虚拟化学实验设计论文

[摘要]研究表明，学科领域知识在学习过程中发挥着积极的作用。在虚拟现实实验设计的理论探索和开发实践中，文章依据学科领域知识的三维结构，即学理内容、认知过程和问题条件三类知识，根据SCORM内容聚合模型的设计思想，引入一种基于学科知识库的三维虚拟实验知识单元模型，探讨基于该模型的实验知识单元的表征及其可视化呈现。下面小编整理了一些《虚拟化学实验设计论文 (精选3篇)》，希望对大家有所帮助。

虚拟化学实验设计论文 篇1：

培养化学实验技能的虚拟实验设计

前言

化学是一门以实验为基础的科学，从新元素的发现，新化合物的合成，到化学反应规律的研究，各种假设、理论的证实都离不开化学实验;同时，实验亦是自然科学研究问题的最重要最基本的方法之一。然而，在“化学以实验为基础”的教学观已普遍为大家所接受的同时，人们对“以实验为基础”及“化学实验技能的形成”的理解还没有完全上升到理性的高度，实验教学仍是中学化学教学中最薄弱的环节。在化学实验中引进计算机仿真技术，设计出的虚拟化学实验室，在增强学生感性认识、培养学生动手能力、提高实验效率、避免人身伤害和节约费用等方面有着传统手段不可比拟的优势，对学生实验技能的培养和造就创造性人才，有着十分重要的意义。

一、虚拟实验概述

虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等于甚至优于在真实环境中所取得的效果。[1]

虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、想象性等特征，在实验教学方面有以下优点:[2]

1.吸引学生参与实验，调动学生学习化学的积极性

在虚拟实验室里，学生可以按自己的想法做任何化学实验，通过自己的参与来认识化学现象，了解物质的属性，以获得对课本知识的感性认识，由此，化学不再是枯燥的只强调死记硬背的学科，学生通过做实验在实践中学习新知识、复习旧知识，有利于培养学生对化学的学习兴趣，调动他们学习化学的积极性。

2.有利于避免真实实验带来的各种危险

由于化学自身的学科特性，相当一部分实验有一定的危险性，在虚拟实验室中这些实验仍旧可以通过虚拟操作进行。虚拟的化学实验可以避免腐蚀性物品带来的危险，也可以避免化学反应引发的燃烧、爆炸等现象对人身或实验室造成损失。

3.打破现实实验所受的时空限制

传统的实验室由于受时间和空间的限制，一部分教学内容无法以生动的形象呈现给学生。而在虚拟实验室中，虚拟现实技术可以打破这种限制。例如：要认识化学分子的结构，学生可以进入到化学分子的内部，分析各种物品分子结构有何不同。有些化学反应需要较长时间才能观察出结果，在传统实验室中这种实验结果不容易得到，而在虚拟实验室可以在很短的时间内由学生自主发现。

4.避免材料磨损

学生在虚拟实验室中通过操作虚拟仪器以及虚拟物品来观察、参与化学实验，不会耗费现实实验材料。另外，虚拟实验室不会出现任何磨损、破坏，可反复使用。学生可多次进入虚拟实验室练习实验以训练其实验操作技能。既满足了教学需求，又提高了教学效益，同时减少实验损耗。

5.可有效地提高学生的动手能力

虚拟实验允许学生按自己的设想动手，参与或从事实验研究，允许学生失败、允许犯错误，允许仪器设备“损坏”或“灾难性事故”的发生并通过正、反两方面增加和培养学生的想象力和创造力。

二、传统化学实验教学模式

化学实验教学模式是在一定的教学思想指导下，围绕着教学活动中某一主题而形成的相对稳定的、系统化的、理论化的方案，是教学理论和教学实践活动的桥梁和中介，也是一种化学实验教学范型。[3]图1所示为传统的化学实验教学模式。

图1 传统的化学实验教学模式[4]

传统实验教学的不足在于：

(1)实验环节多是以教师为主，学生按部就班，处于被动学习的地位，即“填鸭式”的教学，往往是教师讲、学生做，以得到数据或观察实验结果为目的。

(2)不能调动学生学习化学的积极性和主动性，不利于学生创造性思维能力的培养。

(3)正是因为以得到数据或观察实验结果为目的，忽略了对学生实验技能的培养，不利于学生形成较强的动手能力，也难以使学生形成科学探究的学习习惯。

三、虚拟化学实验教学模式

利用虚拟实验进行化学实验教学时，要以培养学生实验技能为目的，就必须注意学生的认知规律，即认知阶段、联系形成阶段和自动化阶段。[5]一些学者提出了化学实验操作技能的培养策略：教师启发讲授、教师示范、有指导的学生实验、学生独立实验等。[6]

因此，利用虚拟实验室进行教学包含如下过程：用虚拟实验给学生演示示范实验操作及实验过程，待学生基本理解实验内容时，给学生一定的交互进行适当的模仿操作，在进入学生技能学习的联系阶段时，让学生进入实物实验阶段，将原来在虚拟实验环境中学习到的化学知识以及一长串分开的实验操作向现实实验操作迁移转化。随着实物实验的多次练习，学生的实验动作由最初的呆板到协调、灵活，并逐步将学习到的化学知识内化到自身知识结构中，并进入到实验技能形成的自动化阶段。

根据学生实验技能的形成过程，提出如图2所示的实验教学模式。

图2 虚拟实验在教学中的应用模式图

图2中的模式是先做虚拟实验，虚拟实验又分为操作示范和分步操作兩个阶段，让学生在初步了解所需掌握实验技能的情况下再进行模仿操作，并将需要掌握的实验技能尽可能地细化、分解动作，以加深学生对技能的理解、提高学生学习技能的效率。在学生逐步了解该化学实验并对所需掌握的技能有了一定的内化认识之后再加入实物实验，以促进学生头脑中对所要学习的技能的认识向现实中的实验技能迁移。多次进行实物操作实验直至学生掌握实验技能。

最后，在应用计算机虚拟技术进行实验教学的过程中，在肯定虚拟技术在实验教学方面有效性的同时还要处理好虚拟实验与传统实验的关系。明确虚拟实验是传统实验方法的辅助和深化，并不能完全代替传统的实际实验，要将虚拟实验与传统实验有机结合起来，提高学生的动手能力、培养学生的实验技能并促进学生形成科学探索精神。

四、培养实验技能的虚拟实验设计模型

培养中学生实验技能的虚拟实验教学过程是基于一般的实验教学活动过程、对实验内容进行教学设计并通过虚拟现实技术来实现。因此，可利用教学设计的一些理论和方法指导虚拟实验的设计。

图3是乌美娜于1994年归纳出的教学设计过程的一般模型。[7]

图3 教学设计的一般模型

分析教学设计模型，包含的基本要素有四个：学习者分析、教学目标、教学策略(如何进行教学)、教学评价。因此，在设计培养中学生实验技能的虚拟实验时可从前期分析(学习者分析、教学目标、教学内容分析等)，场景设计，总结与评价三个方面入手。而虚拟实验的实现还要有虚拟现实技术的支持。这是在设计以培养中学生实验技能为目的的虚拟实验时应该考虑的四个方面。

培养中学生实验技能的虚拟实验教学过程是基于一般的实验教学活动过程、对实验内容进行教学设计并通过虚拟现实技术实现的，因此，借鉴教学设计模型并根据技能形成的教学理论，笔者提出了培养中学生实验技能的虚拟实验设计模型(如图4所示)。

图4 培养中学生实验技能的虚拟实验设计模型

1.前期分析

以实验技能的培养为导向的虚拟实验是基于一般的实验教学活动过程，设计时也应遵循虚拟实验设计的科学性原则，首先，需要了解要设计的化学实验的实验目标、实验内容、实验步骤等。根据实验目标才能确定该虚拟实验所要传授的是什么样的化学知识、意在培养学生的哪种实验技能(如使用某种仪器的技能、药品取用的技能等等)。根据教学设计理论应先了解学生已有的化学知识结构以及学生已掌握的实验中包含的技能，尽可能避免在开发过程中浪费物力、人力。

2.场景设计

根据化学实验技能的培养策略将场景分为自动演示、实验说明、分步操作三个部分。自动演示用于向学生演示整个化学实验的过程以及发生的实验现象;实验说明用于向学生说明该实验的步骤和化学反应方程式;这两个部分起到教师示范的作用，对应于学生学习化学实验操作技能的认知期心理特征。分步操作部分根据化学实验的具体步骤以及该实验的实验目标再确定虚拟实验中要实现的虚拟实验操作，并赋予合适的实验效果。

3.技术实现

技术实现即用虚拟现实技术开发虚拟实验，由于虚拟现实硬件设备过于昂贵，在化学实验教学中应用的虚拟现实形式大多是桌面虚拟现实。整个开发过程主要包括实物建模、添加交互、作品发布三个步骤。实物建模主要是对虚拟实验中所涉及到的实验物品、实验环境模拟，根据实验成本以及实验目标所占比重可选择适合的虚拟技术或建模软件，也就是虚拟实验设计的适宜化原则。添加交互是在虚拟场景中给物品与物品之间及用户操作达到某种效果添加交互以给学生一定的反馈，并保证反馈的科学性。作品发布包括单机发布以及发布到互联网上两种，发布到互联网上更能突破时间、空间的束缚，使更多的人能使用该虚拟实验。

4.修改与评价

根据前三个阶段所做的工作或请教化学教师检验开发出的虚拟实验是否设计合理、科学，并做出适当修改，根据学生的基本能力(化学概念的掌握、所授化学知识是否理解)掌握程度，在学生进行实际实验操作后检验其在虚拟实验中所学是否迁移到现实实验中，以评价该虚拟实验在培养中学生实验技能方面是否有效。

从图4中我们也可看出，这四个组成部分是缺一不可的，前期分析是进行培养实验技能的虚拟实验设计的基础，只有做了前期分析才能进行下面的工作，而場景设计又是技术实现的基础，正是基于这三个步骤才能对开发出的虚拟实验进行修改与评价，以保证其科学性和有效性。

五、总结

虚拟实验不仅能避免真实化学实验所带来的各种危险，还能打破时空限制实时实地地给学生提供实验条件，同时，还能调动学生学习的积极主动性，有效提高学生动手能力。本文结合操作技能培养教学理论，参考传统化学实验教学模式，提出虚拟实验教学模式，并提出以培养实验技能为导向的虚拟化学实验设计开发模型，在未来研究中有待进一步实践，并对实验效果与传统实验教学进行比较，以验证该设计理论的科学性并加以推广。

[参考文献]

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[7] 乌美娜.教学设计[M].北京:高等教育出版社,1994:11-12.

[见习编辑：郑方林]

作者：张如静　杨化刚

虚拟化学实验设计论文 篇2：

基于学科领域知识的虚拟现实实验系统的设计与实现

[摘 要] 研究表明，学科领域知识在学习过程中发挥着积极的作用。在虚拟现实实验设计的理论探索和开发实践中，文章依据学科领域知识的三维结构，即学理内容、认知过程和问题条件三类知识，根据SCORM内容聚合模型的设计思想，引入一种基于学科知识库的三维虚拟实验知识单元模型，探讨基于该模型的实验知识单元的表征及其可视化呈现。在此基础上，以中学化学实验“实验室制取气体”为案例，介绍了基于学科领域知识的虚拟现实实验系统的构建策略。

[关键词] 虚拟现实; 虚拟实验; 学科领域知识

[作者简介] 孙江山(1978—)，男，山东东营人。讲师，硕士，主要从事新技术教育应用研究。E-mail：jssun@deit.ecnu.edu.cn。

一、引 言

当前，有关教与学的理论与技术的不少有价值的研究成果未能有效地向教学迁移，未能产生教育教学改革的预期效益，方兴未艾的虚拟实验系统的开发与应用也面临同样的困境。在现实的实验教学过程中，由于教师考虑实验安全隐患、需要花费时间和精力甚至教师信心不足等问题的存在，实验教学的效果一直未曾充分显现(Walton，2002)，虚拟实验系统应用在课程学习中的重要性也没有得到足够的重视(Saka，2002)，教学效果不尽如人意，达不到教学目标规定的要求。[1]英国“学习与绩效技术中心”统计，由教学专家们评选出的前100名最优秀的E-learning 工具排名中，截至2011年6月，虚拟实验系统难觅其踪。

随着具有视觉输入反馈功效的触控设备等虚拟现实建模技术和传感技术的日趋成熟，虚拟实验系统的诸多问题得到了进一步的改进和革新，如增强现实技术的教学实验应用等。[2]虚拟实验系统也越来越突现出了虚拟现实的特性，[3]如图1所示为虚拟微观化学分子结构及实验现象科学假设仿真。国内外的相关研究在涉及科学、技术和教育领域中的概念改变、抽象思维的发展和促进认知发展都给出了很高的认可，如基于三维世界的空间学习。[4][5][6]它在熟悉真实实验环境、消减实验焦虑、提高实验操作信心方面效果显著，[7]并且在当下实验教育资源匮乏和分配不平衡的情况下，虚拟实验教学突现利用率高、易维护和低成本等诸多优点，更体现了虚拟实验在实验教学实践中的应用价值。

以往研究主要侧重描述如何应用虚拟现实软件开发具体的实验项目、介绍新兴和常用实现技术，以及从计算机图形学的角度优化三维建模算法。笔者将从学科领域知识的角度研究如何设计有效的虚拟现实实验系统，以达到预期的教育目标。在整个虚拟现实实验系统设计过程中，不仅要考虑虚拟现实系统的软件功能模块、兼容性、可扩展性和使用成本等技术特征，更要从学科内容的特点(知识属性)和知识学习的心理规律(认知特性)两个方面审视虚拟实验设计的理论探索和开发实践。

二、基于学科领域知识的虚

拟现实实验系统的设计

学科学习可以看作是一个引导学生从新手认知向专家认知发展的过程。本文旨在通过对结构良好和功能完善的学科领域知识进行重新表征，构建基于学科领域知识的虚拟现实实验系统，以提高学科教学的有效性和学生学习的效率。学科领域知识是指学生所拥有的关于某个特定学科范围内的所有知识，是关于某一学科中的那些具有一定相关性、逻辑性、操作性的知识，按其知识属性、认知特性而加以组织形成的知识组块和认知操作图式。[9]从其结构上看，学科领域知识的三维结构包括了学理内容、认知过程和问题条件三类知识。其三维结构不仅涵盖了陈述性知识和程序技能，也包括了在认知操作中具有核心作用的元认知策略成分。它将原来教学实验中只考虑知识本身、内在关系的知识系统转变为将知识和认知相结合的领域知识。每一个学习者所获得的所有知识都可包含在这三类知识中，并且学科领域知识的三个组成部分是截然不同的。例如，学习者掌握化学制取二氧化碳气体的实验知识，就不仅要求具有制取二氧化碳气体需要准备什么和注意什么事项的学理知识，还要掌握实验仪器组装、药品添加及实验观察分析等认知过程知识，同时还要知道在什么条件下执行什么实验程序的限制性条件(即条件性知识)。这样，才能置换出二氧化碳，只有掌握了这三类知识，学习者才真正掌握了制取二氧化碳的完整知识。

(一) 学理知识的表征

虚拟现实实验系统按照学科领域知识的具体与抽象的逻辑关系，透过具体的实验现象的展示，揭示出具体的科学原理，帮助学习者突破思维上的难点和疑点。如“化学实验制取气体”，虚拟试验装置可逼真地模拟实验的仪器组装过程，演示实验的现象，如加热、生成气泡。突破了真实实验的某些局限，如实验时间跨度太长或太短不利于现象观察，实验过程变化的细节不便直观感受，科学假设受限于实验条件和设备的高要求无法验证。这样的虚拟现实建模虽然一般能帮助学习者清晰地了解具体的实验场景与现象，但是学习者观察过后未必能把握具体现象与抽象科学规律间的关系，也就难以达到运用规律解决新问题的有意义学习目标。如制取气体的虚拟实验现象要揭示的科学规律是化学制取气体的原理，为什么特定化学药品被混合时会产生气体?气体生成的化学反应过程的规律是什么?现实生活中的应用又如何?这些都是构建基于学科领域知识的三维虚拟实验知识单元模型要考虑的关键因素。

一个实验任务的成功完成是在考虑学生已有知识水平与学生在学习活动中的认知特点的基础上，同时考虑一系列相互关联的实验知识单元，组建实验知识单元学习序列。而虚拟现实三维建模能够全息表征实验知识单元内容，它借助几何建模、运动建模、物理建模等，构建可视化虚拟学习对象外观、运动和物理特性的数据模型。作为虚拟实验活动过程中传递学科知识信息的基本单元，具体包括概念、原理、关系、规则等反映事物的知识内容。

实验知识单元是学科实验知识学习的基本内容。本文根据SCORM内容聚合模型的设计思想，结合学科领域知识相关理论，引入一种基于学科知识库的三维虚拟实验知识单元模型。[10]在该实验知识单元模型中，描述学科知识库的核心元素Organization不是单纯地用于聚合实验内容或实验活动，还要用于描述学科知识体系、实验知识单元及其逻辑结构关系;元素Item用于描述实验知识单元，允许嵌套子元素Item;子元素Metadata用于描述有关实验知识单元的元数据，包括实验知识单元之间的组织结构关系。该模型中包含的数据，不单是特定实验项目中可视化场景所需的具体实验数据，而是要包括可视化3D模型及相关描述信息。在虚拟现实实验系统中，基于该知识单元模型的结构化数据可以实现直接扩展和迁移，实现在学科知识体系中的查询和获取，从而得到重复使用。如图2所示为基于该知识单元模型的中学化学虚拟实验实例的内容组织结构图。

1. 实验项目描述

包含三项内容：实验项目名称、项目设计者、项目概述。这些简短说明文字用于标识和命名虚拟模型数据库中的实验项目。

2. 属性栏

设置特定实验项目所需观察实验数据的属性呈现，如试剂、温度计、PH计等属性栏，化学反应过程动态属性值变化显示等。

3. 化学药剂

药剂的化学分子式、化学结构式表征和化学属性设置。状态选择分为气体、固体、稀溶液、液体等。化学属性如摩尔质量、量浓度和质量分数，以及药剂的颜色和温度设置等。

4. 化学反应方程式

指定特定实验项目的化学反应方程式，并标识出反应物和生成物。

5. 实验项目配置

定制实验项目的方案，包括配置实验所需的仪器装置(烧瓶、烧杯及铁架台等)，指定所需的实验化学药剂和用量等详细的数据。

(二)认知过程知识与虚拟现实人机交互

认知过程知识是指在学习过程中，关于认知活动过程性和操作性的知识。它是学科领域内的一套关于知识获取、认知操作和问题解决的规则或程序，调节和控制着学生在实验教学中对已有知识的使用和新知识的构建。好的虚拟现实交互设计应该遵循认知活动规律，根据学科实验教育的目标和学习者的认知水平，分析学习者的需求，然后根据具体学科实验任务及步骤，结合实验操作的特点，在知识获取的相关交互活动中，提升实验学习效果。

认知过程的关键是知识重构，即知识的重组和加工。人类信息加工容量有限性的观点认为人类只能同时对有限数量的信息加以接受并保持其活跃，即认知加工容量是有限的，可同时利用的心理资源是有限的。[11]据此，三维空间交互界面设计应围绕该有限性的两个主要方面展开：

1. 学习者注意的选择性

人类通过视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉、前庭系统和本体觉七大感觉系统来获取信息。自然的感官体验减少了不必要的信息加工过程，有助于避免可能加重认知负荷的情况发生。三维虚拟实验场景通过多视角的观察，及一系列的仿自然感官体验的用户操作和反馈，达到掌握实验装置构造、原理、步骤、方法等认知目标。

虚拟实验系统设计要发挥计算机交互方面的优势，使学习者有更多精力去完成无可取代的复杂认知活动。人机交互界面的基本功能包含漫游和自由度(DOFs)操控。它们的实现通过使用专用感知设备，像ImmersaDesk和PHANTOM，也有PC支持的周边设备，常见的有三维鼠标、摄像头、数据手套、头戴式显示器和体三维显示器等。它们可以实现3D对象选择和3D对象方位变换，让学习者及时地、没有限制地观察三维空间内的全息事物，以利于培养学习者的空间想象能力以及理解抽象的知识和技能的实践运用。另外，通过镜头控制实现多角度观察，用户可以调整视角的方位，实现全局或局部场景的漫游，延伸用户感知信息的能力。

3D应用程序(如3D游戏)利用富有特色的物理建模和行为建模，在虚拟实验的特定任务情境中，如装置组装的碰撞测试、虚拟环境的自适应行为等，实现了更具真实感的人机交互，即对虚拟物体产生的感觉和真实世界一样，像在真实世界中一样对待虚拟世界中的物体。

减少实验问题解决和学理知识学习中的认知负荷，让学习者不必同时注意太多冗余信息，也是学习注意选择性的考虑因素。比如，可视化3D模型与其文本标签等实验数据同时提供，把它们布局整合在一起，场景模型应该把那些不重要的信息，或可有可无的信息从全息景像中清除掉，以免影响学习速度。

2. 工作记忆信息容量的有限性

实验过程要求严格遵循实验工作流程，实验内容单元呈现序列可按照实验步骤提供清晰的信息路径图。该一维实验序列是在时间轴上的学习路径，考虑各知识单元的层级关系和相关度，并以学习者的已有知识水平和行为作为起点，根据实验项目内容的逻辑结构，或者通过解释结构模型法，借助计算机程序生成各个实验知识单元间的教学序列。

实验内容属于操作性较强的学习内容，每一个学习者在实验学习过程中的问题或多或少都存在着差异。在这样的情景下，个别辅导对学习者的管理、引导和启发会发挥不可替代的作用。智能向导作为学习伙伴的化身，通过会话的方式与学生交流，提示操作步骤，检验操作的正确性，在很大程度上会促进学习者的知识获取和意义建构。比如化学实验需要加热药品时，也有严格规范要求，不但对药品的用量、火焰的部位、倾斜的角度有着明确的要求，更不容忽视安全操作，像液体物质加热时一定要做到“先均匀、后集中、管口万勿对着人”。在出现操作失误时，会禁止下一步骤的执行，并给出错误提示信息。[12]再者，在实验教学序列中引入探究问题，以引导学习者思维的方向。如用锌粒和盐酸制取的气体中含有杂质吗?若有，会是什么?如何除去这些杂质?通过引入净化装置知识单元，使得学习者深入理解净化实验环节相关知识和操作方法。

(三)问题条件知识的虚拟演示

问题条件知识是指在特定的学科问题情境中，进行问题解决时使用已有知识的限制条件。对于专家与新手在解决问题上的差异的研究表明，新手会汇集大量的加工信息用于缩小当前认知状态和目标认知状态之间的差异，但问题解决的重要部分(如实验内容中的问题结构、方程及定理等)的表征就会被延缓，不利于知识的获得与专长的发展。基于样例教学模式的实验演示是一种不错的模式，与从做中学相比，探究所需的时间少，有较好的迁移效果，让学习者更多地注意实验问题的特征，以及在什么情境下使用哪些原理、规则等。这种模式强调的是专家知识的构建，通过利用与展现专家专长与认知优势让学生在实验教学中受益，实现从新手向专家的认知转变。

三、中学化学虚拟现实实验

“二氧化碳制取”实例

本文以义务教育化学新课程标准规定的中学化学实验制取气体中的“二氧化碳制取”专题为例，分析虚拟实验教学内容的三类知识在其中的相互联结，以及基于学科领域知识的虚拟现实实验系统的构建策略。实验要求知道制取二氧化碳的化学原理，解释确定气体发生装置和收集装置时应考虑的因素，然后通过药品的选择、装置的设计等体验科学探究的方法，使学生初步学会组装实验室中制取二氧化碳的装置，培养实验设计、观察和评价能力。

(一)实验笔记

基于学科领域知识的虚拟现实实验系统的一个基本的问题就是如何可视化表征学理知识。因为在学科学习中，学生依赖领域知识的引导与学习环境中的各种信息发生交互作用。如果缺乏学科领域知识或者对特定领域的概念结构理解不足，学习者将无法在学习过程中获得足够的引导，很难对学习环境中的各种信息进行分辨和有效组织。在虚拟实验“二氧化碳制取”中以三维虚拟实验知识单元模型表征的学理知识可以形象地称之为实验笔记，包括实验项目相关学理知识的表征以及实验报告的展示。如图3所示，实验笔记不仅便于检索查阅，还能够直观地描述在模拟实验过程中可视化模型和场景所需的实验数据的呈现。

(二)三维实验场景的人机交互

三维空间交互设计的最大挑战是能否支持快速有效的用户操作和反馈控制，保证动作任务的顺利完成。虚拟现实关键特点就是为用户提供自然的交互，在虚拟现实实验中就是给学习者完成虚拟实验任务提供便利的交互空间和操作方式。

在交互式的三维空间场景中，会提供一系列的用户操作和反馈工具。平移、旋转、缩放等漫游和自由度(DOFs)操作等工具，一般都加有限制性控制，目的是防止出现漫游过程中穿越实体对象如实验台，或者游离出实验场景以外。[13]前置的二维悬浮操作提示，如工具图标上的文本标签,使得三维虚拟实验系统的新用户可以及时找到所需的操作控制方式，有效地完成交互操作。

实验过程导航设计贯穿于整个虚拟实验组织架构，呈现各个实验知识单元的学习序列。问题导入式的导航设计按照实验步骤顺序步步深入，“可以通过哪些方法来获取二氧化碳”引入实验项目文本描述;“实验室制取二氧化碳的理想药品是什么”提醒进入到实验药剂部分;“能设计或组装一套制取二氧化碳的装置吗”链接到了实验项目配置方案;“应该怎样把二氧化碳收集起来，如何检验所收集的气体是二氧化碳，如何检验二氧化碳是否充满集气瓶”又将注意力转移到观察实验演示样例中。

提供已组装成的实验仪器的线框图，标注组装步骤及各个实验仪器的方位信息。另外，第二辅助视角可以帮助学习者准确把握各个实验仪器的方位，在装置组装过程中，使学习者不至于迷失方位。

(三)实验演示样例设计

虚拟实验“二氧化碳制取”采用了基于样例教学模式的实验演示，包括三部分：问题、解决问题的方法、评论。特定实验场景设置的实验演示可将解决来自不同感觉通道的实验问题所需信息聚集在一起，同时对其表征加工，使得学习者加快认知过程知识的重建。具体实验任务和实验步骤通过可视化三维交互场景、动画和文本符号等形式呈现。比如，虚拟实验中导入样例问题 “你觉得下一步骤应该是怎么做”，或者 “这样解决实验问题的根据是什么”，同时解决相应问题方案的三维实验场景凸现显示。评论则是以智能向导通过讲解的方式与学习者交流，提示操作的关键步骤。如此一来，实验演示样例与技能训练搭配，加强了学习者的学习迁移。

四、总 结

结构良好的、丰富的学科领域知识是创建有效虚拟实验系统的基础，这既要求系统科学地反映学科知识体系，还要为学习过程的开展和认知策略的应用提供充足的学习资源。基于三维虚拟实验知识单元模型，根据学科领域知识的属性和学习者在认知学习中的心理特征，对实验内容单元进行表征。这充分考虑了不同知识在特定问题情境中的作用，还体现了知识结构的动态性特点。

Mayer认为有意义的学习取决于认知活动而不是物理行为，如实验操作。而有意义学习强调学习过程的实质是新旧知识结构的重组，是对所学知识的同化与吸收。基于学科领域知识的虚拟现实实验系统实现了有意义的感知，进而理解、领悟实验内容。

针对本文的研究，须强调两点，一是样例学习方式让学习者通过研习样例而习得专家的问题解决方法，但要充分发挥其对学习的促进作用，除了要有设计良好的样例这一首要外部条件外，还需要学生的内部条件，即学生对样例的自我解释，[14]但这需要进一步完善实验系统的共享和交流功能;二是虚拟现实实验相比于真实实验，缺乏某些感官的充分体验，比如嗅觉和触觉，接下来的研究工作将会针对如何增强现实感知来丰富交互体验，强化学习者的参与程度。

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作者：孙江山

虚拟化学实验设计论文 篇3：

初中化学虚拟实验的设计及应用

摘 要：如今的社会在高速发展阶段，而初中化学虚拟实验作为传统演示实验的一种补充，在如今的化学知识教学中扮演着越来越重要的作用。虚拟化实验有着比较良好的共享性和可重复利用性，安全性也比较好，弥补了初中传统化学实验的一些弊端，可以在很大程度上促进初中化学的教学，保证课堂的效率。

关键词：初中;化学;虚拟实验;设计

在新课程标准下的化学教学需要开展一定的改革过程，初中化学教师要积极顺应社会的要求，在具体的化学教学中组织多种以化学实验内容为主的探究活动，充分激发学生参与课堂活动的兴趣，提高学生的主体性，同时也让学生通过自主探究，培养和提高自身的科学探究能力。以前的实验教学中，因为实验器材、实验场地的多种限制条件，学生很难通过课堂亲自参与实验，充分活跃思维，发挥自己的创造能力和探究能力。虚拟实验是借助多媒体中的信息技术，在计算机上营造一个虚拟的实验环境，让参与者仿佛置身于真正的实验场所中开展实验，完成相关的实验探究。将虚拟实验结合真实实验运用于初中化学的课堂中，可以保证实验的安全性，并且其有一定的共享性，还可以充分培养学生的创造性思维和探究能力，保证课堂的教学效率。

一、降低实验风险，把握初中化学虚拟实验设计目标

在开展化学实验时，实验的风险是一个重大的问题，是教师在开展相关教学中必须重视的问题。在初中化学实验的开展过程中，教师要将学生的安全问题当作一个重要的问题，在实验开始之前反复为学生普及相关地实验注意事项。但是学生在开展实验的过程中，总会出现多种多样的操作问题，比如滴入一定的实验试剂过量了，导致反应发生过程中产生更加剧烈的反应，对学生的安全等造成一定的威胁。另外，化学实验本身因为其生成物或者反应物中也会涉及一些有毒化学物品。比如在学习《应用广泛的酸碱盐》一课时，其中就涉及了大量的强酸和强碱，这无论是在发生制作或者反应上都有一定的危险，所以采用虚拟实验的方式来代替实际操作，取代某些比较危险的化学实验。教师可以按照教材内容将实验的步骤和注意事项设计进入虚拟实验之前的视频、动画播放中，吸引学生的兴趣，然后通过后续的信息技术来开展相关的虚拟实验。

通过虚拟实验可以拓宽学生的眼界，丰富学生的知识，提高学生对实验的理解程度和认知。通过多种多样的虚拟实验过程，促进学生近距离对实验现象进行清晰的观察，让学生可以对相关的实验过程进行具体分析，产生非常真实的实验操作体会，让学生在真实的实验过程中有着更加标准的操作。通过虚拟实验，可以为学生提供更好地学习实验素材，加深学生对实验的认知程度，促进学生对化学知识的学习和掌握。

二、结合虚拟特点，开展初中化学虚拟实验设计实践

在对化学实验开展虚拟教学时必须要求教师对整个初中化学整体教材内容进行一定高度的理解和归纳。另外，教师还要根据如今教育新形势的特点。如今的初中化学，不应该仅仅止步于课堂，还需要学生通过一定的实践掌握化学技能和操作技能。化学实验作为初中化学的重要部分，在新课程标准改革下的教学中需要注入新的活力。采用科学的虚拟实验教学可以充分提高实验教学的效率，让实验的方式多种多样。

初中化学的虚拟实验一般有探究式实验和体验式、演示式。体验式主要针对学生，学生在学习完成教师讲解的内容后，自主开展实验，这种实验一般有着比较好的交互性，可以促进学生更好地体验实验过程，加深学生对实验的认识。而探究式的虚拟实验是教师创设一定的教学情景，让学生在情景中可以自主开展实验，选择实验方法和过程。比如在“氢气还原氧化铜”的实验中，教师可以在虚拟实验平台中设计导入新课内容：经过了氢气的学习，我们知道氢气有一定可燃性，那它还有其他的性质吗?就像我们个体一样，肯定不可能有唯一的优点和缺点啊，这节课我们将学习氢气的其他化学性质。通过这样的虚拟实验引入，可以充分让学生化被动为主动，培养学生的思维能力和创造能力。

三、引出问题探究，落实初中化学虚拟实验设计运用

随着教学观念的改变，教师也要积极反思如何开展新的教学模式，促进学生个性发展和全面素养的提高。充分采用虚拟实验的方式，注重对虚拟中的某个环节或者某几个环节的实践都可以深化学生对探究对象的了解和探究方法的学习，教师可以通过提出问题来对学生的具体实验操作起一个导向的作用，帮助学生更加高效地开展实验过程。在具体环节的设计过程中，教师还需要充分考虑学生的能力。

又以上文的“氢气还原氧化铜”教学为例，教师可以在学生开始操作前为学生播放动画演示实验，让学生在进入相应的教学情景的过程中，教师提出问题：在开始实验前，需要做哪些准备工作?实验中又做了什么?实验得出什么结论?通过这样的问题，学生一一回忆视频动画，对整个实验过程的步骤开始的梳理和总结：先完成实验仪器的组装、对实验药品进行取装，实验要点是排尽管内空气，实验完成后先熄火。实验现象：有金属铜生成。然后再完成具体的亲手虚拟操作，提高了虚拟实验的效果。

总的来说，将虚拟实验和真实实验结合的方式在初中化学课堂中开展，可以克服诸多传统实验的教学缺点，对于促进整个初中化学的教学有着很重大的意义。在使用的过程中，需要注意的是无论虚拟实验有多么逼真，其也不能完全代替真实实验。教师需要明白，最终的教学目标是要学生掌握现实情况中的实验能力和严谨态度，培养学生的真实实验能力才是教學的主要目标，开展虚拟实验教学只是一种教学辅助手段，可以丰富教学，促进课堂效率的提高。

参考文献

[1]毛芳芳，刘梦琴，唐清，骆雅丽.虚拟实验在化学教学中的应用[J].山东化工，2017，46(18)：42.

[2]李芳.初中化学虚拟实验的设计及应用[J].软件(教育现代化)，2016，(9)：106.

作者：刘志强