虞京軍,余勇軍

(1.武漢市四美塘中學(xué),湖北 武漢 430062;2.武漢市長(zhǎng)虹中學(xué),湖北 武漢 430070)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)生成模擬環(huán)境,讓用戶(hù)通過(guò)多種感官(視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等)與之交互,從而獲得類(lèi)似于真實(shí)世界體驗(yàn)的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合多項(xiàng)智能技術(shù)于一體,生成虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景,體驗(yàn)者通過(guò)顯示屏、智能穿戴設(shè)備(如立體眼鏡、頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、智能服裝等)、跟蹤反饋器等終端設(shè)備,通過(guò)五官的自然體驗(yàn)方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)交互,獲取類(lèi)似于自然實(shí)境的沉浸式體驗(yàn)。

化學(xué)作為一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué),強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)操作和化學(xué)原理的探究,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在化學(xué)教學(xué)中,具有逼真、互動(dòng)、自主、安全以及資源共享等特點(diǎn),有著傳統(tǒng)教育技術(shù)和教學(xué)方法無(wú)法達(dá)到的優(yōu)勢(shì)。中學(xué)化學(xué)教學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著高度的契合度。因此,在中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中,運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為教學(xué)提供更加豐富的手段和更加逼真的教學(xué)體驗(yàn),有著廣泛的應(yīng)用前景。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多研究者對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索和研究。例如,王春分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中存在的問(wèn)題,如設(shè)備成本高、軟件內(nèi)容質(zhì)量參差不齊、教師專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)不足等,并提出了相應(yīng)的解決對(duì)策和建議[1]。他還基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)提高學(xué)生化學(xué)興趣、理解能力和操作技能的積極作用[2]。楊壯林等人[3]探討了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用模式、原則和策略,提出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合,以達(dá)到最佳教學(xué)效果。

然而,目前關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究還存在一些不足之處。一方面,大多數(shù)研究只是從理論層面或局部角度探討了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值和意義,并沒(méi)有涉及到具體的教學(xué)內(nèi)容、活動(dòng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā);另一方面,大多數(shù)研究只是從單一或簡(jiǎn)單的指標(biāo)或維度評(píng)價(jià)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用效果和質(zhì)量,并沒(méi)有考慮到多元或復(fù)雜的因素或影響。因此,有必要從更加全面和深入的角度,對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)和細(xì)致地研究。

本文旨在探究中學(xué)化學(xué)課程教學(xué)中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的必要性,通過(guò)走訪調(diào)研部分中學(xué)化學(xué)課堂教學(xué)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用情況,分析中學(xué)化學(xué)課堂教學(xué)中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)存在的問(wèn)題及解決思路,提出在中學(xué)化學(xué)課堂教學(xué)中合理利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的建議,在中學(xué)化學(xué)教育改革和發(fā)展的理論和實(shí)踐方面進(jìn)行初步探討。

1 中學(xué)化學(xué)教學(xué)中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的必要性

首先,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的互動(dòng)性和沉浸感,可以極大提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與感?；瘜W(xué)作為一個(gè)強(qiáng)調(diào)動(dòng)手操作和直觀體驗(yàn)的學(xué)科,如何激發(fā)和維持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣尤為重要。研究表明,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的互動(dòng)性和沉浸感可以充分挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛能,調(diào)動(dòng)他們的多種感官參與學(xué)習(xí)活動(dòng),從而產(chǎn)生更高的心理體驗(yàn),使學(xué)生在愉悅和自主的學(xué)習(xí)狀態(tài)下主動(dòng)探索知識(shí)、鍛煉能力。與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)無(wú)疑更能吸引數(shù)字時(shí)代學(xué)生的眼球,激發(fā)他們的好奇心和探索欲,讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中“親身”體驗(yàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的魅力。這種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式學(xué)習(xí)經(jīng)歷,是學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)科興趣的關(guān)鍵。

其次,逼真的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生更直觀地理解和掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)原理,達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室,可以提供和真實(shí)環(huán)境高度還原的三維視覺(jué)效果、真實(shí)的操作體驗(yàn)及實(shí)時(shí)的交互反饋。學(xué)生可以重復(fù)操作虛擬實(shí)驗(yàn)以加深印象,安全地探究各種條件下化學(xué)反應(yīng)的可能,這在傳統(tǒng)教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)。宏觀上看,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打破了時(shí)間和空間的局限,學(xué)生可以隨時(shí)隨地沉浸式地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)習(xí)。微觀上看,逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)使抽象的化學(xué)知識(shí)通過(guò)直觀的感官體驗(yàn)轉(zhuǎn)化為具體的認(rèn)知印象, 從而促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的內(nèi)化和遷移。綜合來(lái)看,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)很大程度上提升了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和效果。

再次,虛擬實(shí)驗(yàn)可降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料成本,減少安全隱患,這在中學(xué)階段的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有重要意義。中學(xué)生理解能力和操作能力都存在一定局限,進(jìn)行真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)存在較大的安全隱患,而虛擬實(shí)驗(yàn)可大大降低這方面的風(fēng)險(xiǎn)。教師可以根據(jù)學(xué)生的能力設(shè)定虛擬實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜程度,使其既能鍛煉實(shí)踐能力,又能控制在安全范圍內(nèi)。此外,虛擬實(shí)驗(yàn)也減輕了學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備購(gòu)置和維護(hù)的壓力。綜合來(lái)看,虛擬實(shí)驗(yàn)在充分保障學(xué)生安全的前提下,降低了中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的門(mén)檻。

另外,虛擬實(shí)驗(yàn)可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性,促進(jìn)學(xué)生之間地交流合作,這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神和團(tuán)隊(duì)合作能力大有裨益。在虛擬環(huán)境中,學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度和興趣選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,多次重復(fù)操作實(shí)驗(yàn)直到完全掌握,并主動(dòng)設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)測(cè)試自己的想法,在這個(gè)過(guò)程中提高自主學(xué)習(xí)的能力。同時(shí),虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可以連接多位學(xué)生同時(shí)進(jìn)行虛擬。

綜上所述,在中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中,運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn),可以極大促進(jìn)化學(xué)教學(xué)方法的現(xiàn)代化改革,提供更加豐富的教學(xué)手段和更加沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn),使抽象的化學(xué)知識(shí)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到直觀的感性認(rèn)知,有效提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。具體來(lái)說(shuō),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的互動(dòng)性和沉浸感能極大調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)參與的內(nèi)在動(dòng)力;逼真的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)又能直觀地幫助學(xué)生加深對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解;此外,虛擬實(shí)驗(yàn)還可以降低教學(xué)成本和安全風(fēng)險(xiǎn),提供個(gè)性化的自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)合作的機(jī)會(huì)。綜合這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與特色,運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行中學(xué)化學(xué)教學(xué),不僅切合學(xué)科的實(shí)踐性特點(diǎn),也契合當(dāng)代學(xué)生的認(rèn)知特征和學(xué)習(xí)需求,是實(shí)現(xiàn)化學(xué)教學(xué)模式變革,提高教學(xué)質(zhì)量與學(xué)習(xí)效果的重要舉措,具有重要而必要的意義。

2 中學(xué)化學(xué)教學(xué)中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)存在的問(wèn)題

首先,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要昂貴的硬件設(shè)備支撐,這給學(xué)校帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)壓力。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要包括強(qiáng)大的計(jì)算平臺(tái)、頭戴顯示設(shè)備、手持控制器、運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)等一系列硬件設(shè)施,這需要學(xué)校投入大量資金。例如,單個(gè)HTC Vive頭顯設(shè)備就需要人民幣萬(wàn)元以上,若要滿(mǎn)足一個(gè)班30人同時(shí)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn),成本將非常高昂。這對(duì)經(jīng)濟(jì)條件有限的學(xué)校來(lái)說(shuō)存在較大的經(jīng)濟(jì)壓力。一些經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的學(xué)?？赡茈y以承擔(dān)這樣的投入,導(dǎo)致虛擬實(shí)驗(yàn)無(wú)法普及應(yīng)用。

其次,虛擬實(shí)驗(yàn)無(wú)法完全取代真實(shí)實(shí)驗(yàn)的重要作用,學(xué)生仍需進(jìn)行真實(shí)操作以深入理解化學(xué)原理。雖然虛擬實(shí)驗(yàn)可以模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果,但畢竟是對(duì)現(xiàn)實(shí)的接近還原,不是現(xiàn)實(shí)本身。真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生親自動(dòng)手操作儀器設(shè)備,近距離觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,提出疑問(wèn)并修改方案,設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證,這種真實(shí)的體驗(yàn)是虛擬實(shí)驗(yàn)無(wú)法完全替代的。直接的實(shí)際操作可以加深學(xué)生對(duì)化學(xué)原理的理解,培養(yǎng)科學(xué)思維,這是僅有虛擬實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到的。因此,虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該結(jié)合使用,發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。

再者,當(dāng)前虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過(guò)于簡(jiǎn)單,無(wú)法涵蓋全部實(shí)驗(yàn)操作,會(huì)對(duì)學(xué)科學(xué)習(xí)帶來(lái)限制。受技術(shù)水平限制,現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)多依賴(lài)簡(jiǎn)單的模式和預(yù)設(shè)環(huán)境,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和形式都比較單一。但化學(xué)實(shí)驗(yàn)的范圍非常廣泛,操作復(fù)雜、條件變化多端的實(shí)驗(yàn)很多?，F(xiàn)有虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難以涵蓋所有化學(xué)實(shí)驗(yàn),這對(duì)學(xué)生全面學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)帶來(lái)一定制約。如果長(zhǎng)期過(guò)度依賴(lài)虛擬實(shí)驗(yàn),學(xué)生可能無(wú)法接觸到足夠豐富的化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,也就難以對(duì)化學(xué)原理形成深刻的理解。

此外,虛擬實(shí)驗(yàn)可能導(dǎo)致學(xué)生不重視真實(shí)實(shí)驗(yàn),引發(fā)部分學(xué)生的身體不適。由于只是虛擬模擬,學(xué)生可能認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)沒(méi)有實(shí)際操作那么重要,不需要投入太多精力。長(zhǎng)此以往可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生漠視真實(shí)實(shí)驗(yàn)的重要性。另外,長(zhǎng)時(shí)間使用VR設(shè)備也可能導(dǎo)致部分學(xué)生出現(xiàn)頭暈、眼疲勞等癥狀,這會(huì)直接影響學(xué)生的身體健康及學(xué)習(xí)狀態(tài)。

最后,最大的問(wèn)題是因缺乏豐富的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源,需要大量投入建立真正沉浸式的三維虛擬環(huán)境。現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單,多以簡(jiǎn)單三維動(dòng)畫(huà)或視頻呈現(xiàn),與真實(shí)環(huán)境還存在距離[4]。要打造真正沉浸式的虛擬實(shí)驗(yàn)室,需要匯集各學(xué)科專(zhuān)家、計(jì)算機(jī)技術(shù)人員等力量,對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境及儀器設(shè)備進(jìn)行三維建模、編程及添加交互設(shè)計(jì),制作高質(zhì)量的教學(xué)資源。這需要持續(xù)、長(zhǎng)期的人力及財(cái)力投入。缺乏這方面的資源投入,會(huì)嚴(yán)重制約虛擬技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的推廣應(yīng)用。

3 中學(xué)化學(xué)教學(xué)中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)解決思路

針對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)昂貴的硬件成本問(wèn)題,普通公立中學(xué)可以考慮采用校企合作的模式。 校企合作可以充分利用企業(yè)的資金和技術(shù)優(yōu)勢(shì),幫助學(xué)校建立虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。例如可以與當(dāng)?shù)氐母咝驴萍脊竞献?以學(xué)校提供場(chǎng)地設(shè)施,企業(yè)提供硬件設(shè)備和技術(shù)支持的方式共建虛擬實(shí)驗(yàn)室。中學(xué)還可以聯(lián)合附近的大學(xué),使用大學(xué)已建成的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和設(shè)施,降低自身的投入成本。

針對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)無(wú)法完全替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題,中學(xué)可以采取虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合的方式,可以根據(jù)不同的教學(xué)目標(biāo)采取不同的實(shí)驗(yàn)形式。對(duì)于需要操作儀器、親身體驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo),則安排真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;而涉及危險(xiǎn)操作或需要反復(fù)演示的實(shí)驗(yàn)可以采用虛擬實(shí)驗(yàn)。同時(shí),也可以在虛擬實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn),加深學(xué)生的理解。

針對(duì)當(dāng)前虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不足的問(wèn)題,中學(xué)可以采取分階段建設(shè)的策略?？梢?xún)?yōu)先選擇相關(guān)性強(qiáng)且對(duì)學(xué)生意義重大的化學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)虛擬內(nèi)容。同時(shí),教師可以針對(duì)存在的虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容制作相關(guān)教學(xué)課件或任務(wù),引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)利用這些資源。在資源積累充分后,再逐步擴(kuò)充其他虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

針對(duì)學(xué)生可能不重視虛擬實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題,教師需要從教學(xué)理念上轉(zhuǎn)變,重視過(guò)程性評(píng)價(jià),不僅看結(jié)果也看學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程,給予及時(shí)反饋和鼓勵(lì),引導(dǎo)學(xué)生重視虛擬實(shí)驗(yàn)。教學(xué)內(nèi)容上也要設(shè)計(jì)與虛擬實(shí)驗(yàn)相關(guān)的課堂活動(dòng)或家庭作業(yè),促進(jìn)使用虛擬資源。此外,也可以適當(dāng)加入虛擬現(xiàn)實(shí)的趣味元素,提升學(xué)生的參與感。

中學(xué)還需要繼續(xù)加大虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建設(shè)投入。優(yōu)先選擇校內(nèi)教師力量,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)適合本校學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。同時(shí),也可以利用網(wǎng)絡(luò)資源,整合目前免費(fèi)的虛擬實(shí)驗(yàn)素材。還可以鼓勵(lì)教師團(tuán)隊(duì)跨校合作,分工開(kāi)發(fā)虛擬資源。這些舉措可以逐步豐富中學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

綜上所述,針對(duì)當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)應(yīng)用中存在的問(wèn)題和局限,可以從多角度入手,校企合作、教學(xué)內(nèi)容改革、資源整合與分階段建設(shè)等可行措施,在現(xiàn)有條件下謀求最佳的教學(xué)效果,逐步推進(jìn)虛擬技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的落地應(yīng)用。這需要化學(xué)教育工作者持續(xù)努力,才能實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中發(fā)揮應(yīng)有的推動(dòng)作用。

4 中學(xué)化學(xué)教學(xué)中合理利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的建議

在當(dāng)前階段如何在現(xiàn)有條件下,合理利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),實(shí)現(xiàn)其在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的有效應(yīng)用,是我們需要深入思考和探討的重要課題。根據(jù)中學(xué)化學(xué)教學(xué)的實(shí)際需求,在總結(jié)先前經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,探討運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的合理化建議,以期為推進(jìn)中學(xué)化學(xué)教學(xué)改革與發(fā)展提供借鑒和參考。

首先,在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中,可以充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì),通過(guò)虛擬仿真讓學(xué)生身臨其境地體驗(yàn)中國(guó)古代重要的化學(xué)發(fā)現(xiàn)與發(fā)展過(guò)程,這可以極大激發(fā)學(xué)生的民族自豪感和學(xué)習(xí)興趣。例如在講授必修1的相關(guān)內(nèi)容時(shí),可以設(shè)置虛擬場(chǎng)景,讓學(xué)生親身參與模擬我國(guó)古代煉丹師在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行沙里淘金、煉制火藥等經(jīng)典過(guò)程。學(xué)生可以身臨其境地進(jìn)行虛擬操作,這種直接的體驗(yàn)可以加深他們對(duì)中國(guó)早期化學(xué)成就的認(rèn)識(shí),增強(qiáng)民族自豪感和學(xué)習(xí)熱情。與傳統(tǒng)的文字講解相比,這種虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸式體驗(yàn)可以使抽象的歷史知識(shí)變得更加具體、直觀,也更容易激發(fā)學(xué)生的熱情。同時(shí),虛擬現(xiàn)實(shí)也可以讓學(xué)生近距離體驗(yàn)科學(xué)前沿的魅力,開(kāi)拓他們的知識(shí)視野。如設(shè)置未來(lái)主義的虛擬實(shí)驗(yàn)室,學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中接觸各種未來(lái)科技和材料,甚至可以“親身”參與太空科學(xué)探索。這可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)想象力和創(chuàng)新精神。除此之外,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以應(yīng)用于復(fù)雜或危險(xiǎn)的前沿實(shí)驗(yàn)操作的模擬。學(xué)生可以安全地在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)使用各種高端設(shè)備儀器,培養(yǎng)他們科學(xué)探索的興趣。如設(shè)計(jì)虛擬沙里淘金的場(chǎng)景和過(guò)程,學(xué)生可以身臨其境地參與全過(guò)程,這比簡(jiǎn)單的視頻演示更能加深對(duì)混合物分離方法的理解。在虛擬環(huán)境中也可以不受限制地設(shè)計(jì)和嘗試多種淘洗方法,達(dá)到主動(dòng)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)效果。同樣,虛擬模擬火箭發(fā)射也可以讓學(xué)生全方位地觀察燃料裝填、點(diǎn)火燃燒等每一個(gè)環(huán)節(jié),并可以反復(fù)地演練,這對(duì)掌握復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程大有裨益。將這些虛擬情景融入相關(guān)章節(jié)的教學(xué)中,可以幫助學(xué)生形成更立體、深刻的化學(xué)知識(shí)體系,實(shí)現(xiàn)更好的學(xué)習(xí)效果。

其次,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以打破時(shí)間和空間的限制,讓學(xué)生身臨其境地體驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)中難以達(dá)到的場(chǎng)景,這可以極大地豐富化學(xué)學(xué)習(xí)的途徑。例如,學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中真實(shí)感受太空失重狀態(tài),進(jìn)行各種懸浮實(shí)驗(yàn),觀察太陽(yáng)光的直射,進(jìn)行光譜相關(guān)的實(shí)驗(yàn),這對(duì)于理解一些僅存在于太空的特殊化學(xué)現(xiàn)象大有裨益。學(xué)生也可以 “深潛” 到海底,通過(guò)虛擬仿真觀察海底熱泉的化學(xué)作用,近距離觀察深海生物的結(jié)構(gòu)與行為等。這些虛擬體驗(yàn)可以極大拓寬學(xué)生的視野,獲得現(xiàn)實(shí)中難以獲取的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。

將這一優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于具體教學(xué)中,可以針對(duì)一些環(huán)境相關(guān)的化學(xué)知識(shí),設(shè)計(jì)沉浸式的虛擬場(chǎng)景,讓學(xué)生在游戲中學(xué)習(xí)。例如設(shè)計(jì)一款虛擬森林生存游戲,學(xué)生需要在森林中取水、覓食、生火等。游戲可以設(shè)置在早晨樹(shù)葉出現(xiàn)丁達(dá)爾效應(yīng)的虛擬場(chǎng)景,讓學(xué)生在游戲中親身感受;如果需要生活用水,可以使用游戲中配置的明礬對(duì)水源進(jìn)行凈化。這種知識(shí)的游戲化學(xué)習(xí)可以增強(qiáng)學(xué)生的參與感和學(xué)習(xí)興趣。此外,也可以設(shè)計(jì)置身于熔巖中的虛擬場(chǎng)景,讓學(xué)生身臨其境地觀察鉆石的形成;或者在虛擬海洋環(huán)境中,在海邊通過(guò)陽(yáng)光、海風(fēng)等虛擬鹽田產(chǎn)鹽;通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí),進(jìn)入地下,了解地下煤礦的形成,鉆石在熔巖中的形成等。這些都可以使抽象的化學(xué)知識(shí)更直觀具體。

第三,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)在于可以直觀地呈現(xiàn)原子和分子這些微觀世界,這對(duì)于中學(xué)化學(xué)教學(xué)意義重大。具體來(lái)說(shuō),可以建立虛擬的原子模型,學(xué)生可以真實(shí)地觀察電子配置、核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等過(guò)程。例如可以呈現(xiàn)不同軌道電子層疊的三維效果,以及電子在能級(jí)間躍遷的動(dòng)態(tài)視角,這比傳統(tǒng)的靜態(tài)原子模型直觀和形象得多。學(xué)生還可以“化身”為電子,在虛擬環(huán)境中自主探索原子內(nèi)部結(jié)構(gòu),這樣主動(dòng)的學(xué)習(xí)可以加深對(duì)原子理論的理解。例如虛擬呈現(xiàn)核外電子排布過(guò)程,學(xué)生可以多角度觀察電子排列順序及運(yùn)動(dòng)規(guī)律,反復(fù)模擬操練,可以大大減少排布錯(cuò)誤。三維虛擬環(huán)境也可以直觀展示3個(gè)P軌道的方向性,以及不同軌道之間和分子軌道的雜化過(guò)程,這些微觀現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)可視化可以極大推進(jìn)對(duì)抽象概念的理解。再如在晶胞的結(jié)構(gòu)中,構(gòu)成晶胞的離子如何進(jìn)行劃分,得到頂點(diǎn)、棱、面等可以通虛擬實(shí)現(xiàn)的切割完成,學(xué)生通過(guò)對(duì)照虛擬現(xiàn)實(shí)原子、離子等進(jìn)行確定其對(duì)晶體的貢獻(xiàn),或者虛擬進(jìn)入晶體內(nèi)容,確定原子、離子、分子間的位置關(guān)系等,這樣的學(xué)習(xí),必然印象深刻。將這種沉浸式的虛擬原子學(xué)習(xí)融入相關(guān)章節(jié),將傳統(tǒng)的靜態(tài)圖示轉(zhuǎn)變?yōu)榭山换サ娜S動(dòng)態(tài)模型,可以極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。他們可以不受限制地從不同角度觀察原子內(nèi)部結(jié)構(gòu),進(jìn)行虛擬操作實(shí)驗(yàn),這種主動(dòng)探究的學(xué)習(xí)方式可以達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。相比傳統(tǒng)教學(xué)方法,這種虛擬技術(shù)無(wú)疑可以極大推進(jìn)對(duì)原子理論和微觀過(guò)程的理解,也是當(dāng)前中學(xué)化學(xué)教學(xué)改革的重要方向。

第四,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓學(xué)生身臨其境地參觀各種復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)流程,這對(duì)學(xué)習(xí)相關(guān)的應(yīng)用化學(xué)原理大有裨益。例如,學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中觀察化工廠內(nèi)各種反應(yīng)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程,這可以加深對(duì)工業(yè)級(jí)設(shè)備結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理的理解,可以建立氨氣合成工藝和硫酸制取工藝的虛擬車(chē)間,學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中穿行其中,逐一觀察各關(guān)鍵設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造與運(yùn)轉(zhuǎn)情況。例如在虛擬的硫酸工藝線中,學(xué)生可以親身體驗(yàn)沸騰爐的高溫狀況,觀察熱交換管的設(shè)置方式,然后接觸室中的氧化反應(yīng)過(guò)程,以及后續(xù)吸收塔內(nèi)三氧化硫被吸收的全過(guò)程。這種虛擬仿真可以使單純的文字?jǐn)⑹龌蛞曨l展示難以達(dá)到的視角與效果,極大地加深對(duì)硫酸工業(yè)流程及設(shè)備運(yùn)作原理的理解。其他如氨氣合成都可以設(shè)置類(lèi)似的虛擬車(chē)間,實(shí)現(xiàn)沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。如果條件允許,還可以加入一定交互性,學(xué)生可以根據(jù)所學(xué)知識(shí)對(duì)虛擬工藝過(guò)程進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,觀察結(jié)果的變化,實(shí)現(xiàn)真實(shí)的知識(shí)內(nèi)化?？傊?這種虛擬工業(yè)體驗(yàn)可以極大推動(dòng)化學(xué)知識(shí)的應(yīng)用學(xué)習(xí),使學(xué)生通過(guò)直接的虛擬體驗(yàn)了解化工生產(chǎn)的過(guò)程,加深對(duì)專(zhuān)業(yè)設(shè)備與工藝流程的理解記憶。它是傳統(tǒng)教學(xué)方法難以實(shí)現(xiàn)的,也是虛擬技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)教學(xué)的又一重要實(shí)踐。

第五,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以很好地模擬在實(shí)際操作中存在危險(xiǎn)或無(wú)法開(kāi)展的化學(xué)實(shí)驗(yàn),這對(duì)安全教學(xué)大有裨益。例如,一些發(fā)生爆炸或產(chǎn)生劇毒氣體的實(shí)驗(yàn),學(xué)?，F(xiàn)實(shí)中難以演示,但在虛擬環(huán)境中可以逼真模擬整個(gè)過(guò)程,特別可以設(shè)置出現(xiàn)危險(xiǎn)情況的情形。例如可以模擬氧氣與氫氣反應(yīng)時(shí)的爆炸場(chǎng)面,也可以設(shè)置學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)操作失誤導(dǎo)致的后果。這種虛擬的潛在危險(xiǎn)情景,可以讓學(xué)生深刻理解正確操作的重要性,也可以反復(fù)模擬練習(xí)規(guī)范的實(shí)驗(yàn)步驟,從而提高學(xué)生的實(shí)際實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc安全意識(shí)。

中學(xué)化學(xué)中有些實(shí)驗(yàn)是有毒、易爆的實(shí)驗(yàn),存在學(xué)生易操控失誤的操作等[5]。許多教師教學(xué)中并沒(méi)有進(jìn)行演示一氧化碳還原氧化銅的實(shí)驗(yàn),因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅有毒,而且易爆。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí),可以對(duì)實(shí)驗(yàn)很好進(jìn)行演示和模擬,對(duì)不規(guī)范的操作,模擬出現(xiàn)爆炸,出現(xiàn)中毒等,讓學(xué)生進(jìn)一步意識(shí)到規(guī)范操作的重要性。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),這些實(shí)驗(yàn)都可以通過(guò)虛擬仿真的方式實(shí)現(xiàn)視覺(jué)呈現(xiàn),以及對(duì)異常情況的規(guī)避演練。這種基于虛擬仿真的安全教學(xué),既能保證學(xué)習(xí)效果,又可以杜絕實(shí)際操作的潛在危險(xiǎn),是傳統(tǒng)教學(xué)方法難以實(shí)現(xiàn)的。將虛擬仿真有機(jī)融入相關(guān)章節(jié),對(duì)一些危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)采取“虛擬示范,學(xué)生自我操作”的教學(xué)模式,可以達(dá)到事半功倍的效果。這種教學(xué)創(chuàng)新不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,也是當(dāng)前安全教學(xué)的重要發(fā)展方向,值得在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中推廣應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用具有廣泛的應(yīng)用前景,可以提供更加豐富的教學(xué)手段和更加逼真的教學(xué)體驗(yàn),為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供更多的機(jī)會(huì)和更加廣闊的空間。教師應(yīng)該將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與化學(xué)本質(zhì)和實(shí)驗(yàn)原理相結(jié)合,引導(dǎo)學(xué)生深入思考化學(xué)現(xiàn)象背后的本質(zhì)規(guī)律。這也需要化學(xué)教師加強(qiáng)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的研究和探索,不斷完善與創(chuàng)新中學(xué)化學(xué)教學(xué)的方式和方法,以更好地發(fā)揮其在教育教學(xué)中的作用。當(dāng)然,教師需根據(jù)具體教學(xué)目標(biāo)合理選擇合適的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),避免盲目跟風(fēng)和過(guò)度追求效果,同時(shí)應(yīng)該認(rèn)識(shí)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該是化學(xué)教學(xué)的輔助手段,而非替代手段,教師仍需讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和操作,培養(yǎng)其實(shí)踐能力。