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摘要：文章首先闡述了初中化學教學過程中存在的問題，然后提出了基于模糊數學評價的虛擬現實技術在初中化學課堂中的應用，包括虛擬現實技術在構建初中化學課程數據庫中的應用和虛擬現實技術在化學微觀世界理論教學中的應用，最后總結了基于模糊數學評價的虛擬現實技術在初中化學課堂中的應用效果。

關鍵詞：模糊數學評價；虛擬現實技術；初中化學課堂

化學作為一門與日常生活緊密聯系的課程，從初中三年級開始被納入基本教育課程。初中生對于化學學科充滿好奇，同時也充滿疑惑和焦慮[1]。隨著教育改革的推行，化學課程教學要求由傳統的應試教育轉向現在的素質教育，在教育思路轉變的同時，傳統的課堂教學方法和手段也已經無法滿足現代教學的實際需要，因此為了改變教學模式，必須引進一套全新的化學教學模式和方法[2]。

一、初中化學教學過程中存在的問題

（一）理論課程教學過程中存在的問題。對于微觀世界的理解一直是化學課程學習的焦點和難點。在現階段的初中化學教學過程中，大多數教學依舊采用傳統的教學模式，教師在授課過程中按照課本教材進行講解。初中生的想象力尚未成熟，理解分子、原子和物質的量等抽象概念的能力有限，設想微觀和宏觀世界十分困難[3]。如大部分學生都很難想象像原子這樣的粒子是如何組成物質的，因而他們無法在學習化學的開始階段正確地理解什么是微觀結構，這種課堂學習模式忽視了學生的主體地位，加上現階段考試的需要又偏離了化學課程教育的核心教育，不能幫助學生學習及培養學生解決問題與對事物認知和探索的能力，導致學生對化學課程學習的積極性不高，從而無法達到預期的教學目標和課程學習效果[4]。（二）實驗課程教學過程中存在的問題。化學教師在教學過程中不僅要注重學生對理論知識的學習，還要注重學生對實驗課程的學習。許多化學相關理論知識的總結和延伸都是通過實驗現象進行的，如果教師不注重實驗課程的教學，那么學生就無法真正地理解知識。例如，學生如果只是在教材或教師的講述中了解金屬鈉與水的反應，那么就無法了解實驗操作和后期考試時提到的鈉與水發生劇烈反應，到底什么程度的反應才是劇烈反應[5]。此外，一些學校對實驗課的重視程度不夠，實驗儀器設備嚴重缺乏甚至沒有專門的實驗室和實驗管理教師，這種教學條件嚴重阻礙了學生動手操作能力的提升，不利于后續高中階段化學課程的學習及學生的全面發展。

二、基于模糊數學評價的虛擬現實技術在初中化學課堂中的應用

（一）虛擬現實技術在構建初中化學課程數據庫中的應用。隨著科學技術在教育行業的應用，國內外有很多學校都將虛擬現實技術引進課堂[6]。虛擬現實技術不僅能夠讓學生參與探索、構建和操縱虛擬對象，還能遠程學習國內外眾多學校和專家教育學者的遠程精品課程[7]。如筆者所在的學校蓮花好地中學（以下簡稱“我校”）就在化學課程教學過程中，針對初中化學課程的“物質成分”和實驗操作部分，開發了一套基于虛擬現實的現實學習工具。首先，學校購買了HTCVive-wifi型一體虛擬現實設備，通過Java編程和使用的第三方軟件，包括NyARToolkit、Java3D和JMF（JavaMediaFramework）對虛擬現實設備進行了優化。其次，學校構建了現階段初中化學課程的數據庫，通過在我校基礎實驗室利用計算機和攝像機在視野內進行場景的標記，在計算機屏幕上同時顯示其捕獲的場景和由標記表示的相應虛擬對象，將部分具有危險性的化學實驗記錄下來，通過Java編程與虛擬現實連接，程序會檢測并記錄每個標記在攝像機視圖中的位置，因為當標記位于不同位置時，應用程序將觸發不同的動畫，從而完成數據庫的內容；數據庫的內容則獲取了互聯網上國內外眾多學校的可共享精品課程、學習資料及各種科研實驗。在實際應用中學生可以通過鼠標移動標記與插入的虛擬對象進行互動，還可以利用虛擬現實的重力感應對視覺內的場景進行360度觀察，也就是說，用戶和計算機之間的互動都是通過學生的動作來進行的。每個學生使用的虛擬現實設備通過WiFi與處理終端進行數據傳輸，因此每個設備都會相互獨立地根據學生的狀態為學生提供一個連續的界面，學生可以通過鼠標和重力感應對虛擬現實中的視覺圖像進行控制并互動，以獲得自然的虛擬與現實的互動體驗。（二）虛擬現實技術在化學微觀世界理論教學中的應用。虛擬現實技術是解決學生在化學微觀世界理論教學中的問題的最佳解決方案，學生在傳統課程學習過程中無法觀察到的微觀粒子，在虛擬現實中都可以觀察到[8]。例如，學生可以在虛擬現實中觀察到原子、質子、電子的3D視覺影像，還可以觀察到水分子的結構圖，以及金剛石、石墨和碳60原子的空間排布，甚至可以模擬化學反應過程中電子的轉移和反應過程中的原子交換，具體如圖1所示，虛擬現實技術能準確描繪氯化鋅溶解的過程。通過虛擬現實設備可以使學生看到氯化鋅的溶解過程，這樣分子的解離、擴散及分布狀態都會呈現在學生面前，此外，畫面中還會提出一些問題，而圖中動畫過程則會反應這些問題的答案。在實驗教學過程中，虛擬現實能還原一些具有危險性的實驗，以避免出現安全事故，還可以做相關的實驗指導，對學生零距離地進行一對一實驗操作指導。

三、基于模糊數學評價的虛擬現實技術在初中化學課堂中的應用效果

模糊數學原理的基礎建立在模糊集理論的基礎之上，是數學中經典理論的延伸，它通過每個研究變量的隸屬函數對結果的分析來規避由個人主觀性引發的誤差[9]。筆者從我校初三年級隨機選取20名學生（10男10女）建立評價小組，對虛擬現實技術在課堂中的應用效果進行評價打分。為了直觀體現各虛擬現實技術對教學效果的影響，以20名學生評價的加權平均得分Xj為指標，對評語集條件進行初級篩選。根據式（1）計算Xj。Xj=120移（xi1f1+xi2f2+xi3f3+xi4f4）（1）式中：Xj指教學效果j的加權平均分；j-1、2、3…20，指對20名學生的編號；n-20，指參與評價的20名學生；i-1、2…20，指參與評價的20名學生的編號；xi1、xi2、xi3、xi4，指第i個學生對學習的積極性、理論課程的認知度、實驗的操作性、成績的提升4個評價指標的評分；f1、f2、f3、f4，指4個評價因素集對應的權重因子（各因素對分數對總分數的比值）。評價因素集是對虛擬現實技術教學效果評價因素的集合，評價因素集U=（u1，u2，u3，u4），其中u1、u2、u3、u4分別代表積極性、理論課程的認知度、實驗的操作性、對成績的提升；評語集是評價員對因素集評價標準分數的集合，評語集V=（v1，v2，v3，v4，v5），其中滿分為100分，v1、v2、v3、v4、v5分別代表優秀（100）、良好（80）、一般（60）、較差（40）、差（20），這虛擬現實技術教學效果的評語和分數等級。評價標準如表1所示。筆者讓隨機選取的20名學生對各因素集進行逐一評價，然后統計每個因素在每個等級中的票數，計算各等級的票數占總人數比，得到虛擬現實技術教學效果評價模糊關系矩陣。模糊數學綜合評判集K=C*F，其中C、F分別代表權重集和模糊關系矩陣。模糊數學計算結果如表2所示。由20位學生計算得到的模糊計算結果表明，虛擬現實技術在初中學習過程中對學生學習的積極性、理論課程的認知度、實驗的操作性、成績的提升的影響有極為顯著的差異，表明虛擬現實技術能有效調動學生學習的積極性，有利于學生對微觀世界的認識和理論課程的學習，提升了學生實驗的操作性，學生成績較之前也有明顯提升[10]。

四、結語

虛擬現實在我校的教學試驗中已被證實有利于學生在初中化學課程中的學習，共作為計算機輔助學習工具能有效提高學生的學習效果，不僅對成績優異的學生有效，同時也能提高成績較差學生的學習興趣和學習積極性，進而提高其成績；同時這項技術的應用為現階段的理科教學提供了新思路，也可以在高中理科教學的其他學科中應用。

作者:姚保軍 單位:甘肅省天水市秦安縣蓮花好地中學