基于虚拟现实技术支持下的化学课堂教学

引言

本文对虚拟现实技术在化学课堂教学中的应用展开探讨，选取工业炼铁作为实例，剖析传统教学在讲授工业炼铁内容时出现的问题，例如抽象概念不易理解以及工艺流程展示不够直观等情况，文章构建了基于虚拟现实技术的工业炼铁化学课堂教学方案，借助精准的三维建模以及参数交互实验模块，让学生可充分参与实践，理解氧化还原反应机理与工业流程。教学目标设定于知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观这三个维度，教学实施过程涉及情境导入、知识讲解、交互体验以及讨论总结等环节，此方案切实提升了学生的学习兴趣与认知效果。

一、虚拟现实技术概述

（一）虚拟现实技术定义

虚拟现实（英文缩写 VR）作为数字交互领域的突破性成果，其本质是依靠结合图形处理器与交互装置构建可操作的三维仿真空间，该技术的实现基础在于精准复现人类的多重感知通道，包含立体视觉与空间音频，更延伸至力学触感反馈系统，依托头显装置、触感反馈手套及运动捕捉系统等硬件矩阵，系统可实时捕捉用户肢体位移与空间定位，依靠算法动态重构三维视界 [1]。以沉浸式游戏场景为例，佩戴头显的体验者侧首观察虚拟战场时，双目显示模组即时渲染 360 度环景影像，配合环境震动模拟装置，使感知系统产生空间位移的错觉，这种突破物理维度制约的交互范式，成功构建了具身认知与数字空间的深度耦合机制。

（二）虚拟现实技术在教育中的优势

虚拟现实技术在教育领域的应用呈现出独特价值，该技术可构建出高度仿真的三维学习空间，将晦涩概念转化为可视化体验。以历史课程为例，学生可借助时空穿梭功能进入特定历史场景，凭借虚拟场景互动直观感知历史脉络，有效激发认知主动性。在医学解剖或机械工程领域，学生凭借虚拟仿真系统进行无风险的操作训练，可精准掌握复杂工序的操作要领，能规避真实场景中的安全隐患。其消弭物理空间与时间维度的能力，学生无需离开教室即可开展深空天体观测或分子级细胞探索，这种虚实融合的教学方式延展了知识边界，更重构了传统课堂的时空架构，为教育形态革新提供持续驱动力[2]。

二、工业炼铁化学知识分析及传统教学问

（一）工业炼铁涉及的化学知识要点

现代高炉冶炼工艺的本质是依靠氧化还原反应实现铁元素的提取，其生产体系以铁矿石（主要包括赤铁矿 Fe₂O₃ 和磁铁矿 Fe₃O₄）、冶金焦炭及熔剂石灰石构成原料基础，在密闭炉体内，焦炭与预热空气在风口区剧烈燃烧生成二氧化碳并释放超高温热能，该过程构建了热力学条件及产生后续反应所需气态介质，其基础燃烧反应可表述为 C+O₂CO₂ （点燃条件）。随后生成的二氧化碳在炉身高温区与过量碳素发生布多尔反应转化为强还原性气体一氧化碳（CO₂+C→2CO，ΔH>0），这种气态还原介质在上升过程中与铁氧化物产生多级还原反应，典型如赤铁矿的还原过程遵循3CO+Fe₂O₃→2Fe+3CO₂（Δ，高温），最终实现金属铁的固态沉积。辅助原料石灰石在炉内经历热分解（CaCO₃→CaO+CO₂↑）后，其生成的碱性氧化钙与矿石酸性脉石成分（以 SiO₂ 为主）形成低熔点硅酸钙熔渣（CaO+SiO₂→CaSiO₃），该造渣过程促进金属与杂质的熔融分离，更借助调节炉渣碱度有效控制硫磷等有害元素的赋存形态，保证生铁产品的冶金品质。

）传统教学在工业炼铁内容讲授中的问题

1 抽象概念难理解

工业生产中的炼铁工艺蕴含着大量抽象化学理论，例如氧化还原反应中的电子迁移规律及物质间氧化还原能力差异。传统课堂仅依赖教材描述与教师单向讲授，学生很难形成具象化的理解认知。以 CO 还原 Fe₂O₃ 的教学为例，由于缺乏动态微观模型展示电子转移路径，学生往往陷入机械记忆化学反应式的误区。这种表层记忆方式难以深入理解反应本质，无法把握氧化还原理论的精髓，造成知识体系碎片化，当遇到实际工业情境中的复杂化学反应时，学生常因底层逻辑认知缺失而出现判断偏差，难以建立有效认知关联，影响知识迁移能力的发展[3]。

2 工艺流程展示不直观

工业生产中高炉炼铁涉及多个连续工序，从原料配比到冶金反应控制，再到产物分离环节，常规教学常采用平面图解或静态示意图进行展示，这种二维呈现方式难以准确还原高炉三维空间内物料运动轨迹、反应进程连锁关系及热力学参数演变等核心要素，学生容易形成片段化认知，对工序衔接机理和时空协同关系缺乏系统把握，造渣剂添加节点与熔融还原反应间的动态匹配机制难以建立直观理解。以石灰石分解反应为例，传统教法未能清晰阐释其在炉内不同温度区间的功能转化，导致理论原理与生产实践产生认知断层，削弱知识迁移能力，更制约学生对冶金工程系统化认知的构建。

三、虚拟现实技术支持下工业炼铁化学课堂教学设计

（一）教学目标设定

1 知识与技能目标

学生可系统说明工业化炼铁所需原料的物理化学特性，结合反应装置动态阐释还原反应机理，针对赤铁矿与磁铁矿等典型矿石进行特征对比分析，借助虚拟仿真平台开展炼铁工艺实践时，可依靠物质形态转化现象理解反应进程，例如依靠观察氧化铁还原实验的颜色渐变规律，建立微观电子转移与宏观现象间的关联认知，掌握运用氧化还原电位差判定物质间电子得失能力的分析方法，形成基于反应条件评估物质氧化还原活性的科学思维[4]。

2 过程与方法目标

虚拟现实技术为学生创设了深度参与的实践场域，使其获得身临其境的学习体验，在工业流程模拟中，学生可主动开展观察与解析，凭借自主剖析如调整高炉温度与原料配比等变量，实时观测铁水品质变化规律，协作式学习环节中，师生共同解构虚拟场景中的冶金反应机理，锻炼了辩证分析能力又促进批判性思维发展，引导其从热力学平衡、反应动力学等多维度剖析化学现象，最终实现工业炼铁核心概念的系统建构。

3 情感态度与价值观目标

在虚拟现实技术构建的工业场景中，学生得以沉浸式体验化学原理与生产实践的深度融合，这种具象化学习模式能有效点燃其求知热情，使其深切体会学科知识的应用价值，实验剖析环节依靠自主操作设备与参数调整，引导学生在实践中磨砺创新思维与问题解决能力，同时直观认知智能技术对教育形态的革新意义。回顾工业炼铁技术演变史，学生可把握化学反应的动态过程，能从人类突破能源利用瓶颈的历程中，领悟科技创新对社会发展的驱动作用，构建起投身科学研究的价值认同。

（二）教学资源准备

1 虚拟现实软件设计与开发

联合冶金工程专家与教育技术团队，采用三维建模技术精准还原高炉立体构造，开发面向化学教育的沉浸式虚拟实训系统，该平台动态呈现铁水涌动、焦炭反应等微观变化，更创新性地引入参数交互实验模块，允许学生自主调控风温、焦炭配比等关键参数，实时观察炉内气体涡流与矿相转变过程。为强化认知效果，系统整合知识图谱引导机制，借助工艺流程分步骤拆解、三维动态标注及实时数据可视化，构建多层次学习支架。在此基础上增设工业现场实景闯关任务，配合智能语音导览与热区交互提示，使抽象理论在虚拟操作中转化为具象认知，形成" 参数调控- 现象观察- 原理回溯" 的完整剖析闭环。

2 硬件设备配置​

为保证虚拟仿真教学的实效性，实验室配置了具有 2K 分辨率的头戴显示器，其 120Hz刷新率有效消除了动态模糊现象，营造出逼真的三维教学环境，操作终端采用有触觉反馈功能的高灵敏度控制器，其亚毫米级动作捕捉精度可支持学生完成原料精准投料、高炉温度调控等工序操作。空间定位系统借助三角形阵列布局的激光传感器网络，结合六自由度空间定位技术，保证在 50 平方米教学区域内实现厘米级位置同步，使虚拟冶金车间的场景元素可实时响应师生位移。在此基础上，实验室运维方案还配备了20000mAh 应急电源组与模块化快修工具包，形成覆盖设备全生命周期的技术保障体系。

（三）教学实施过程

1 情境导入

教师启动VR 教学设备后，调取一段沉浸式工业炼铁实景影像，当学生佩戴好头显装置，转瞬间便置身于高炉林立的钢铁厂区，高炉轰鸣声震耳欲聋，炽热的铁水映红整个车间，极具冲击力的生产场景引发阵阵惊叹，待全景影像播放完毕，教师适时抛出引导性问题：" 刚才见证的工业奇迹背后，铁矿石究竟经历了怎样的化学蜕变？这些巨型设备里藏着哪些物质变化的玄机？ " 依靠构建虚实融合的认知冲突，成功唤起学生的剖析欲望，自然切入铁冶金原理的教学主题。

2 知识讲解

在虚拟现实技术支撑的沉浸式课堂中，教师依靠三维工业炼铁仿真系统开展教学，借助头戴设备呈现的高精度建模场景，学生可观察到不同原料（铁矿石、焦炭、石灰石）在反应器内的动态交互过程，系统实时生成焦炭氧化、碳热还原等反应的三维动态模型，同步叠加展示Fe₂O₃+3CO→2Fe+3CO₂ 等反应式及热力学变化参数。教学过程中，教师借助交互手柄对反应界面进行多维度剖切，重点解析还原反应中金属氧化物晶格结构的电子云变化，在铁氧化物还原环节，系统凭借粒子流特效实时标注电荷迁移轨迹，使微观层面的电子传递过程转化为可视化动态图像。

3 交互体验​

在实验环节中，教师将参与者划分为若干协作小组，借助沉浸式虚拟仿真系统开启自主剖析式学习环节，每位学生依靠手持控制器自主执行冶金操作，包括尝试不同配比的原材料投放、动态调节高炉内部温度参数，并实时观察铁水生成状态与产物质量变化，当焦炭添加量提升时，系统会可视化呈现还原气体浓度曲线与金属产率的动态关系，凭借调整热力学参数设置，可剖析温度梯度变化对冶金反应效率的作用机理。学生需同步完成实验日志的记录与异常现象分析，遇到技术难点时可即时发起师生或组间互动研讨，这种多维度参与模式有效激活了学习主体的实践思维，在实践过程中深化对冶金工艺原理的认知建构。

图1 教学思维导图

4 讨论与总结​

实验环节结束后，各实验小组迅速围坐成圈展开头脑风暴，记录员将写满实验参数的笔记本摊开在桌面，组员们争相分享虚拟炼铁过程中的意外发现，第三组率先抛出观察结果：随着高炉温度提升至 1200^∘C 以上，原本迟滞的还原反应骤然活跃，出铁效率明显提升，但光谱分析显示产物中硅、硫杂质浓度异常增高。他们提出假设，过快的反应速率可能缩短了造渣反应窗口期，导致部分杂质元素未被炉渣充分吸附，与之形成对照的是第五组的发现，该组将3D 建模焦点锁定在石灰石配比上，当碳酸钙添加量增加 15% 时，炉渣流动性指数从 0.8 提升至 1.2，其微观结构在电子显微镜下呈现出十分突出的纤维状结晶。针对这一现象，组内成员展开激烈辩论：主攻材料学的学生认为 CaO 含量的增加优化了硅酸盐网络结构，而化学方向的同学则指出 pH 值的改变影响了熔渣表面张力，指导教师采用苏格拉底式教学法穿梭于各实验台之间，借助 " 这样的变化会对铁水纯度产生什么影响呢 " 等启发式提问推动学生深化思考。在总结环节，任课教师以流程图解构工业化高炉运作机制，特别用红框标出焦炭气化反应与间接还原反应的能量传递路径，并针对学生实验中普遍存在的认知盲区，将虚拟实训获得的碎片化现象抽丝剥茧般转化为系统的冶金热力学知识框架。

结语

本文设计并实施了基于虚拟现实技术的工业炼铁化学课堂教学方案，成功解决了传统教学在工业炼铁内容讲授方面存在的问题。该方案借助精准的三维建模以及参数交互实验模块，让学生获取了身临其境的学习体验，深刻理解了氧化还原反应机理以及工业流程。教学实践显示，该方案有效提高了学生的学习兴趣以及认知效果，推动了其知识迁移能力以及创新思维的发展。未来会继续探索虚拟现实技术在化学课堂教学中的更多应用，为教育形态革新提供持续驱动力。

参考文献

[1] 陈树煌 ， 冯芝英 ， 唐耿秋 ， 等 . 虚拟增强现实技术在高职医药类专业化学课程中的应用[J]. 高科技与产业化 ， 2024， 30 （11）： 125-127.

[2]郑秀玉，李琼. 虚拟现实技术在化工仿真实习中的应用 [J]. 化工高等教育， 2024， 41 （05）：110-114.

[3] 刘卉 ， 张树鹏 ， 张云添 ， 等 . 虚拟现实 VR 技术在有机化学课程教学中的应用探究 [J].大学化学 ， 2024， 39 （08）： 64-71.

[4] 韩冬雪 ， 孙会靓 ， 牛利 . 虚拟现实技术与安全绿色大学化学实验教育 [J]. 大学化学 ，2024， 39 （08）： 191-196.

作者简介

王一帆（1997），女，江苏常州人，中二，本科；研究方向： 虚拟现实技术基于理化生教学的研究