一、背景与意义
近几年虚拟现实技术的快速发展与日益成熟，将其运用到课程教学中成为目前的一种教学趋势。我国在医学、物理、化学、生物及小学科学等学科中应用比较广泛，这些学科的共同点就是把实验作为这些学科进行教学的基本属性。
在此背景下，虚拟现实技术在化学实验教学中发挥了重要作用，化学虚拟实验的出现解决了很多真实实验所面临的问题，虚拟实验不受时空的限制，可以给学生更多自主性，可以在实验中更好地培养学生能力。
化学是以实验为基础的学科，实验教学既可以完成教学目标，还有利于学生的科学学习方法的养成。同时，实验要围绕学生展开，展现学生的主体作用，实现了新课标课程改革的要求，促使学生积极参与学习。现在依据虚拟现实技术开发的桌面虚拟实验平台越来越多涌入到化学实验教学中，这一方面说明了实验的重要性，另一方面也表明虚拟实验有着自己独特的一些优势，它不需要考虑实验过程中的安全问题，也不会有实验药品的损耗等，学生可以结合真实实验更好地完成学习目标，实现以亲身经历为主的探究活动。
相关研究表明，与学习二维图形相比，学生在三维模拟中可以促进自身概念知识的获得。并且三维模拟对缺乏学习经验的低年级学生更有效，建构三维分子模型进行中学化学教学，通过比较使用分子结构的二维和三维模型表征对学生学习有机化学结构的影响，使用三维模型的学生测试成绩明显高于使用二维模型的学生，证实了三维模型将更有利于学生有机化学结构的学习。
二、概念及理论基础
桌面虚拟现实依托于桌面虚拟现实交互平台（三维立体交互移动终端），如下图所示。侧重于鼠标、操纵杆或空间传感控制导航，通过计算机控制的图形显示器上的三维环境进行操作，具有多感知性、沉浸感、交互性、真实性。
随着桌面虚拟现实技术的不断发展，特别是网络带宽增加、成本降低、WEB云端渲染能力、硬件厂商成本不断降低、国内要求信创自主自控政策的利好，教育、医疗、商业等领域将会蓬勃发展，尤其是在教育领域，大多数教师都可以将其轻松利用起来，所以桌面虚拟现实技术未来将会有更加好的发展。
虚拟实验通俗来讲就是利用研究者提前设计好的虚拟平台来模仿现实环境，学生简单操作输入端，产生像在真实环境中来操作实验的沉浸感，完成实验项目。它需要信息技术、网络通讯技术、虚拟现实技术等技术的支持，需要硬件作为载体，并要求所得实验效果和数据与真实实验相近或相等。
探究式教学模式是教师创设一定的问题情境，教师引导学生在情境中发现问题、分析问题，并通过科学探究的方式解决问题从而获得相关的化学实验知识的过程。学生是发现知识的主体，通过观察现象、提出问题、分析与假设、科学探究、验证结论的过程提高了科学探究的能力，培养了学生的探究精神和实践能力。
建构主义理论认为知识是学习者主动构建的过程，这种学习更加强调学习主动性和情境性，是一种更加自由的学习。理解和建构新知识，重构或扩充原有知识，完成新知识的学习。在这个过程中，处在情景中的学生通过和同伴进行讨论，以及经过教师指导，获取新知识。在这种理论的指导下，本研究的目的就是为了进一步培养学生的科学探究等其他能力，因此在教学设计过程中就会更加注重学生的自主性，给学生创设一个有意义的学习情境，合理安排学习资源，让学生做到最大限度地发挥自身的学习激情。
探究式学习指学生在课程学习过程中自主探索问题的学习方式，特点就是发挥学生主动性，让学生去亲身实践，教学内容更综合，于是会更加重视学生对所学知识的综合运用。在化学实验的学习过程中，学生需要自己借助化学知识并学会进一步结合现实生活来确定问题，然后通过提出假设、制定研究计划、进行实验、收集数据、分析与反思等探索活动来获得知识，培养能力。
三、构建桌面虚拟现实化学实验探究式教学模式
学校在以往进行化学实验教学时，常常会因为缺少经费而不能及时购买化学药品、实验设备，无法定期维护化学实验室，或是担心实验带来的危险而无法正常在化学实验室进行教学，如果有了合适的化学虚拟实验教学平台，这些问题都可以得到很好的解决。
图1.探究式教学模式
创设情景，提出问题：教学活动都是围绕问题来展开，在确定化学某节课的教学主题后，可以通过创设情境的方法，通过逐步地引导学生，从教学的角度根据教学目标、教学内容或者联系生活实际把问题抛给学生或是让学生自己发现问题。
制定计划，设计实验：初中化学新课程标准有关探究能力的培养方面，对于“制定实验方案”这一要求来看，通过桌面虚拟现实技术特点，在教师的帮助下，逐步让学生独立完成一个实验方案的制定。
实验探究：使用桌面虚拟现实平台来培养学生探究能力，采用“自主、探究、合作”的学习方式，虚拟实验操作平台进行化学实验的分组合作探究，可重复实验，在较短时间内得到化学实验结果，从而更好地在现实中解决实验中出现的问题，保证实验成功开展下去。
协作交流：在虚拟环境下，对不同应变量产生多变的结果，可提高协作交流的效率，提升探究实验的成效，学生之间或是小组之间可以互相交流作品，分享观点经验，然后再去完成实验结论，从而在交流中不断完善，把实验补充完整。
总结提高：在桌面虚拟现实的化学实验的学习初期，老师可以先给学生提供一个提问单，例如：“虚拟现实下的实验时遇到了哪些问题，以后出现相似问题我该如何处理”、“虚拟空间下的实验中观察到了哪些现象，有哪些数据需要分析，应当采用什么方法来处理这些数据”、“我的虚拟实验结论是否正确”、“我该如何继续改进”等。
四、设计桌面虚拟现实化学实验探究式教学模式
桌面虚拟现实下的化学课程教学模式同样需要遵循一定的设计原则：探究性、开放性、自主性、层次性、合作性原则。
探究性：虚拟现实化学的探究主题带有挑战性，问题既不能太容易，学生不能对自身有正确认知，也不能太难，打消学生的探究积极性。
开放性：通过桌面虚拟现实技术，培养学生良好的学习因果思维，引导学生可以通过自主探究接触到更深层次的知识内容，从而更好地实现教学开放性。
自主性：保证学生在虚拟实验学习中的主体地位，也就是让每位同学可以亲自做实验，理论联系实际，且可以通过桌面虚拟现实设备的双手柄或双交互笔的模式，实现自主探究。
层次性：化学的学习是有层次，由浅入深来进行的，先掌握了基础的化学元素，了解它们的性质，而后才可以更深入地学习。所以学生在实验开始前，需要能够熟悉理论知识，对实验的操作流程有一个清晰的认知后才可以实际操作，是一个从理解性层次到操作巩固层次的过程。
合作性：通过桌面虚拟现实的协同操作功能，小组多名学生可以在一个虚拟场景中进行同一个实验，特别在疫情情况下，实现在不同物理位置的协同实验。
学校一般还需要具备一定的物理空间条件：软硬件工作运行正常的桌面虚拟现实设备50-60台，并且每台计算机都配有耳机，可以保证学生在进行音视频学习时可以互不干扰，如下图。
教学内容设计：九年级是学生刚开始接触化学的阶段，是打下化学学习基础的一年。整体来看，基于桌面虚拟现实教学，课程内容分为“身边的化学物质”、“科学探究”、“物质的化学变化”、“物质构成的奥秘”、“化学与社会发展”。教育部把初三化学实验学习阶段的实验分为了探究性实验与验证性实验。基于虚拟现实技术的实验用于探究性实验是非常合适的，而探究性实验是以对感兴趣问题提出的假设为引导，通过一系列的实验来验证假设正确与否，从而得出结论。
教学目标设计：通过操作三维立体交互移动终端，设计从学生和化学实验本身出发，注重学习者的化学实验学习兴趣与科学探究能力的培养。以三维课程目标作为指导，来设计教学目标，在虚拟实验过程中，学生处于现实与虚拟结合的世界中，学生的实验过程，是培养学生价值观的最合适阶段；过程与方法，是学生在观察演示实验之后获得新知，从而修正自己的实验过程。
教学策略：从登录到使用学习虚拟实验时间控制在20-25分钟；分组组队学习；自主操作化学实验平台，理论与实践相结合，既锻炼虚拟实验操作能力，也锻炼独立思考能力。
教学过程设计：课前活动：熟悉虚拟操作环境、通过教案、视频了解虚拟实验操作过程、提前告知学生虚实结合的上课形式，做到充分预习。课中活动：1）合作探究；2）巩固练习； 3）反馈评价。通过虚拟现实的内容设计，实现以上三点，可考虑三维立体交互移动终端的虚拟现实特性：包括半沉浸式多人系统特点、移动随机组合特点、可双手操作空间定位交互笔、支持web GL +5G+云端渲染等通讯技术等特点，实现教学过程的智能化、并发云化、结果可追溯化等特点。
五、结论
上述文字以核心关键字或关键语句形式简要描述了基于桌面虚拟现实技术，特别是以三维立体交互移动终端及化学平台软件作为操作平台的形式，对初中化学的教学模式构建及设计进行了概述，同时也通过描述其背景给出了桌面虚拟现实在初中化学学科上使用的必要性理由。
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