術可為化學實驗教學提供多種便利，尤其是可以突破時間、空間限制，學生只需要擁有移動設備和相關權限，在網(wǎng)諾接入的情況下便可直接運用該技術進行實驗操作，這為學生的自主學習提供了良好的、嶄新的學習環(huán)境，真正實現(xiàn)了無邊界和個性化的學習，使教學活動、教學手段以及各種優(yōu)質教學資源不再受到限制

9、，這也為近年來學者們倡導的教育公平，縮小城鄉(xiāng)教育差距提供了平臺，實現(xiàn)優(yōu)質的教育教學資源惠及每個學子，尤其是教育相對落后的廣大貧困農(nóng)村地區(qū)的孩子們。6.提高實驗效率，增強學習效果。運用虛擬現(xiàn)實技術來開展化學課程的教學工作，特別是針對化學實驗部分，省去了實驗前實驗裝置、試劑等的準備，節(jié)省了較多時間，這也就在無形中增加了學生實際操作的時間，進一步影響實驗的效果。同時，由于受主、客觀條件的制約，傳統(tǒng)的實驗方式很難也幾乎沒有進行多次重復實驗的機會，這在客觀上不利于知識的長時間存儲和掌握。結合該技術，學生可以針對自己的不足進行多次試驗，進而取得更好的實驗效果。二、虛擬現(xiàn)實技術在化學應用中的不足及改善措施盡

10、管虛擬現(xiàn)實技術有著得天獨厚的技術優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景，但是它也有自身的缺陷：首先從理論方面來看，盡管很多的學者和教師看到了它的潛力，但卻并未引起足夠的重視，這也使得作為支撐的理論依據(jù)不足；其次從技術層面來說，虛擬現(xiàn)實技術需要足夠的高性價比設備作為基礎支撐，從而為化學教育乃至整個教育系統(tǒng)服務。虛擬現(xiàn)實以其人機交互的沉浸感為大家所接受，然而目前人與計算機的交互方式大多通過鼠標和鍵盤，這種局限性也在一定程度上限制了該技術的推廣。在實際操作過程中，要盡量避免以下傾向：1.將虛擬現(xiàn)實技術的應用過于權威化。虛擬現(xiàn)實技術是利用計算機圖形技術來獲得體驗感，與真實感有很大的差距，因而長時間僅依靠虛擬操作來開展教

11、學，會使得學生的真實體驗感很弱。同時由于只是虛擬操作，和學生動手實踐操作比較而言，學生的實際動手操作能力和創(chuàng)新能力都無法得到更好發(fā)展，并且還會給學生造成認識上的一些偏差，甚至會出現(xiàn)一些嚴重錯誤，對真實的情景也不會有很好的體驗。虛擬現(xiàn)實技術僅能呈現(xiàn)反應過程，給學生以視覺沖擊，卻不能模擬出氣味和熱量等的變化，使學生的認識片面化。要避免兩個絕對化傾向：不能完全以虛擬實驗取代真實實驗；不能完全遵循傳統(tǒng)方式而擯棄這一技術。根據(jù)學生的情況和需要以及所學內(nèi)容的特點，進一步確定是否使用該技術和如何使用該技術等一系列問題，只有這樣才能使虛擬現(xiàn)實技術真正服務于教育教學。2.忽視教師的主導作用。我們都知道，教師和學

12、生是整個教學的主體力量，而作為技術支撐的虛擬現(xiàn)實技術在教學中只是作為教師教學的輔助工具、重要載體之一，是為了取得更好的課堂教學效果服務的。一節(jié)課是好是壞，學生是否從中學到知識、掌握某些技能，或是情感、態(tài)度和價值觀能否有所改變，這才是提高課堂效率和教學效果的根本所在。要充分認識到教學效果的優(yōu)劣取決于教師和學生主觀能動性的發(fā)揮，與此同時還要加強對先進的教育教學理念的學習、研究與運用，同時運用各種現(xiàn)代高科技手段配合教育教學。三、虛擬實驗室的建設（以西北大學化學虛擬仿真實驗中心為例）2019年，西北大學成立了化學虛擬仿真實驗中心。實驗中心將一些抽象的知識用虛擬仿真的方式得以展現(xiàn)，包括分子構型的優(yōu)化，分

13、子偶距計算等。此外還建立了化學3D打印與創(chuàng)客實驗室，教學模型、分子和晶體結構等都已成功打印，并且引起了師生極大的興趣。該中心以學科平臺為支撐，構建了化學實驗基礎知識與基本操作的在線學習系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠完成化學教學實驗的音頻、視頻信號的傳輸，教師可以將上課的內(nèi)容予以實時記錄，保存教學資料，支持實驗課堂的信息化教學，視頻會議、現(xiàn)場直播、多班共同討論、遠程教學、在線觀摩、網(wǎng)絡瀏覽并回訪、數(shù)據(jù)庫平臺架構等日常教學和管理活動。對于全面系統(tǒng)的基礎化學實驗，廣泛用于基礎化學實驗的預習、實驗規(guī)范以及安全教育方面，旨在豐富學生的研究方法并提升思維能力。采用flash技術構建，無須事先安裝該軟件，內(nèi)容涵蓋了從儀器介

14、紹到實驗裝置展示、從實驗基本操作和相關知識到定性檢驗與鑒定、從元素周期表跨至化合物的制備與提純虛擬實驗等，不僅可給學生講解實驗基本知識和基本操作，讓學生自由操作，并模擬全部實驗過程、記錄實驗數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理、評價等，實現(xiàn)了實驗的完全自主學習。仿真實驗中心涵蓋了無機、有機、物理化學和滴定分析和元素及其化合物的性質等多個虛擬實驗室，如物理化學虛擬實驗室內(nèi)容包括測定燃燒熱、氣體-液體平衡相圖，測定原電池的電動勢等。從上述可知，西北大學的不同側重點的虛擬實驗室已經(jīng)覆蓋了化學學習階段的大部分實驗，如若能將該虛擬仿真實驗中心復制到各級學校中，對于新一輪教學改革啟動有較大意義。四、前景展望無論是以育人為目標的學校還是追求利潤的企業(yè)，都在響應虛擬現(xiàn)實的大潮，并且切實投入到這個領域中來。但是對于在教育學中的應用，我們還需要更加冷靜的思考，如何應用虛擬現(xiàn)實技術來促進教學以及應用該技術的相關操作規(guī)范。盡管虛擬現(xiàn)實技術有著無可替代的作用，但不可否認，價格高昂等多方面的原因也阻擋了虛擬實驗室的搭建，要想讓這項