马丽娟 杨正红
【内容摘要】结合化学学科与虚拟现实技术的特点，探讨如何根据化学学科核心素养发展的需要，利用虚拟现实技术帮助学生形象化地认识物质微观结构与化学反应机理、设计并模拟化学实验，进而培养学生宏微结合的意识与模型认知能力，促进学生科学探究能力与创新意识的发展，以期为化学教育工作者提供更多的教学资源和教学方向。
【关键词】虚拟现实技术 化学教学 学科核心素养
化学学科核心素养是化学学科育人价值的集中体现，对培养学生未来融入社会所需的必备品格和关键能力有着重要的影响。虚拟现实技术基于化学学科特点，通过营造自主学习的虚拟环境，让学生在虚拟环境中与虚拟对象以各种方式产生交互，帮助学生感知、获得、加工处理虚拟环境中的信息，弥补了传统“离身”教学方式中出现的学生主体性失落、课堂教学形式化、工具化以及学生核心素养培养困难等不足，有力地促进了学科核心素养的发展。本文将从虚拟现实技术的特征、在高中化学课堂教学中的应用与问题进行论述，以期为虚拟现实技术在高中化学教学中的应用提供借鉴。
一、虚拟现实技术及其特点
虚拟现实技术是利用三维多媒体信息处理系统，将现实事物各种变化过程进行逼真的视、听、触、动等多种感知功能描述，为实验者提供生动逼真、多感观一体化虚拟环境的技术。虚拟现实技术的仿真性、强交互性、开放性与多感官性能够帮助实验者打破时空局限，自由地进入逼真的实验环境中进行具体的实验操作，增强了实验者捕捉、反馈信息的及时性与准确性，为后续的学习与研究提供丰富的理论与实践参考。其中桌面式虚拟现实系统主要将计算机屏幕作为虚拟情境的观测窗口，学习者通过计算机输入设备与虚拟情境产生交互并获得体验，具有结构简单、价格低廉、操作方便的特點，在化学教学中运用最为广泛，如Jmol、Blender、金华科仿真化学实验室等。
二、虚拟现实技术在化学教学中促进学生核心素养发展的应用
1.形象认识物质微观结构，培养学生微观辨析与模型认知能力
以“分子的立体构型”教学为例，传统化学教学中教师普遍选择利用图片展示和球棍实物模型演示的方式帮助学生获得感性体验从而达到教学目的。但在实际教学中，由于实物教具较少，教师讲授辅以少量演示的方式较为枯燥、抽象，对空间思维能力较弱学生的学习较为复杂、吃力。此外，学生座位与教师演示的空间距离也很大程度上影响着学生对演示模型的观察。在课堂教学效率方面，启发讲授式和探究式教学均需要教师花费大量时间帮助学生进行理论推导，重复讲解、分析共价分子空间构型，两种教学方式课堂效率较低。利用Jmol和Blender软件可以向学生清晰地展示分子空间结构和分子结构运动轨迹。分子多维度动态的运动能帮助学生直观地认识分子的微观结构与性质的关系，启发学生根据空间结构模型推测并验证特定共价分子的空间构型。
由此可见，虚拟现实技术一方面能创设生动的情境，帮助学生获得直接的感性体验，深入理解物质的结构及组成，推测物质性质及其应用，有利于发展学生宏微结合、基于认知模型进行推理的素养。另一方面，虚拟情境展示的动画为教师的理论讲解提供了感性支撑，学生能够自由、自主地与虚拟情境产生交互，细致、高效地认识物质微观结构，在做到教育公平的同时，也提高了课堂教学效率。
2.预演实验方案，发展学生科学探究能力与创新意识
在进行氯元素及其化合物教学中，由于氯气有毒危害较大，出于师生安全的考虑教师往往采用视频、图片、板书以及口述的方式代替实际的实验操作。学生对氯气性质的探究性学习也被记忆化学方程式和实验现象的机械学习取代，学生缺乏对化学实验现象的感性认知，不利于科学探究能力的发展。一些教师虽然在课堂通过演示实验帮助学生从实验现象认识氯气的相关性质，但对学生观察实验时发现的新问题，通常采取“忽视”或直接讲授解答学生疑惑的方式处理。实验教学中无法给学生实验探究的条件，只是让学生课后改进设计环保型的实验方案，改进方案得不到验证，科学探究素养的培养流于形式。
利用金华科NO BOOK仿真化学实验室不仅可以为师生创设安全、绿色的虚拟化学实验环境，还可以给学生提供自主学习的条件。学生可以在课前认识实验操作需要用到的试剂与仪器，对即将学习的化学实验进行预演、分析与总结。课后反复演练实验，反思总结实验装置与操作的不足，探究性地改进并验证实验方案。这不仅激发了学生化学学习兴趣，加深了对实验操作与实验原理的理解，提高了分析问题、解决问题与合作学习的能力，也使学生科学探究能力与创新意识的发展落到了实处。
3.搭建化学课堂与化工生产的桥梁，培养学生科学态度与社会责任
随着STSE教育理念的提出，课程标准、教科书以及高考命题方向与化工生产的联系越来越密切。但在实际的化学教学中，大多数学校出于对师生安全和经济方面的考虑，不能为师生提供参观化工厂的条件，教师只能以少量教学图片向学生介绍化学课程中大片段的化工知识。此外，由于化工知识科技性、综合性较强，知识点庞杂，工艺复杂，离日常生活较远等，学生对化工知识的学习普遍出现由于缺乏感性认识而难以理解化工生产原理的学习困难状态。王希霞在工业制硫酸中运用动态仿真模拟技术制作水洗法二转二吸流程动态仿真模拟界面。该模拟界面将工业制硫酸的各装置和流程清晰地呈现在中学化学课堂，加强了化学与化工的联系。教师能根据模拟的动态界面向学生详细介绍工业制硫酸各流程的装置、具体操作和基本化学反应原理。学生也能通过模拟界面分析各环节反应在经济、环境方面的局限，提出优化反应装置的建议与方案，激发和增强了学生探究物质性质和变化的兴趣，培养了学生严谨求实的科学态度和“绿色化学”的重要观念，有利于学生科学思维与发散思维的培养。
三、总结与建议
虚拟现实技术作为现代教育前沿技术，在化学教学中的应用弥补了传统化学教学的不足。直观、形象的虚拟情境为提高学生化学学习兴趣，促进学习方式转变，发展各个维度的化学学科核心素养提供了丰富的支撑材料，从科技创新的角度为未来化学教学的进一步发展提供了研究方向。但在化学教学中普遍单一采用桌面式虚拟现实系统，虽有简便快捷、教学成本低的优势，但不能给学生带来逼真的沉浸式体验，后续还应在化学教学实践中开发实验如头戴式、洞穴式虚拟现实系统。此外，在实际教学中教师也应明确化学是一门以实验为基础的学科，虚拟现实技术只是一种辅助教学的手段，不能够完全替代真实的化学实验操作，学生设计并用虚拟现实技术预演后的实验方案依然需要真实的化学实验进行验证。教师在给学生提供具象的感性认识的同时也应注重培养学生的抽象思维能力和实验操作能力，要使教师讲授、化学实验、虚拟现实技术形成合力，共同指向各维度化学学科核心素养的发展。
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（作者单位：山西师范大学化学与材料科学学院;山西师范大学教师教育学院）
