虚拟现实技术在初中化学课堂的应用

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摘要：文章首先阐述了初中化学教学过程中存在的问题，然后提出了基于模糊数学评价的虚拟现实技术在初中化学课堂中的应用，包括虚拟现实技术在构建初中化学课程数据库中的应用和虚拟现实技术在化学微观世界理论教学中的应用，最后总结了基于模糊数学评价的虚拟现实技术在初中化学课堂中的应用效果。

关键词：模糊数学评价；虚拟现实技术；初中化学课堂

化学作为一门与日常生活紧密联系的课程，从初中三年级开始被纳入基本教育课程。初中生对于化学学科充满好奇，同时也充满疑惑和焦虑[1]。随着教育改革的推行，化学课程教学要求由传统的应试教育转向现在的素质教育，在教育思路转变的同时，传统的课堂教学方法和手段也已经无法满足现代教学的实际需要，因此为了改变教学模式，必须引进一套全新的化学教学模式和方法[2]。

一、初中化学教学过程中存在的问题

（一）理论课程教学过程中存在的问题。对于微观世界的理解一直是化学课程学习的焦点和难点。在现阶段的初中化学教学过程中，大多数教学依旧采用传统的教学模式，教师在授课过程中按照课本教材进行讲解。初中生的想象力尚未成熟，理解分子、原子和物质的量等抽象概念的能力有限，设想微观和宏观世界十分困难[3]。如大部分学生都很难想象像原子这样的粒子是如何组成物质的，因而他们无法在学习化学的开始阶段正确地理解什么是微观结构，这种课堂学习模式忽视了学生的主体地位，加上现阶段考试的需要又偏离了化学课程教育的核心教育，不能帮助学生学习及培养学生解决问题与对事物认知和探索的能力，导致学生对化学课程学习的积极性不高，从而无法达到预期的教学目标和课程学习效果[4]。（二）实验课程教学过程中存在的问题。化学教师在教学过程中不仅要注重学生对理论知识的学习，还要注重学生对实验课程的学习。许多化学相关理论知识的总结和延伸都是通过实验现象进行的，如果教师不注重实验课程的教学，那么学生就无法真正地理解知识。例如，学生如果只是在教材或教师的讲述中了解金属钠与水的反应，那么就无法了解实验操作和后期考试时提到的钠与水发生剧烈反应，到底什么程度的反应才是剧烈反应[5]。此外，一些学校对实验课的重视程度不够，实验仪器设备严重缺乏甚至没有专门的实验室和实验管理教师，这种教学条件严重阻碍了学生动手操作能力的提升，不利于后续高中阶段化学课程的学习及学生的全面发展。

二、基于模糊数学评价的虚拟现实技术在初中化学课堂中的应用

（一）虚拟现实技术在构建初中化学课程数据库中的应用。随着科学技术在教育行业的应用，国内外有很多学校都将虚拟现实技术引进课堂[6]。虚拟现实技术不仅能够让学生参与探索、构建和操纵虚拟对象，还能远程学习国内外众多学校和专家教育学者的远程精品课程[7]。如笔者所在的学校莲花好地中学（以下简称“我校”）就在化学课程教学过程中，针对初中化学课程的“物质成分”和实验操作部分，开发了一套基于虚拟现实的现实学习工具。首先，学校购买了HTCVive-wifi型一体虚拟现实设备，通过Java编程和使用的第三方软件，包括NyARToolkit、Java3D和JMF（JavaMediaFramework）对虚拟现实设备进行了优化。其次，学校构建了现阶段初中化学课程的数据库，通过在我校基础实验室利用计算机和摄像机在视野内进行场景的标记，在计算机屏幕上同时显示其捕获的场景和由标记表示的相应虚拟对象，将部分具有危险性的化学实验记录下来，通过Java编程与虚拟现实连接，程序会检测并记录每个标记在摄像机视图中的位置，因为当标记位于不同位置时，应用程序将触发不同的动画，从而完成数据库的内容；数据库的内容则获取了互联网上国内外众多学校的可共享精品课程、学习资料及各种科研实验。在实际应用中学生可以通过鼠标移动标记与插入的虚拟对象进行互动，还可以利用虚拟现实的重力感应对视觉内的场景进行360度观察，也就是说，用户和计算机之间的互动都是通过学生的动作来进行的。每个学生使用的虚拟现实设备通过WiFi与处理终端进行数据传输，因此每个设备都会相互独立地根据学生的状态为学生提供一个连续的界面，学生可以通过鼠标和重力感应对虚拟现实中的视觉图像进行控制并互动，以获得自然的虚拟与现实的互动体验。（二）虚拟现实技术在化学微观世界理论教学中的应用。虚拟现实技术是解决学生在化学微观世界理论教学中的问题的最佳解决方案，学生在传统课程学习过程中无法观察到的微观粒子，在虚拟现实中都可以观察到[8]。例如，学生可以在虚拟现实中观察到原子、质子、电子的3D视觉影像，还可以观察到水分子的结构图，以及金刚石、石墨和碳60原子的空间排布，甚至可以模拟化学反应过程中电子的转移和反应过程中的原子交换，具体如图1所示，虚拟现实技术能准确描绘氯化锌溶解的过程。通过虚拟现实设备可以使学生看到氯化锌的溶解过程，这样分子的解离、扩散及分布状态都会呈现在学生面前，此外，画面中还会提出一些问题，而图中动画过程则会反应这些问题的答案。在实验教学过程中，虚拟现实能还原一些具有危险性的实验，以避免出现安全事故，还可以做相关的实验指导，对学生零距离地进行一对一实验操作指导。

三、基于模糊数学评价的虚拟现实技术在初中化学课堂中的应用效果

模糊数学原理的基础建立在模糊集理论的基础之上，是数学中经典理论的延伸，它通过每个研究变量的隶属函数对结果的分析来规避由个人主观性引发的误差[9]。笔者从我校初三年级随机选取20名学生（10男10女）建立评价小组，对虚拟现实技术在课堂中的应用效果进行评价打分。为了直观体现各虚拟现实技术对教学效果的影响，以20名学生评价的加权平均得分Xj为指标，对评语集条件进行初级筛选。根据式（1）计算Xj。Xj=120移（xi1f1+xi2f2+xi3f3+xi4f4）（1）式中：Xj指教学效果j的加权平均分；j-1、2、3…20，指对20名学生的编号；n-20，指参与评价的20名学生；i-1、2…20，指参与评价的20名学生的编号；xi1、xi2、xi3、xi4，指第i个学生对学习的积极性、理论课程的认知度、实验的操作性、成绩的提升4个评价指标的评分；f1、f2、f3、f4，指4个评价因素集对应的权重因子（各因素对分数对总分数的比值）。评价因素集是对虚拟现实技术教学效果评价因素的集合，评价因素集U=（u1，u2，u3，u4），其中u1、u2、u3、u4分别代表积极性、理论课程的认知度、实验的操作性、对成绩的提升；评语集是评价员对因素集评价标准分数的集合，评语集V=（v1，v2，v3，v4，v5），其中满分为100分，v1、v2、v3、v4、v5分别代表优秀（100）、良好（80）、一般（60）、较差（40）、差（20），这虚拟现实技术教学效果的评语和分数等级。评价标准如表1所示。笔者让随机选取的20名学生对各因素集进行逐一评价，然后统计每个因素在每个等级中的票数，计算各等级的票数占总人数比，得到虚拟现实技术教学效果评价模糊关系矩阵。模糊数学综合评判集K=C*F，其中C、F分别代表权重集和模糊关系矩阵。模糊数学计算结果如表2所示。由20位学生计算得到的模糊计算结果表明，虚拟现实技术在初中学习过程中对学生学习的积极性、理论课程的认知度、实验的操作性、成绩的提升的影响有极为显著的差异，表明虚拟现实技术能有效调动学生学习的积极性，有利于学生对微观世界的认识和理论课程的学习，提升了学生实验的操作性，学生成绩较之前也有明显提升[10]。

四、结语

虚拟现实在我校的教学试验中已被证实有利于学生在初中化学课程中的学习，共作为计算机辅助学习工具能有效提高学生的学习效果，不仅对成绩优异的学生有效，同时也能提高成绩较差学生的学习兴趣和学习积极性，进而提高其成绩；同时这项技术的应用为现阶段的理科教学提供了新思路，也可以在高中理科教学的其他学科中应用。

作者:姚保军 单位:甘肃省天水市秦安县莲花好地中学