王文 何盼 占小紅

（華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院 上海 200062）

虛擬實(shí)驗(yàn)室是20世紀(jì)末逐漸發(fā)展起來的一項(xiàng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，是目前備受期待的教育技術(shù)之一。［1］將虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生能自由靈活地操作儀器和藥品，相比于實(shí)際化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有能突破藥品、儀器、設(shè)備等實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件限制、壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)間、消除實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性和污染性的優(yōu)勢(shì)。［2］

目前利用虛擬實(shí)驗(yàn)室改變中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的研究多為基于虛擬實(shí)驗(yàn)室功能的應(yīng)用研究，如利用虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能進(jìn)行案例設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)踐和效果考察［3］等。但在實(shí)際使用虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的過程中，由于許多中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的原理、操作或現(xiàn)象具有復(fù)雜性，［4］如有機(jī)實(shí)驗(yàn)中常包含較多的內(nèi)容分支，涉及繁瑣的實(shí)驗(yàn)操作與現(xiàn)象呈現(xiàn)，需要綜合、多元地調(diào)用虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能才能完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在這樣的背景下，基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能開展的應(yīng)用研究便會(huì)出現(xiàn)缺乏精細(xì)化和系統(tǒng)性的弊端，這類研究雖能指引我們了解到虛擬實(shí)驗(yàn)室的某一功能在教學(xué)上的優(yōu)勢(shì)，但沒有切實(shí)針對(duì)某一化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，給出系統(tǒng)地調(diào)用虛擬實(shí)驗(yàn)室功能和資源的策略指導(dǎo)，有時(shí)甚至還會(huì)導(dǎo)致教師進(jìn)入“為了用而用”的誤區(qū)，致使對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的水平整體不高。因此我們需要立足化學(xué)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，從中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)分類的角度出發(fā)，根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的功能及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值，建立適合于探討利用技術(shù)開展創(chuàng)新實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)教學(xué)分類，細(xì)致地探討每種分類下虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，才能更好地發(fā)揮技術(shù)的作用，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新的精細(xì)化和實(shí)效化。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)室及其功能分析

1.虛擬實(shí)驗(yàn)室概述

按照實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不同，虛擬實(shí)驗(yàn)室可分為兩大類。［5］第一類是以純軟件的方式實(shí)現(xiàn)，是一套基于普通計(jì)算機(jī)的小型桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，用戶僅需下載軟件或通過網(wǎng)頁(yè)在線訪問即可完成實(shí)驗(yàn)。第二類虛擬實(shí)驗(yàn)室是以軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，它采用的封閉的場(chǎng)景和音響系統(tǒng)將用戶的視聽覺和外界隔離，使用戶完全置身于計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境中，用戶需要佩戴頭盔、數(shù)據(jù)手套等硬件才能完成實(shí)驗(yàn)。第二類虛擬實(shí)驗(yàn)室沉浸度雖更高，但系統(tǒng)造價(jià)昂貴且技術(shù)要求極高，相比起來第一類結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于推廣使用，更適合應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。由此，本研究基于第一類純軟件類型的虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新。

純軟件方式實(shí)現(xiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室根據(jù)空間維度的不同又可分為2D虛擬實(shí)驗(yàn)室和3D虛擬實(shí)驗(yàn)室兩種。2D實(shí)驗(yàn)室即在平面上完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作，交互環(huán)境相比3D較為簡(jiǎn)陋，但可以隨意使用倉(cāng)庫(kù)中的所有儀器藥品，可操作性較強(qiáng)。如廣受美國(guó)高中化學(xué)教師喜愛的ChemCollective虛擬實(shí)驗(yàn)室，即為2D虛擬實(shí)驗(yàn)室的一種，它的實(shí)驗(yàn)室操作界面如圖1所示，左側(cè)為倉(cāng)庫(kù)，包括各類實(shí)驗(yàn)藥品和儀器，如鹽酸、氫氧化鈉溶液、酒精燈等等，右側(cè)為實(shí)驗(yàn)臺(tái)，用戶通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊、拖拽等方式在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上填裝藥品、搭建裝置、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 2D虛擬實(shí)驗(yàn)室界面

3D虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境更為逼真，它可以全方位、全角度地展示器材，在立體空間內(nèi)對(duì)一些物質(zhì)進(jìn)行移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作，更大程度上還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生的交互感更強(qiáng)，更易沉浸其中。如圖2即為一款3D虛擬實(shí)驗(yàn)室的界面圖。但因?yàn)?D虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)難度較大，技術(shù)要求更高，市面上現(xiàn)有開放的3D虛擬實(shí)驗(yàn)室并不多。

圖2 3D虛擬實(shí)驗(yàn)室界面

2.虛擬實(shí)驗(yàn)室功能分析

現(xiàn)有研究對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能介紹主要從其自身角度出發(fā)，為了使虛擬實(shí)驗(yàn)室在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮更大價(jià)值，需要從化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要視角審視虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的功能特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)操作是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中兩大核心要素，虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的特有功能為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展示、實(shí)驗(yàn)操作處理方面都帶來了新的突破。

在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展示方面，虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠模擬中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中除氣味外幾乎所有物理特性。在虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)上調(diào)出藥品，即可展示出它們的形貌、顏色、狀態(tài)等，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊試劑，即可在信息欄中看到其溫度、濃度、體積、所含離子及離子濃度、pH等信息。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以展現(xiàn)出真實(shí)化學(xué)反應(yīng)過程中豐富的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如顏色變化、電流變化、沉淀生成等等，還可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行縮放旋轉(zhuǎn)、全方位觀察。尤為一提的是，虛擬實(shí)驗(yàn)室還可以模擬傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中肉眼觀察不到的微觀變化和能量變化過程，使得學(xué)生可以在宏觀與微觀兩個(gè)層面上更深入地探尋知識(shí)本質(zhì)，促進(jìn)對(duì)知識(shí)的理解。

在實(shí)驗(yàn)操作處理方面，虛擬實(shí)驗(yàn)室除了可以提供中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中無盡的各類儀器藥品，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)取用、配制、搭建裝置等等常規(guī)實(shí)驗(yàn)操作，還可以對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行優(yōu)化，如通過迅速升溫、加快滴定速度、加快時(shí)間流逝等方式加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。部分實(shí)驗(yàn)室還具有語(yǔ)音提示、錯(cuò)誤操作提醒、打分等功能，允許學(xué)生進(jìn)行錯(cuò)誤操作嘗試，在學(xué)生得到錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果后虛擬實(shí)驗(yàn)室會(huì)通過語(yǔ)音提示指出錯(cuò)誤原因，并且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后展示實(shí)驗(yàn)得分和扣分點(diǎn)，以此讓學(xué)生更清晰地了解到實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)和注意事項(xiàng)。

此外，虛擬實(shí)驗(yàn)室取之不盡用之不竭的開放資源庫(kù)使得學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)課后反復(fù)練習(xí)，沒有空間地域限制，沒有危險(xiǎn)顧慮，學(xué)生無需教師監(jiān)管，便可隨意大膽地在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演練、創(chuàng)造。上述虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能特性有效解決了當(dāng)下實(shí)驗(yàn)教學(xué)中材料成本高、準(zhǔn)備時(shí)間久、課堂效率低等問題，適宜在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加以利用。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)室支持下的不同類型化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新

通過對(duì)已有文獻(xiàn)的查閱，發(fā)現(xiàn)學(xué)者們目前對(duì)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的分類主要包括以下幾種：根據(jù)操作主體是教師或?qū)W生分為教師演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)、師生互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；［6］根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為基礎(chǔ)技能實(shí)驗(yàn)教學(xué)、性質(zhì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)教學(xué)、表征分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)、基礎(chǔ)合成實(shí)驗(yàn)教學(xué)、專業(yè)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)教學(xué)、創(chuàng)新訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)教學(xué)；［7］根據(jù)技能認(rèn)知目標(biāo)分為體驗(yàn)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)、應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)教學(xué)、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)；［8］根據(jù)促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的功能分為形成性實(shí)驗(yàn)教學(xué)、操作性實(shí)驗(yàn)教學(xué)、探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。虛擬實(shí)驗(yàn)室相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，其特有的信息化技術(shù)使得化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能有了新的突破，如帶來傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以呈現(xiàn)的微觀視角或具體到每一個(gè)實(shí)驗(yàn)操作的細(xì)節(jié)指導(dǎo)等；化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能或目的在于使學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含的化學(xué)原理、掌握完成實(shí)驗(yàn)所需的化學(xué)技能以及進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。本研究充分考慮虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的功能特點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值，建立適合于探討利用技術(shù)開展創(chuàng)新實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)教學(xué)分類，并展開實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新策略的研究。

1.虛實(shí)結(jié)合，感知“微”“能”變化——認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生從直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中獲得正確、全面的化學(xué)概念認(rèn)知的教學(xué)過程，其“重感知，旨在形成化學(xué)概念的認(rèn)知”。認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)或教師演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生著重對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察，通過感受實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中物質(zhì)的某種特性或變化，形成對(duì)該現(xiàn)象的正確認(rèn)知，最終轉(zhuǎn)化形成化學(xué)概念。但在此教學(xué)過程中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法呈現(xiàn)反應(yīng)過程中的微觀變化與能量變化，教師僅能通過板書或播放動(dòng)畫等形式替代講解，不能將微觀或能量變化與宏觀現(xiàn)象直觀地聯(lián)系起來，使得學(xué)生理解知識(shí)時(shí)存在一定困難。

虛擬實(shí)驗(yàn)室的引入可以讓認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)驗(yàn)課題創(chuàng)設(shè)和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。在實(shí)驗(yàn)課題創(chuàng)設(shè)上，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能讓學(xué)生觀察到宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)課題也只能局限于宏觀層面。而虛擬實(shí)驗(yàn)室在模擬出豐富宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，還能展現(xiàn)反應(yīng)中的微觀變化和能量變化，使學(xué)生對(duì)反應(yīng)原理和規(guī)律形成深入理解。因此引入虛擬實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以創(chuàng)設(shè)一些包含化學(xué)反應(yīng)的微觀變化和能量變化規(guī)律認(rèn)知的實(shí)驗(yàn)課題，如化學(xué)鍵形成、化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)等。

同樣，在認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，相應(yīng)地，在上述以微觀變化和能量變化為主題的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)室精細(xì)設(shè)計(jì)反應(yīng)微觀變化和能量變化的內(nèi)容，如在講解反應(yīng)熱與焓變知識(shí)時(shí)，在開展一些帶領(lǐng)學(xué)生感受反應(yīng)吸熱放熱、測(cè)定中和熱的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的基礎(chǔ)上，還可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)室增加對(duì)反應(yīng)物、生成物能量模擬的實(shí)驗(yàn)，如圖3所示，讓學(xué)生將代表反應(yīng)物和生成物的能量球放在能量模型中不同高低的位置，結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)室模擬的動(dòng)態(tài)能量變化曲線，更深入地理解ΔH這一概念。

圖3 焓變虛擬實(shí)驗(yàn)

此類基于虛擬實(shí)驗(yàn)室探索反應(yīng)微觀本質(zhì)或能量變化規(guī)律的認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的教學(xué)組織，強(qiáng)調(diào)對(duì)微觀本質(zhì)或能量變化規(guī)律的直觀現(xiàn)象觀察和對(duì)應(yīng)的宏觀現(xiàn)象觀察的結(jié)合，這樣學(xué)生可以由宏觀出發(fā)，產(chǎn)生對(duì)微觀變化或能量變化的猜想或推理，并通過直觀的模擬現(xiàn)象的觀察得以驗(yàn)證或修正。為此，該類實(shí)驗(yàn)通常以虛實(shí)結(jié)合，即真實(shí)實(shí)驗(yàn)（教師真實(shí)演示實(shí)驗(yàn)）和虛擬實(shí)驗(yàn)（虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)）結(jié)合的策略開展認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，第一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行真實(shí)的教師演示實(shí)驗(yàn)，以講解人教版必修二化學(xué)反應(yīng)與電能關(guān)系的知識(shí)時(shí)，教材建議進(jìn)行的銅鋅原電池實(shí)驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)是學(xué)生首次接觸原電池知識(shí)，并且由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置效率較低，會(huì)出現(xiàn)鋅片上也產(chǎn)生氣泡的非理想情況現(xiàn)象，若直接在此處進(jìn)行電化學(xué)原理講解，學(xué)生往往難以理解。為了讓學(xué)生更清晰地理解此過程，認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的第二個(gè)環(huán)節(jié)，使用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。該銅鋅原電池虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M了原電池效率最大的情況，規(guī)避連接導(dǎo)線后鋅片上也產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，并且將肉眼看不到的微觀物質(zhì)，如電子、離子以特定符號(hào)的形式呈現(xiàn)，如圖4所示，將Zn2+、SO2-4、H+、電子用標(biāo)記有化學(xué)符號(hào)的小球表示，呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的電子轉(zhuǎn)移過程：鋅片失去電子變成鋅離子，失去的電子經(jīng)過導(dǎo)線傳到銅片一側(cè)，溶液中的氫離子得到該電子變成氫氣。虛擬實(shí)驗(yàn)直觀地呈現(xiàn)了反應(yīng)的微觀實(shí)質(zhì)，極大地促進(jìn)了學(xué)生對(duì)原電池知識(shí)的消化。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)于該實(shí)驗(yàn)還加快了鋅片的腐蝕效率，使學(xué)生可以迅速觀察到鋅片大量溶解，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象印象更深刻。形成型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最后環(huán)節(jié)，教師要比較說明真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)差異的原因，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含的化學(xué)原理進(jìn)行總結(jié)梳理，確保學(xué)生形成正確認(rèn)知。

圖4 銅鋅原電池虛擬實(shí)驗(yàn)

2.大膽試錯(cuò)，操作監(jiān)督強(qiáng)化——操作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

操作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生在教師講解完實(shí)驗(yàn)基本知識(shí)后，自行使用實(shí)驗(yàn)儀器和藥品，搭建裝置啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，形成并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論的教學(xué)過程。操作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)要“重操作，旨在強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)方法的訓(xùn)練”，這一過程中“操作”訓(xùn)練格外重要，通過讓學(xué)生學(xué)會(huì)組裝儀器、理清實(shí)驗(yàn)操作邏輯、規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)，進(jìn)而使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方法得到訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)得以提升。但傳統(tǒng)操作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，為保護(hù)學(xué)生人身安全，教師常會(huì)“束縛”學(xué)生的一些操作嘗試，這不利于學(xué)生創(chuàng)新精神及批判性思維的培養(yǎng)；并且由于課堂學(xué)生過多，教師無法為每一位學(xué)生提供細(xì)致的監(jiān)督指導(dǎo)，學(xué)生的一些操作陋習(xí)可能遲遲得不到糾正。

虛擬實(shí)驗(yàn)室的引入可以讓操作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)課題和教學(xué)內(nèi)容擁有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)課題創(chuàng)設(shè)上，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往只引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)正確的實(shí)驗(yàn)操作步驟，尤其考慮到在真實(shí)條件下進(jìn)行錯(cuò)誤操作會(huì)因反應(yīng)現(xiàn)象劇烈甚至實(shí)驗(yàn)儀器爆炸等對(duì)學(xué)生造成傷害，以及如有機(jī)合成中錯(cuò)誤操作會(huì)生成大量副產(chǎn)物，浪費(fèi)藥品且伴隨未知風(fēng)險(xiǎn)，故傳統(tǒng)操作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課題往往是某一溶液的配制、某一物質(zhì)的制備等。但這種直指正確實(shí)驗(yàn)操作、回避實(shí)驗(yàn)“意外”結(jié)果的實(shí)驗(yàn)課題不利于學(xué)生批判性思維的培養(yǎng)，學(xué)生會(huì)認(rèn)為實(shí)驗(yàn)就應(yīng)該那樣做，而忽略對(duì)更改某一實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)是否會(huì)得到完全不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的思考，創(chuàng)新能力也沒能得到良好提升。虛擬實(shí)驗(yàn)室顯然可以規(guī)避上述風(fēng)險(xiǎn)或資源浪費(fèi)，引入虛擬實(shí)驗(yàn)室的操作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以創(chuàng)設(shè)一些非理想情況的實(shí)驗(yàn)課題，從批判性的角度、考慮實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤操作帶來的后果的角度創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)課題，如將濃硫酸稀釋實(shí)驗(yàn)變?yōu)椤皾饬蛩嵯♂屨_與錯(cuò)誤操作結(jié)果對(duì)比”，將乙炔的制備實(shí)驗(yàn)變?yōu)椤耙胰仓苽鋾r(shí)除雜與否帶來的現(xiàn)象差異”，將乙酸乙酯的制備延伸為“乙酸乙酯制備中何時(shí)有副產(chǎn)物生成？”等等。

在操作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，虛擬實(shí)驗(yàn)室的AI語(yǔ)音助手、對(duì)學(xué)生錯(cuò)誤操作的允許及錯(cuò)誤操作后的“慘烈”后果提醒、實(shí)驗(yàn)打分功能是其相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一大優(yōu)勢(shì)，因此我們可以充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)室的這些功能，來優(yōu)化涉及多個(gè)環(huán)節(jié)、操作較為復(fù)雜、存在關(guān)鍵易錯(cuò)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)，以及用到有毒有害的有機(jī)試劑、存在一定危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。如在苯的溴代反應(yīng)、苯的硝化反應(yīng)、石油的分餾等實(shí)驗(yàn)教學(xué)中就可以讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中預(yù)習(xí)或直接虛擬實(shí)驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的監(jiān)測(cè)功能，使學(xué)生的每一步實(shí)驗(yàn)操作都得到認(rèn)可或指正。

此類基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的操作型實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的教學(xué)組織，強(qiáng)調(diào)學(xué)生親自實(shí)踐，并通過教師提示或自身反思總結(jié)實(shí)驗(yàn)操作中的問題，最后再進(jìn)行操作以加強(qiáng)感受和加深印象。在具體的教學(xué)組織中，首先，讓學(xué)生自行實(shí)驗(yàn)。以人教版高中化學(xué)選擇性必修三“烯烴炔烴”中乙炔的化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)為例，教師在講解完乙炔的結(jié)構(gòu)后，請(qǐng)學(xué)生使用虛擬實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證：乙炔可以像乙烯一樣發(fā)生氧化反應(yīng)和加成反應(yīng)嗎？學(xué)生按照教材的提示自行使用儀器藥品、搭建裝置、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這一過程中，教師不要講解實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵細(xì)節(jié)，讓學(xué)生大膽嘗試。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，虛擬實(shí)驗(yàn)室會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行反饋，給出實(shí)驗(yàn)得分并告知學(xué)生扣分原因。接著，教師結(jié)合學(xué)生失誤點(diǎn)，講述實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)。如乙炔的化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生往往會(huì)未打開分液漏斗活塞就擰開分液漏斗旋塞進(jìn)行滴液，將使用后的導(dǎo)管直接放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，以及忽略將使用完的試劑瓶放回原處等細(xì)節(jié)，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往一個(gè)教師監(jiān)管多名學(xué)生，教師精力不夠，學(xué)生的這些失誤常被忽略，而虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的全程監(jiān)測(cè)可以很好地解決這一問題。此外，實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生若忘記搭建除雜裝置，虛擬實(shí)驗(yàn)室不會(huì)立刻阻止學(xué)生，而是在整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置搭建完畢，正式開始實(shí)驗(yàn)，生成的乙炔通入后續(xù)溶液時(shí)才跳出錯(cuò)誤提示，告知學(xué)生制得的乙炔不純，要檢查裝置重新實(shí)驗(yàn)。這種呈現(xiàn)的時(shí)機(jī)給予了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的思考空間，并加深學(xué)生對(duì)錯(cuò)誤操作的認(rèn)知。教師與虛擬實(shí)驗(yàn)室的合力讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作流程、細(xì)節(jié)更深刻地掌握。最后，學(xué)生再次實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室因其操作簡(jiǎn)便和能加快反應(yīng)進(jìn)程，可以大大節(jié)約時(shí)間，因此允許學(xué)生在課堂上結(jié)合前次的錯(cuò)誤原因，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)操作，重新實(shí)驗(yàn)，直至最后得到滿分。乙炔的化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置圖及實(shí)驗(yàn)得分如圖5所示。

圖5 a：乙炔的化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置；b：實(shí)驗(yàn)得分及扣分點(diǎn)

3.資源無限，課題創(chuàng)設(shè)優(yōu)化——設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)是指學(xué)生在教師創(chuàng)設(shè)的實(shí)驗(yàn)情境下，即教師給定實(shí)驗(yàn)課題和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，學(xué)生利用已有化學(xué)知識(shí)或查閱其他資料，以獨(dú)立自主或小組討論的形式設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案，最后分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的教學(xué)過程。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)要“重設(shè)計(jì)，旨在推動(dòng)創(chuàng)新能力的提升”，此種教學(xué)是對(duì)學(xué)生能否靈活運(yùn)用化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)技能的考驗(yàn)，學(xué)生在該過程中要大膽設(shè)計(jì)、敢于嘗試、以求突破，對(duì)實(shí)驗(yàn)不斷涌出新想法的過程正是對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此教師要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性做“設(shè)計(jì)”，激發(fā)學(xué)生潛能。但由于學(xué)校實(shí)際實(shí)驗(yàn)資源、化學(xué)課時(shí)的局促，限制了設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開設(shè)內(nèi)容與次數(shù)，教師、學(xué)生空有好想法卻無法實(shí)施。

虛擬實(shí)驗(yàn)室開放、無限的實(shí)驗(yàn)資源，靈活、自主的實(shí)驗(yàn)方式可以為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)驗(yàn)課題開發(fā)、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和活動(dòng)開展方面均帶來創(chuàng)新空間。在設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)課題開發(fā)和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)常因?qū)嶒?yàn)儀器、藥品資源不足，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料時(shí)間過長(zhǎng)等受到局限，而虛擬實(shí)驗(yàn)室的線上資源庫(kù)可以很好地克服這一困難。教師可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)室中的資源，從對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的拓展和對(duì)教材實(shí)驗(yàn)方法的生活化應(yīng)用兩個(gè)角度構(gòu)建設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)課題及其具體教學(xué)內(nèi)容。第一，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的拓展，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室向?qū)W生展示現(xiàn)代化的儀器如氧彈量熱儀、電化學(xué)工作站等，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)這些儀器的功能對(duì)教材某一實(shí)驗(yàn)的原有實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)，以期優(yōu)化達(dá)成該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的路徑，教學(xué)最后還可以引導(dǎo)學(xué)生比較使用新儀器后的結(jié)果與原有實(shí)驗(yàn)的不同。第二，對(duì)教材實(shí)驗(yàn)方法的生活化應(yīng)用，在虛擬實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)用教材講述的物質(zhì)檢測(cè)等方法對(duì)一系列生活中常見物質(zhì)進(jìn)行遷移應(yīng)用，鞏固學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方法的掌握，并進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

在設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的活動(dòng)開展方面，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中因條件、時(shí)間、安全性等因素的限制，學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的環(huán)節(jié)只能停留在查閱文獻(xiàn)、小組討論、請(qǐng)教老師的層面，而虛擬實(shí)驗(yàn)室的引入為學(xué)生設(shè)計(jì)方案的過程提供了試錯(cuò)的機(jī)會(huì)，學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)室反饋的“報(bào)錯(cuò)”“無現(xiàn)象”等結(jié)果輸出、原因提示和現(xiàn)象呈現(xiàn)對(duì)方案不斷進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化和迭代，將設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的教學(xué)活動(dòng)移步至虛擬實(shí)驗(yàn)室中。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)室還可以允許學(xué)生通過不同的電子設(shè)備進(jìn)入同一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，這就支持學(xué)生以小組合作的形式，在同一虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)上合力取用藥品、搭建實(shí)驗(yàn)裝置、完成實(shí)驗(yàn)，避免了組內(nèi)因分工不同使得一些同學(xué)沒有實(shí)驗(yàn)參與感、交互感的情況發(fā)生。

此類基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的教學(xué)組織，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體性，學(xué)生要靈活調(diào)用各類資源為方案的設(shè)計(jì)服務(wù)，勇于在不斷受挫中更新迭代實(shí)驗(yàn)方案，推動(dòng)自身創(chuàng)新能力的提升。具體的教學(xué)過程可以按照“創(chuàng)設(shè)情境-原理提示-設(shè)計(jì)方案-方案修訂-實(shí)施方案-結(jié)果總結(jié)”的流程開展。例如教師在講解人教版選擇性必修一“水的電離和溶液的pH”時(shí)，可以在教材內(nèi)容基礎(chǔ)上增設(shè)拓展性實(shí)驗(yàn)——滴定檢測(cè)桃汁中維生素C含量，開展設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教師先創(chuàng)設(shè)情境，介紹維生素C美白、延緩衰老等的作用，激發(fā)學(xué)生對(duì)桃汁中維生素C含量測(cè)定的興趣；接著給出原理提示：維生素C可以和單質(zhì)碘反應(yīng)；單質(zhì)碘易升華，實(shí)驗(yàn)中用到單質(zhì)碘時(shí)一般由碘酸鉀與碘化鉀在酸性條件下反應(yīng)現(xiàn)制備；淀粉遇碘變藍(lán)等。至此，學(xué)生開始靈活調(diào)用各種資源設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，在本課題下學(xué)生經(jīng)常會(huì)忽視加鹽酸使體系呈酸性，對(duì)哪些溶液放在滴定管、哪些溶液放在錐形瓶一籌莫展，以及搞不清各種溶液濃度、體積的比例，這些問題可以都通過小組討論的形式、或在虛擬實(shí)驗(yàn)室和教師的幫助下解決。方案修訂完成后，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行對(duì)桃汁中維生素C含量的定量檢測(cè)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。滴定檢測(cè)桃汁中維生素C含量虛擬實(shí)驗(yàn)滴定過程及滴定終點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖6所示。

圖6 a：滴定過程；b：滴定終點(diǎn)

三、總結(jié)與展望

作為目前最受期待的教育技術(shù)之一，虛擬實(shí)驗(yàn)室具有應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)課堂的巨大潛力。本研究充分考慮虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的功能特點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值，建立適合于探討利用技術(shù)開展創(chuàng)新實(shí)踐的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)分類，即認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)教學(xué)、操作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并從課題創(chuàng)設(shè)、內(nèi)容設(shè)計(jì)或活動(dòng)開展角度展開基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新策略的研究。

研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠呈現(xiàn)反應(yīng)微觀變化和能量變化的優(yōu)點(diǎn)，以真實(shí)實(shí)驗(yàn)（教師真實(shí)演示實(shí)驗(yàn)）和虛擬實(shí)驗(yàn)（虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)）結(jié)合的策略促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)概念的認(rèn)知。操作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)設(shè)批判性的、允許錯(cuò)誤操作發(fā)生的實(shí)驗(yàn)課題，優(yōu)化繁瑣、有毒的實(shí)驗(yàn)，并以學(xué)生先親自實(shí)踐，教師提示或自身反思總結(jié)實(shí)驗(yàn)操作中的問題，最后再進(jìn)行操作加強(qiáng)感受和加深印象的策略開展教學(xué)組織，通過教師與虛擬實(shí)驗(yàn)室的合力讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作流程、細(xì)節(jié)更深刻地掌握。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室的資源，從對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的拓展和對(duì)教材實(shí)驗(yàn)方法的生活化應(yīng)用兩個(gè)角度來創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)課題及其具體內(nèi)容，以鼓勵(lì)學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中試錯(cuò)、修改、完成實(shí)驗(yàn)方案的策略，使學(xué)生的創(chuàng)新能力得到提升。虛擬實(shí)驗(yàn)室引入后對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和活動(dòng)形式的同步創(chuàng)新，更有助于學(xué)生設(shè)計(jì)方案本領(lǐng)的提升，更大限度地激發(fā)出創(chuàng)新潛能。

但由于技術(shù)方面的限制，虛擬實(shí)驗(yàn)室如今在教學(xué)方面的使用還有一些遺憾，比如沒有氣味，部分實(shí)驗(yàn)會(huì)存在顏色失真、操作有失規(guī)范的情況，希望隨著科技的發(fā)展，這些遺憾可以盡早解決，未來虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到更廣泛的應(yīng)用。