培養(yǎng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

☆ 張如靜 楊化剛

（1．聊城大學(xué)傳媒技術(shù)學(xué)院，山東聊城252059； 2．聊城大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院 山東聊城 252059）

前言

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，從新元素的發(fā)現(xiàn)，新化合物的合成，到化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的研究，各種假設(shè)、理論的證實(shí)都離不開化學(xué)實(shí)驗(yàn)；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)亦是自然科學(xué)研究問題的最重要最基本的方法之一。然而，在“化學(xué)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)” 的教學(xué)觀已普遍為大家所接受的同時(shí)，人們對(duì)“以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)”及“化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能的形成”的理解還沒有完全上升到理性的高度，實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中最薄弱的環(huán)節(jié)。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中引進(jìn)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)出的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，在增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、提高實(shí)驗(yàn)效率、避免人身傷害和節(jié)約費(fèi)用等方面有著傳統(tǒng)手段不可比擬的優(yōu)勢(shì)，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)和造就創(chuàng)造性人才，有著十分重要的意義。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)概述

虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)效果等于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。[1]

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性、交互性、想象性等特征，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面有以下優(yōu)點(diǎn):[2]

1．吸引學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性

在虛擬實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生可以按自己的想法做任何化學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過自己的參與來認(rèn)識(shí)化學(xué)現(xiàn)象，了解物質(zhì)的屬性，以獲得對(duì)課本知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，由此，化學(xué)不再是枯燥的只強(qiáng)調(diào)死記硬背的學(xué)科，學(xué)生通過做實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐中學(xué)習(xí)新知識(shí)、復(fù)習(xí)舊知識(shí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性。

2．有利于避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)帶來的各種危險(xiǎn)

由于化學(xué)自身的學(xué)科特性，相當(dāng)一部分實(shí)驗(yàn)有一定的危險(xiǎn)性，在虛擬實(shí)驗(yàn)室中這些實(shí)驗(yàn)仍舊可以通過虛擬操作進(jìn)行。虛擬的化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以避免腐蝕性物品帶來的危險(xiǎn)，也可以避免化學(xué)反應(yīng)引發(fā)的燃燒、爆炸等現(xiàn)象對(duì)人身或?qū)嶒?yàn)室造成損失。

3．打破現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)所受的時(shí)空限制

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室由于受時(shí)間和空間的限制，一部分教學(xué)內(nèi)容無法以生動(dòng)的形象呈現(xiàn)給學(xué)生。而在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以打破這種限制。例如：要認(rèn)識(shí)化學(xué)分子的結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以進(jìn)入到化學(xué)分子的內(nèi)部，分析各種物品分子結(jié)構(gòu)有何不同。有些化學(xué)反應(yīng)需要較長時(shí)間才能觀察出結(jié)果，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果不容易得到，而在虛擬實(shí)驗(yàn)室可以在很短的時(shí)間內(nèi)由學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)。

4．避免材料磨損

學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中通過操作虛擬儀器以及虛擬物品來觀察、參與化學(xué)實(shí)驗(yàn)，不會(huì)耗費(fèi)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)材料。另外，虛擬實(shí)驗(yàn)室不會(huì)出現(xiàn)任何磨損、破壞，可反復(fù)使用。學(xué)生可多次進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室練習(xí)實(shí)驗(yàn)以訓(xùn)練其實(shí)驗(yàn)操作技能。既滿足了教學(xué)需求，又提高了教學(xué)效益，同時(shí)減少實(shí)驗(yàn)損耗。

5．可有效地提高學(xué)生的動(dòng)手能力

虛擬實(shí)驗(yàn)允許學(xué)生按自己的設(shè)想動(dòng)手，參與或從事實(shí)驗(yàn)研究，允許學(xué)生失敗、允許犯錯(cuò)誤，允許儀器設(shè)備“損壞”或“災(zāi)難性事故”的發(fā)生并通過正、反兩方面增加和培養(yǎng)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。

二、傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是在一定的教學(xué)思想指導(dǎo)下，圍繞著教學(xué)活動(dòng)中某一主題而形成的相對(duì)穩(wěn)定的、系統(tǒng)化的、理論化的方案，是教學(xué)理論和教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的橋梁和中介，也是一種化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)范型。[3]圖1 所示為傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

圖1 傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[4]

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足在于：

（1）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)多是以教師為主，學(xué)生按部就班，處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的地位，即“填鴨式”的教學(xué)，往往是教師講、學(xué)生做，以得到數(shù)據(jù)或觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果為目的。

（2）不能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性和主動(dòng)性，不利于學(xué)生創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)。

（3）正是因?yàn)橐缘玫綌?shù)據(jù)或觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果為目的，忽略了對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)，不利于學(xué)生形成較強(qiáng)的動(dòng)手能力，也難以使學(xué)生形成科學(xué)探究的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

三、虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

利用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，要以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能為目的，就必須注意學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，即認(rèn)知階段、聯(lián)系形成階段和自動(dòng)化階段。[5]一些學(xué)者提出了化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作技能的培養(yǎng)策略：教師啟發(fā)講授、教師示范、有指導(dǎo)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)、學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)等。[6]

因此，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)包含如下過程：用虛擬實(shí)驗(yàn)給學(xué)生演示示范實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)過程，待學(xué)生基本理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，給學(xué)生一定的交互進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪７虏僮鳎谶M(jìn)入學(xué)生技能學(xué)習(xí)的聯(lián)系階段時(shí)，讓學(xué)生進(jìn)入實(shí)物實(shí)驗(yàn)階段，將原來在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)習(xí)到的化學(xué)知識(shí)以及一長串分開的實(shí)驗(yàn)操作向現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作遷移轉(zhuǎn)化。隨著實(shí)物實(shí)驗(yàn)的多次練習(xí)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)作由最初的呆板到協(xié)調(diào)、靈活，并逐步將學(xué)習(xí)到的化學(xué)知識(shí)內(nèi)化到自身知識(shí)結(jié)構(gòu)中，并進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)技能形成的自動(dòng)化階段。

根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的形成過程，提出如圖2 所示的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用模式圖

圖2 中的模式是先做虛擬實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)又分為操作示范和分步操作兩個(gè)階段，讓學(xué)生在初步了解所需掌握實(shí)驗(yàn)技能的情況下再進(jìn)行模仿操作，并將需要掌握的實(shí)驗(yàn)技能盡可能地細(xì)化、分解動(dòng)作，以加深學(xué)生對(duì)技能的理解、提高學(xué)生學(xué)習(xí)技能的效率。在學(xué)生逐步了解該化學(xué)實(shí)驗(yàn)并對(duì)所需掌握的技能有了一定的內(nèi)化認(rèn)識(shí)之后再加入實(shí)物實(shí)驗(yàn)，以促進(jìn)學(xué)生頭腦中對(duì)所要學(xué)習(xí)的技能的認(rèn)識(shí)向現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)技能遷移。多次進(jìn)行實(shí)物操作實(shí)驗(yàn)直至學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)技能。

最后，在應(yīng)用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，在肯定虛擬技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面有效性的同時(shí)還要處理好虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系。明確虛擬實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的輔助和深化，并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)際實(shí)驗(yàn)，要將虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能并促進(jìn)學(xué)生形成科學(xué)探索精神。

四、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型

培養(yǎng)中學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程是基于一般的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)過程、對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)并通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。因此，可利用教學(xué)設(shè)計(jì)的一些理論和方法指導(dǎo)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

圖3 是烏美娜于1994 年歸納出的教學(xué)設(shè)計(jì)過程的一般模型。[7]

圖3 教學(xué)設(shè)計(jì)的一般模型

分析教學(xué)設(shè)計(jì)模型，包含的基本要素有四個(gè)：學(xué)習(xí)者分析、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)策略（如何進(jìn)行教學(xué)）、教學(xué)評(píng)價(jià)。因此，在設(shè)計(jì)培養(yǎng)中學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)可從前期分析（學(xué)習(xí)者分析、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容分析等），場(chǎng)景設(shè)計(jì)，總結(jié)與評(píng)價(jià)三個(gè)方面入手。而虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)還要有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持。這是在設(shè)計(jì)以培養(yǎng)中學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能為目的的虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該考慮的四個(gè)方面。

培養(yǎng)中學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程是基于一般的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)過程、對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)并通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，因此，借鑒教學(xué)設(shè)計(jì)模型并根據(jù)技能形成的教學(xué)理論，筆者提出了培養(yǎng)中學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型（如圖4 所示）。

圖4 培養(yǎng)中學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型

1．前期分析

以實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)為導(dǎo)向的虛擬實(shí)驗(yàn)是基于一般的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)過程，設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)遵循虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性原則，首先，需要了解要設(shè)計(jì)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)才能確定該虛擬實(shí)驗(yàn)所要傳授的是什么樣的化學(xué)知識(shí)、意在培養(yǎng)學(xué)生的哪種實(shí)驗(yàn)技能（如使用某種儀器的技能、藥品取用的技能等等）。根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)理論應(yīng)先了解學(xué)生已有的化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)以及學(xué)生已掌握的實(shí)驗(yàn)中包含的技能，盡可能避免在開發(fā)過程中浪費(fèi)物力、人力。

2．場(chǎng)景設(shè)計(jì)

根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)策略將場(chǎng)景分為自動(dòng)演示、實(shí)驗(yàn)說明、分步操作三個(gè)部分。自動(dòng)演示用于向?qū)W生演示整個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程以及發(fā)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；實(shí)驗(yàn)說明用于向?qū)W生說明該實(shí)驗(yàn)的步驟和化學(xué)反應(yīng)方程式；這兩個(gè)部分起到教師示范的作用，對(duì)應(yīng)于學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作技能的認(rèn)知期心理特征。分步操作部分根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的具體步驟以及該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)再確定虛擬實(shí)驗(yàn)中要實(shí)現(xiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)操作，并賦予合適的實(shí)驗(yàn)效果。

3．技術(shù)實(shí)現(xiàn)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)即用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)，由于虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備過于昂貴，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)形式大多是桌面虛擬現(xiàn)實(shí)。整個(gè)開發(fā)過程主要包括實(shí)物建模、添加交互、作品發(fā)布三個(gè)步驟。實(shí)物建模主要是對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)中所涉及到的實(shí)驗(yàn)物品、實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬，根據(jù)實(shí)驗(yàn)成本以及實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)所占比重可選擇適合的虛擬技術(shù)或建模軟件，也就是虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的適宜化原則。添加交互是在虛擬場(chǎng)景中給物品與物品之間及用戶操作達(dá)到某種效果添加交互以給學(xué)生一定的反饋，并保證反饋的科學(xué)性。作品發(fā)布包括單機(jī)發(fā)布以及發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上兩種，發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上更能突破時(shí)間、空間的束縛，使更多的人能使用該虛擬實(shí)驗(yàn)。

4．修改與評(píng)價(jià)

根據(jù)前三個(gè)階段所做的工作或請(qǐng)教化學(xué)教師檢驗(yàn)開發(fā)出的虛擬實(shí)驗(yàn)是否設(shè)計(jì)合理、科學(xué)，并做出適當(dāng)修改，根據(jù)學(xué)生的基本能力（化學(xué)概念的掌握、所授化學(xué)知識(shí)是否理解）掌握程度，在學(xué)生進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作后檢驗(yàn)其在虛擬實(shí)驗(yàn)中所學(xué)是否遷移到現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中，以評(píng)價(jià)該虛擬實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)中學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能方面是否有效。

從圖4 中我們也可看出，這四個(gè)組成部分是缺一不可的，前期分析是進(jìn)行培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，只有做了前期分析才能進(jìn)行下面的工作，而場(chǎng)景設(shè)計(jì)又是技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，正是基于這三個(gè)步驟才能對(duì)開發(fā)出的虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修改與評(píng)價(jià)，以保證其科學(xué)性和有效性。

五、總結(jié)

虛擬實(shí)驗(yàn)不僅能避免真實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)所帶來的各種危險(xiǎn)，還能打破時(shí)空限制實(shí)時(shí)實(shí)地地給學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)條件，同時(shí)，還能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，有效提高學(xué)生動(dòng)手能力。本文結(jié)合操作技能培養(yǎng)教學(xué)理論，參考傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提出虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，并提出以培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能為導(dǎo)向的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開發(fā)模型，在未來研究中有待進(jìn)一步實(shí)踐，并對(duì)實(shí)驗(yàn)效果與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證該設(shè)計(jì)理論的科學(xué)性并加以推廣。

[1] 單美賢,李藝．虛擬實(shí)驗(yàn)原理與教學(xué)應(yīng)用[M]．北京:教育科學(xué)出版社,2005:23－24．

[2] 瞿 ．網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)的研究與教學(xué)[J]．開放教育研究,2004,(4):62－64．

[3] 熊言林．化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)論[M]．合肥:安徽大學(xué)出版社,2004:32－34．

[4] 張靖方．虛擬技術(shù)及其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]．吉林工程師范學(xué)院學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2004,(6):44－46．

[5] 邵瑞珍等．學(xué)與教的心理學(xué)[M]．上海:華東師范大學(xué)出版社,1990:10．

[6] 麻昌愛．中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作技能學(xué)習(xí)策略初探[J]．中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考,2001,(4):32－33．

[7] 烏美娜．教學(xué)設(shè)計(jì)[M]．北京:高等教育出版社,1994:11－12．