呂向麗，劉春玲

(1.吉林師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.吉林師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，吉林 梨樹 130600)

教育部2018年推出了《教育信息化2.0行動》，強調(diào)教育信息化。在教育上，遵循教育原則與規(guī)律，科學(xué)運用教育方法，從而切實提高學(xué)生的思想教育水平。傳統(tǒng)教學(xué)中的“一人一黑板一粉筆”的教學(xué)模式，早已不適用現(xiàn)代培養(yǎng)人的要求。于此同時，隨著5G時代、人工智能，以及新一輪科技革命的來臨，如何更好地將科學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代信息化建設(shè)應(yīng)用到教育上，成為了有待解決的問題。

1 研究意義

1.1 理論意義

利用虛擬仿真技術(shù)讓學(xué)生在化學(xué)實驗中深度學(xué)習(xí)，既滿足了學(xué)生自身發(fā)展的需求，又適應(yīng)了時代的發(fā)展。通過虛擬仿真技術(shù)，在創(chuàng)建的化學(xué)實驗情境中利用虛擬仿真技術(shù)讓學(xué)生學(xué)以致用，促進知識的遷移與應(yīng)用，從而達到培養(yǎng)學(xué)生合作能力、創(chuàng)新與創(chuàng)造能力的目的。利用虛擬仿真技術(shù)設(shè)計教學(xué)過程，構(gòu)建學(xué)習(xí)由淺入深，由易到難的教學(xué)模式、流程與策略，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實驗探究能力。

1.2 實踐意義

眾所周知，任何研究的實踐意義都是建立在理論研究的基礎(chǔ)之上。由于部分化學(xué)實驗操作復(fù)雜、危險系數(shù)高，因此在課堂上無法演示。將虛擬仿真技術(shù)運用到化學(xué)實驗教學(xué)中，解決并完善了傳統(tǒng)化學(xué)實驗教學(xué)中的一些問題。例如，將虛擬仿真技術(shù)更好地融入化學(xué)實驗教學(xué)中，可以給學(xué)生增加試錯的機會，同時，也能對那些危險系數(shù)高、污染環(huán)境的實驗進行虛擬仿真操作，實現(xiàn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

2 國內(nèi)外研究成果

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1.1 文獻數(shù)量分析

隨著時代的發(fā)展，教育也在不斷地迎來新的方法與機遇。其中，虛擬仿真技術(shù)從20世紀80年代到今天，也實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。尤其在理科實驗教學(xué)中，虛擬仿真技術(shù)的意義十分重大，因此，關(guān)于虛擬仿真技術(shù)的研究也層出不窮，虛擬仿真技術(shù)也得到了更加完善的發(fā)展。

1)國內(nèi)數(shù)據(jù)庫文獻數(shù)量分析

以“虛擬仿真教學(xué)”為關(guān)鍵詞，在中國知網(wǎng)中進行檢索，從2014年到2022年期間(截至2022年6月止)共發(fā)表文章2010篇。其中，學(xué)術(shù)期刊1715篇，學(xué)位論文95篇，相關(guān)會議39篇。筆者以橫坐標為發(fā)表年份，以縱坐標為發(fā)文總數(shù)進行做圖，如圖1所示。由圖1看出，從2014年到至今，關(guān)于虛擬仿真技術(shù)的文章一直呈現(xiàn)上升趨勢。因此，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

圖1 國內(nèi)虛擬仿真教學(xué)論文發(fā)表

近些年虛擬仿真教學(xué)分布如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，虛擬仿真教學(xué)在各個領(lǐng)域均有涉及，虛擬仿真教學(xué)適用于高等教育、中等教育等。

圖2 國內(nèi)虛擬仿真教學(xué)論文發(fā)表學(xué)科分布

2)國外數(shù)據(jù)庫文獻數(shù)量分析

同樣，對近些年的外文文獻進行研究發(fā)現(xiàn)，外文文獻中虛擬仿真教學(xué)更多的涉及醫(yī)學(xué)、技術(shù)工程等方面。虛擬仿真教學(xué)是在一些理論的支撐下發(fā)展起來的，比如認知理論、構(gòu)建主義理論、操作學(xué)習(xí)理論、STEAM學(xué)習(xí)理論等等。

2.1.2 文獻內(nèi)容分析

1) 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

虛擬仿真(Virtual Reality)，也就是虛擬現(xiàn)實，也稱模擬技術(shù)，就是用虛擬的環(huán)境模仿真實的環(huán)境，并且可以十分逼真。通過現(xiàn)實環(huán)境與虛擬環(huán)境之間的相互作用，使學(xué)生從中獲得真實的體驗和感受，從而達到預(yù)期的教學(xué)與學(xué)習(xí)效果，為教育帶來明顯價值。虛擬仿真技術(shù)能夠打破時間和場地的限制，使學(xué)生置身于十分逼真的場景中，去探索和交流化學(xué)實驗中的奇妙變化。王春提出，化學(xué)實驗是以反應(yīng)現(xiàn)象為基礎(chǔ)，而傳統(tǒng)化學(xué)實驗教學(xué)操作危險、費時費力，很多教師不得已將實驗教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)檎Z言文字傳輸給學(xué)生，導(dǎo)致學(xué)生對實驗過程不理解，不利于學(xué)生的思維和實踐能力的發(fā)展；對于一些實驗時間較長，控制變量較多的實驗，課堂操作是不可能實現(xiàn)的，而利用虛擬仿真技術(shù)，可以省去實驗過程中的等待時間，較好的控制變量，跨越時間的限制，從而提高了課堂效率[1]。虛擬仿真技術(shù)能夠提高學(xué)生對化學(xué)的濃厚興趣，大多數(shù)學(xué)生是在互聯(lián)網(wǎng)的陪伴下成長起來的，因此以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的虛擬仿真教學(xué)更能夠讓他們收獲快樂，實現(xiàn)寓教于樂。焦爽等設(shè)計了一個基于 B/S(Brower/Server：瀏覽器/服務(wù)器)與 C/S(Client/Server：客戶端/服務(wù)器)架構(gòu)結(jié)合的初中化學(xué)實驗?zāi)K，并以此對兩個班級的學(xué)生以“對化學(xué)的喜愛程度”為題展開實驗。結(jié)果表明，把虛擬仿真實驗引入化學(xué)實驗教學(xué)的實驗組的學(xué)生對化學(xué)的喜愛程度由原來的51.34%上升到實驗后的61.46%，而對照組則由原來的50.82%上升到50.86%，并無太大變化，因此嵌入虛擬仿真技術(shù)更能提高學(xué)生對于化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣[2]。

將虛擬仿真技術(shù)嵌入化學(xué)實驗教學(xué)，可以大大減少實驗過程中的危險系數(shù)?；瘜W(xué)學(xué)科離不開大量的實驗，但對于初學(xué)者來說，有些儀器操作起來具有諸多風險?；瘜W(xué)實驗旨在培養(yǎng)學(xué)生的動手操作和實驗探究能力，在做化學(xué)實驗的過程中必須要嚴格遵守實驗步驟，謹記實驗過程中的注意事項，稍有差錯，就會造成不可挽回的后果，虛擬仿真的技術(shù)的出現(xiàn)，為學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)實驗增加了“試錯”的機會。比如,田菊香等在利用酒精燈的使用、空氣中氧氣含量的測定、加熱高錳酸鉀制取氧氣等相關(guān)實驗，鼓勵學(xué)生“試錯”，在培養(yǎng)學(xué)生實驗過程中安全意識的同時又能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維[3]。

隨著時代的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的興起為人們的生產(chǎn)生活都帶來了極大的便利。基于互聯(lián)網(wǎng)背景下，虛擬仿真技術(shù)從高等教育走向中等教育，滲透于各個學(xué)科。不同領(lǐng)域都對虛擬仿真技術(shù)展開了深入研究，包括醫(yī)學(xué)教育與醫(yī)學(xué)邊緣學(xué)科、教育學(xué)、職業(yè)教育、計算機軟件與計算機應(yīng)用等等。化學(xué)實驗注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手操作能力，在利用虛擬仿真技術(shù)實驗教學(xué)的過程中，教師既可以很好的完成理論教學(xué)，同時又能培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力，促進學(xué)生多方面的發(fā)展。將虛擬仿真技術(shù)嵌入中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)，能夠充分滿足學(xué)生的個性和需求，豐富課堂實驗教學(xué)形式，提高課堂效率。但將虛擬仿真技術(shù)嵌入中學(xué)化學(xué)實驗并不意味著用虛擬仿真實驗去代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳統(tǒng)教學(xué)，虛擬仿真實驗在教學(xué)過程中只是起到輔助的作用。郭志強等認為，虛擬仿真實驗教學(xué)要采用“內(nèi)容區(qū)分”策略，在利用虛擬仿真實驗教學(xué)時，學(xué)生要提高的不僅是實踐能力，同時必須掌握知識，因此在實驗前，教師必須先明確虛擬仿真技術(shù)是否適用于某一個實驗。例如，膠體制備、酸堿中和反應(yīng)，這樣操作簡單、現(xiàn)象明顯的實操貫通類實驗，需運用傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法，從培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力。對于實驗步驟繁瑣、注意事項要求較多的虛實融合類實驗，如噴泉實驗、乙酸乙酯的制備與提純實驗，以及一些危險系數(shù)高，較難成功的虛擬貫穿類實驗，如氯氣的實驗室制取、濃硫酸三大特性的驗證等，則適合采用虛擬仿真實驗教學(xué)的方法[4]。這些研究成果都為繼續(xù)研究虛擬仿真實驗教學(xué)提供了論據(jù)，并且，隨著科技水平的提高，虛擬仿真實驗教學(xué)會越來越受歡迎。因此虛擬仿真技術(shù)對于中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)具有十分重大的意義。

2)國外研究現(xiàn)狀分析

虛擬仿真技術(shù)于美國興起，英國、日本等在虛擬仿真技術(shù)上的開發(fā)研究和應(yīng)用也處于領(lǐng)先地位，也使虛擬仿真技術(shù)在教育方面彰顯了巨大的價值。國際上把美國新媒體聯(lián)盟(NMC,New Media Consortium)發(fā)布的《國際教育信息化地平線報告》作為教育信息化建設(shè)與發(fā)展的指向標。該報告表明，虛擬仿真技術(shù)將作為今后教育改革的重要領(lǐng)域之一[5]。表1系國外虛擬仿真技術(shù)實驗教學(xué)的主要形式及平臺[6]。

表1 國外虛擬仿真技術(shù)實驗教學(xué)的主要形式及平臺

文獻[7]給出了關(guān)于國外虛擬仿真實驗教學(xué)的幾點建議，主要包括:

1) 加快促進信息技術(shù)在教育教學(xué)方面的應(yīng)用；

2) 將現(xiàn)代教育技術(shù)結(jié)合于混合式教學(xué)、在線教學(xué)和合作學(xué)習(xí)之中；

3) 促進學(xué)生由課程的單一消費者向設(shè)計者和實施者轉(zhuǎn)變；

4) 推動建設(shè)虛擬實驗室建設(shè)和重視數(shù)字化學(xué)習(xí)條件。

3 關(guān)于虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)實驗教學(xué)中的思考

3.1 善于利用各種教學(xué)資源，完善虛擬仿真技術(shù)平臺

由于部分化學(xué)實驗不易實施、實驗器材不完善、實驗室開放時間短、評價試驗的方法過于單一，在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，許多教師常常運用多媒體播放演示，但這樣的教學(xué)方法往往難以讓學(xué)生加深印象，而利用虛擬仿真技術(shù)，如No Book化學(xué)實驗室這樣的教學(xué)平臺，讓每一個學(xué)生都親自去做實驗驗證，觀察實驗的現(xiàn)象，從而提高了學(xué)生對化學(xué)學(xué)習(xí)的樂趣。教師更應(yīng)該注重利用各種教學(xué)資源，完善虛擬仿真平臺，不斷提高自己的信息素養(yǎng)，緊跟時代的步伐，摒棄守舊老派的觀念，對各種虛擬仿真平臺進行利用與開發(fā)，設(shè)計自己的實驗，開發(fā)課后作業(yè)等模塊。

3.2 注重教學(xué)以傳統(tǒng)教學(xué)為主，以虛擬仿真技術(shù)為輔

應(yīng)注重以傳統(tǒng)教學(xué)為主，以虛擬仿真技術(shù)為輔。在科技發(fā)展的今天，虛擬仿真技術(shù)的各種平臺在網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)有盡有，但是在實際的教學(xué)中，仍然不能用虛擬仿真技術(shù)去代替真正的傳統(tǒng)教學(xué)，應(yīng)該讓虛擬仿真技術(shù)成為傳統(tǒng)的教學(xué)的助手，目的是更好地培養(yǎng)學(xué)生。在實際教學(xué)中，會出現(xiàn)各種各樣難以想象的實驗現(xiàn)象，而虛擬仿真技術(shù)是處在一個理想的實驗環(huán)境中，并不能真正的啟發(fā)學(xué)生的思考，所以應(yīng)該發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢，補充傳統(tǒng)實驗中的不足。

4 總結(jié)

虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)實驗教學(xué)中的作用舉足輕重，特別是疫情期間的線上教學(xué)，虛擬仿真平臺為化學(xué)實驗教學(xué)實踐提供了保障，能夠在疫情期間為學(xué)生提供一個良好的實踐平臺，從而解決線上教學(xué)無法開展化學(xué)實驗教學(xué)的困境。但是教師在使用過程中不能做拿來主義，應(yīng)該不斷提高專業(yè)水平，在虛擬仿真平臺上建立自己的試驗，改進實驗裝置。如趙麗娜等用玻璃罩或漏斗等制造半密閉環(huán)境[8]，或者積極開發(fā)與更新虛擬仿真平臺的練習(xí)題環(huán)節(jié)，并不斷更新自己的知識結(jié)構(gòu)，為教育貢獻自己的力量。