實(shí)驗(yàn)教學(xué)始終是教育教學(xué)中的重要部分，隨著教育理念的革新、計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展等，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、3D影像技術(shù)等解決教育中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足等問題，通過虛擬實(shí)驗(yàn)中的正確指導(dǎo)，運(yùn)用虛擬的實(shí)驗(yàn)素材進(jìn)行不斷的探索創(chuàng)新，盡可能的避免危險實(shí)驗(yàn)可能會帶來的傷害，培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力與探索創(chuàng)新能力，從而提高知識學(xué)習(xí)與知識掌握程度。
在傳統(tǒng)課堂中重視理論教學(xué)，忽視高成本、高難度的實(shí)踐教學(xué)，理論與實(shí)踐的脫離，學(xué)生通過教師的講解與指導(dǎo)，為避免資源浪費(fèi)分為小組操作實(shí)驗(yàn)，不是每個人都可以操作的到。實(shí)驗(yàn)中還必須要按照教師的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)機(jī)械式的操作，學(xué)生缺乏獨(dú)立思考與設(shè)計實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ覍?shí)驗(yàn)課時在教學(xué)中的課時安排較少，學(xué)習(xí)有一定的局限性。
云幻科教虛擬學(xué)科實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)操作對象，生動形象的直觀展示實(shí)驗(yàn)，逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境讓學(xué)生猶如身臨其境。學(xué)生可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀摩、模擬實(shí)驗(yàn)、拓展訓(xùn)練等操作，在實(shí)驗(yàn)中對實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等觀察的很清楚，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升實(shí)驗(yàn)知識學(xué)習(xí)。云幻科教虛擬學(xué)科實(shí)驗(yàn)室包括虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、虛擬物理實(shí)驗(yàn)室、虛擬生物實(shí)驗(yàn)室。
一、虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的必要性
(一)強(qiáng)化學(xué)生在學(xué)科實(shí)驗(yàn)的基本知識
學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過這些知識保證實(shí)驗(yàn)的順利完成，提高實(shí)驗(yàn)的成功率，避免資源浪費(fèi)。然而在實(shí)驗(yàn)中定會有些學(xué)生在基礎(chǔ)知識預(yù)習(xí)不足的情況中實(shí)驗(yàn)難進(jìn)行或失敗。虛擬學(xué)科實(shí)驗(yàn)室打破時間與空間限制，學(xué)生可以在教學(xué)前反復(fù)的操作與練習(xí)，熟練掌握基本操作，鞏固實(shí)驗(yàn)知識，同時避免相關(guān)實(shí)驗(yàn)素材的浪費(fèi)，全面提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>
如在化學(xué)中，高錳酸鉀加熱制氧氣，教師需要為避免資源浪費(fèi)與器材損耗，反復(fù)強(qiáng)調(diào)試管口需略向下傾斜、實(shí)驗(yàn)結(jié)束先撤導(dǎo)管再滅酒精燈，學(xué)生對這樣導(dǎo)致的后果不能理解，老師又不能損壞一個實(shí)驗(yàn)器材作為代價警示他們。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源就解決了這些問題，為學(xué)生提供多次體驗(yàn)選擇，解決學(xué)生疑問，鞏固知識學(xué)習(xí)。
(二)保證學(xué)生準(zhǔn)確觀察到實(shí)驗(yàn)效果
實(shí)驗(yàn)中有些微觀實(shí)驗(yàn)不容易觀察，虛擬實(shí)驗(yàn)將微觀現(xiàn)象可視化，讓學(xué)生能夠清楚的看到實(shí)驗(yàn)中的各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。虛擬仿真技術(shù)高度還原實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，即使是細(xì)微的變化也讓學(xué)生能夠一目了然，可多次的實(shí)驗(yàn)操作讓每一位學(xué)生都能觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，掌握實(shí)驗(yàn)知識。
如生物實(shí)驗(yàn)中的觀察葉綠體和細(xì)胞質(zhì)的流動實(shí)驗(yàn)，需要在顯微鏡下觀察，有選取的植物要求、光照要求等很多實(shí)驗(yàn)條件，又要慢慢的觀察流動速度、最適溫度等。虛擬實(shí)驗(yàn)在直觀的展現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)的流動的同時，標(biāo)識不同溫度與計算速度的，讓實(shí)驗(yàn)變得可控易觀察。
(三)有助于學(xué)生完成難度較高或難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)
有很多的實(shí)驗(yàn)是學(xué)校為學(xué)生提供器材與創(chuàng)造的，課程難度大學(xué)生就更不容易理解了。虛擬實(shí)驗(yàn)通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可塑性，制作各種各樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模具與構(gòu)造教學(xué)環(huán)境，模擬現(xiàn)象物理過程與結(jié)果，使靜態(tài)事物動態(tài)化、抽象知識形象化、難以操作的實(shí)驗(yàn)動畫模擬化，幫助學(xué)生由形象思維轉(zhuǎn)向抽象思維。
如物理實(shí)驗(yàn)中，聲音不能在真空中傳播這個課題，很難去再現(xiàn)一個真空的環(huán)境給學(xué)生了解，即使使用抽氣盤和抽氣機(jī)進(jìn)行演示，也很難做出來絕對真空環(huán)境，虛擬實(shí)驗(yàn)器材除了營造相應(yīng)環(huán)境，還將聲音的傳播可視化標(biāo)識，學(xué)生可以很方便地進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的練習(xí)，還可以自主地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。
(四)增加學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)操作機(jī)會，提升參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計能力
傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，由于教學(xué)條件的限制，有很多的實(shí)驗(yàn)是小組操作或者無法實(shí)現(xiàn)的，人人動手操作的可能性較小，不能較好的對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析與觀察對學(xué)習(xí)知識有所阻礙的。虛擬實(shí)驗(yàn)無需消耗任何實(shí)驗(yàn)素材，使用簡單的儀器設(shè)備完成整個實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行個性化實(shí)驗(yàn)設(shè)計，研究性的進(jìn)行知識的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計能力與探索創(chuàng)新能力。
二、虛擬學(xué)科實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)
(一)交互式操作，培養(yǎng)實(shí)踐動手能力
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)生構(gòu)建身臨其境的虛擬教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)生自身以各種形式參與實(shí)驗(yàn)發(fā)生與變化的過程中去，在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中扮演主導(dǎo)者角色，學(xué)習(xí)者的實(shí)驗(yàn)設(shè)計、實(shí)驗(yàn)操作都將導(dǎo)向著實(shí)驗(yàn)的發(fā)展方向。學(xué)生通過動手操作完成實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，鼓勵學(xué)生“手腦并用”，提高學(xué)生實(shí)際操作能力。在虛擬實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)者的認(rèn)知、動作、反應(yīng)及交互技能都能夠得到良好的訓(xùn)練。
(二)節(jié)省資源損耗，規(guī)避實(shí)驗(yàn)風(fēng)險
隨著學(xué)校學(xué)校的學(xué)生越來越多，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用壓力不斷增加，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)與實(shí)驗(yàn)難易程度等問題，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動難以開展。有了虛擬學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，極大程度上解決了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)問題。虛擬的實(shí)驗(yàn)器材與實(shí)驗(yàn)材料可節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本，即使多次操作也無需擔(dān)心實(shí)驗(yàn)資源浪費(fèi)和消耗問題。同時也不必再擔(dān)心一些有毒、放射性、易燃易爆、細(xì)菌等危險實(shí)驗(yàn)，保證了實(shí)驗(yàn)室的安全與學(xué)生的健康安全，消除實(shí)驗(yàn)中會出現(xiàn)的安全隱患，讓每個學(xué)生都能夠操作實(shí)驗(yàn)。
(三)與教材相匹配，實(shí)驗(yàn)素材豐富全面
云幻科教初中化學(xué)虛擬學(xué)科資源庫是根據(jù)國家課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)要求，依據(jù)人教版(蘇教版、滬教版等)九年級化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置，綜合應(yīng)用3D影像、虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，供學(xué)生進(jìn)行模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)。資源庫包含一氧化碳還原氧化鐵、濃硫酸的腐蝕性與稀釋、粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)、甲烷燃燒等化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
云幻科教虛擬實(shí)驗(yàn)資源庫，將現(xiàn)代3D影像技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和課程標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)需求無縫銜接，包含初中、高中階段，覆蓋化學(xué)、物理、生物等學(xué)科，是學(xué)校實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)、深度應(yīng)用教學(xué)設(shè)備的最佳實(shí)驗(yàn)資源。運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)資源庫建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，將難以進(jìn)行的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)或具有危險性的實(shí)驗(yàn)，在高度仿真的虛擬環(huán)境進(jìn)行教學(xué)、操作、應(yīng)用，能有效提供教育設(shè)備利用率，節(jié)省實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)，規(guī)避實(shí)驗(yàn)風(fēng)險，提高學(xué)生自主操作的主動性。
(四)打破時間與空間限制，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境逼真
虛擬實(shí)驗(yàn)室節(jié)約大量實(shí)際實(shí)驗(yàn)所需要的時間，比如器材的準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)進(jìn)行時間等，提供便捷安全的平臺，耗時長、難演示的實(shí)驗(yàn)也能在課堂上展示，并且能無限次練習(xí)操作。云幻科教虛擬實(shí)驗(yàn)通過3D影像、虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，再現(xiàn)生活中無法觀察到的、無法用簡單方法再現(xiàn)的事件，對微觀世界及客觀世界的模擬，真實(shí)感強(qiáng)，調(diào)動學(xué)生多感官參與，給學(xué)生身臨其境的感受，為學(xué)生提供更多的時間與空間去探索去研究，更快的掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及內(nèi)容、知識點(diǎn)等，從而達(dá)到體驗(yàn)式教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
中學(xué)是學(xué)生創(chuàng)新能力與探索能力培養(yǎng)的最佳時期，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于培養(yǎng)高素質(zhì)綜合性人才有著重要作用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)科教育的基礎(chǔ)，是科學(xué)知識學(xué)習(xí)的源頭，虛擬學(xué)科實(shí)驗(yàn)室可以提高實(shí)驗(yàn)效率，降低實(shí)驗(yàn)成本，必將更廣泛地應(yīng)用到教學(xué)中。
