翻轉(zhuǎn)課堂與虛擬技術(shù)在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究*

☆王紅玉趙冬梅梁小帆李夢菲張紅新趙靜茹

（河北師范大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，河北石家莊050024）

翻轉(zhuǎn)課堂與虛擬技術(shù)在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究*

☆王紅玉趙冬梅梁小帆李夢菲張紅新趙靜茹

（河北師范大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，河北石家莊050024）

虛擬仿真技術(shù)與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的迅速發(fā)展與完善，使其成為了優(yōu)化教學(xué)的有效手段。文章首先調(diào)查了偏遠(yuǎn)地區(qū)初中化學(xué)學(xué)科的教學(xué)現(xiàn)狀，然后研究了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式以及虛擬技術(shù)相關(guān)理論，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況提出了基于翻轉(zhuǎn)課堂與虛擬技術(shù)的初中化學(xué)教學(xué)方案。該方案在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，引入了虛擬技術(shù)，為學(xué)生提供更實用的教學(xué)資源，克服了實驗操作過程中存在的一些弊端，為解決信息技術(shù)教學(xué)面臨的困境探究出了一種可行的發(fā)展策略。

翻轉(zhuǎn)課堂；虛擬技術(shù)；化學(xué)實驗

一、概述

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，在義務(wù)教育階段化學(xué)課程以科學(xué)探究為主要教學(xué)方式。《全日制義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗稿）》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）［1］的教學(xué)理念強(qiáng)調(diào)，基礎(chǔ)教育的任務(wù)不僅僅是傳授知識，更重要的是變革傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式，改變單一的接受式學(xué)習(xí)，掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法。學(xué)習(xí)過程中注重學(xué)習(xí)的研究性、參與性、體驗性和實踐性，培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)的愿望和能力，促使學(xué)生知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀的整體發(fā)展。

《標(biāo)準(zhǔn)》對教學(xué)的方式、目標(biāo)有了更高的要求，但通過實地考察與訪談以及參閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)目前偏遠(yuǎn)地區(qū)的化學(xué)學(xué)科教學(xué)遇到的瓶頸主要有以下幾個方面。

（1）許多實驗在真實環(huán)境下具有難操作性、危險性、實驗周期長、實踐結(jié)果不明顯、藥品存在危害性以及實驗設(shè)備過于昂貴等情況，因此，在教學(xué)中這些實驗課程無法進(jìn)行實際操作練習(xí)。

（2）受到傳統(tǒng)教學(xué)模式以及中學(xué)升學(xué)考試的制約，教師對實驗教學(xué)的重視度偏低，實驗課的課時設(shè)置不寬裕，忽略學(xué)生實驗操作技能的培養(yǎng)。

（3）在崗教師缺乏教學(xué)技能的更新，在教學(xué)模式、教學(xué)策略的選擇上比較單一，多以講授法進(jìn)行實驗過程的描述。教師本身缺乏使用新媒體技術(shù)的操作技能，不能將新媒體有效整合到教學(xué)中。描述性的教學(xué)過程不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)學(xué)習(xí)主動性，使實驗教學(xué)效果大打折扣。

（4）偏遠(yuǎn)地區(qū)的教學(xué)現(xiàn)狀相對落后，在教學(xué)方式上大多仍采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式。受經(jīng)費的限制，實驗室設(shè)備陳舊，儀器老化且數(shù)量不足，可操作的實驗數(shù)量和規(guī)模有限。

要實現(xiàn)教學(xué)方式的變革與達(dá)到三維教學(xué)目標(biāo)，必須變革傳統(tǒng)的教學(xué)模式，嘗試與探索新的教學(xué)模式——翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式亦稱為反轉(zhuǎn)課堂或顛倒課堂［2］。所謂翻轉(zhuǎn)課堂，就是在信息化環(huán)境中，課程教師提供以視頻為主要形式的學(xué)習(xí)資源，學(xué)生在上課前完成對教學(xué)視頻等學(xué)習(xí)資源的觀看和學(xué)習(xí)，師生在課堂上一起完成作業(yè)答疑、協(xié)作探究和互動交流等活動的一種新型的教學(xué)模式［3］。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式的不同之處表現(xiàn)在：教師在課前給學(xué)生發(fā)布教學(xué)資源，學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)和自己的認(rèn)知情況，結(jié)合教學(xué)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)；教師在課堂內(nèi)作為教學(xué)的組織者、引導(dǎo)者、解惑者，學(xué)生在課堂內(nèi)作為學(xué)習(xí)主體，進(jìn)行知識的探究與內(nèi)化。

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式成為實現(xiàn)新課改三維目標(biāo)的橋梁，雖然這種新的教學(xué)模式的優(yōu)勢在其它學(xué)科中的效果十分顯著，但是在化學(xué)學(xué)科教學(xué)中的使用效果并不理想，制約因素如下：

（1）教學(xué)資源的形態(tài)：課程教師提供以視頻為主要形式的學(xué)習(xí)資源。然而，化學(xué)學(xué)科是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，學(xué)習(xí)化學(xué)的最好方法是實驗操作練習(xí)，學(xué)生自身通過對實驗以及實驗現(xiàn)象的觀察、記錄以及分析加強(qiáng)對化學(xué)原理的理解、學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法、獲取化學(xué)知識等。《標(biāo)準(zhǔn)》中，三維目標(biāo)的實現(xiàn)需要一個動手操作性的過程。

（2）教學(xué)資源的使用方式：學(xué)生通過微視頻資源進(jìn)行課前的自主學(xué)習(xí)。微視頻教學(xué)資源的學(xué)習(xí)，僅僅刺激學(xué)生的視覺與聽覺感知，無法實現(xiàn)多感觀的刺激以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生技能的操作性和科學(xué)的探究性的目標(biāo)。

這兩點因素嚴(yán)重制約新課改的《標(biāo)準(zhǔn)》中的教學(xué)理念的實現(xiàn)，即變革傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式，改變單一的接受性學(xué)習(xí)，掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，學(xué)習(xí)過程中注重學(xué)習(xí)的研究性、參與性、體驗性和實踐性，培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)的愿望和能力，促使學(xué)生知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀的整體發(fā)展。

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式有優(yōu)亦有弊，關(guān)鍵在于使用者如何把握。為了克服翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的弊端，特在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的教學(xué)資源中引入了虛擬技術(shù)。虛擬實驗以仿真化學(xué)實驗為主，融入了多媒體技術(shù)、虛擬技術(shù)等多項技術(shù)，目的在于為課下學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與科學(xué)探究提供學(xué)習(xí)平臺。

近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)成為計算機(jī)科學(xué)與其它技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域研究和開發(fā)的熱點。隨著此技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗在教育教學(xué)中發(fā)揮了重大作用，它具有知識綜合性、教學(xué)創(chuàng)新性、實驗應(yīng)用性的特點［4］，提高了學(xué)生分析解決問題的能力，解決了教學(xué)中教學(xué)過程過于抽象的問題。

二、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在化學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢

在化學(xué)教學(xué)中采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式有如下優(yōu)勢：

（1）教學(xué)環(huán)節(jié)方面：翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式徹底變革了傳統(tǒng)的教學(xué)方式。變革前的教學(xué)模式：課中教師講授知識，課后學(xué)生通過完成作業(yè)鞏固課堂知識。變革后的教學(xué)模式：課前學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)，自主安排學(xué)習(xí)時間和選擇學(xué)習(xí)地點，通過微視頻、電子素材進(jìn)行自主學(xué)習(xí)；課中則進(jìn)行答疑、解惑、協(xié)作、探究等活動；課后學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺，共享教學(xué)資源、交流所思、所想、所獲。

（2）師生角色方面：在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，教師一直處于主導(dǎo)和主動地位，是知識的傳播者，學(xué)生是被動的接受者。在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中，教師變成課程的分析者、制作者以及實施者，而學(xué)生轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極主動的參與者，學(xué)生可以按照自己的實際情況，自主安排學(xué)習(xí)時間和選擇學(xué)習(xí)地點，還可以結(jié)合自己的認(rèn)知程度，自由選擇觀看微視頻的范圍和次數(shù)，這可以避免學(xué)習(xí)的時間和節(jié)奏被教師主宰的現(xiàn)象，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主性學(xué)習(xí)能力的提高。

（3）教學(xué)資源方面：在傳統(tǒng)教學(xué)中，教學(xué)資源主要包括教材、講義、多媒體課件等。而在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中，短小精悍的微課視頻是最為重要的教學(xué)資源。

（4）教學(xué)環(huán)境方面：將一貫的教室授課環(huán)境變得多樣化，學(xué)習(xí)環(huán)境由以前單一的教室變得靈活。在課前學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以在有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的任何場所通過學(xué)習(xí)終端根據(jù)自己不同的情況選擇學(xué)習(xí)資源及學(xué)習(xí)進(jìn)度。學(xué)生可以進(jìn)行碎片化學(xué)習(xí)，從而更加高效地利用課余時間。

三、虛擬技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢

虛擬技術(shù)使用到化學(xué)實驗平臺有如下優(yōu)勢：

（1）開放性：平臺的使用不受時間和空間的約束，學(xué)生課下可以自由安排學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)環(huán)境，進(jìn)行課程的預(yù)習(xí)、技能鞏固、科學(xué)探究。

（2）仿真性：虛擬化學(xué)實驗是對現(xiàn)實化學(xué)實驗環(huán)境的模擬，學(xué)生通過仿真實驗平臺進(jìn)行實驗操作的預(yù)習(xí)、操作技能的訓(xùn)練、科學(xué)探究來學(xué)習(xí)現(xiàn)實生活中的知識。

（3）強(qiáng)交互性：通過虛擬實驗平臺進(jìn)行的實驗操作可以呈現(xiàn)類似真實實驗過程中的物理變化、化學(xué)變化和實驗結(jié)果具體的聲音、顏色、動態(tài)效果等。

（4）節(jié)約成本、降低危險度、減少污染：學(xué)生在課前通過平臺進(jìn)行實驗探究，可以初步掌握實際操作過程中儀器的使用方法、藥品的用量控制、實驗操作過程中的注意事項、緊急情況的處理辦法以及實驗結(jié)束后實驗藥品的處理、儀器的清洗與歸置等操作。

（5）沉浸感：雖然脫離了真實實驗的操作環(huán)境，但此平臺的強(qiáng)交互性為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造類似真實實驗的身臨其境感，讓學(xué)習(xí)者在使用過程中沉浸其中。

四、基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模型的虛擬技術(shù)在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

在新課改的背景下，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在基礎(chǔ)學(xué)科中的應(yīng)用得到了推廣，但目前對于翻轉(zhuǎn)課堂在化學(xué)學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用研究甚少，主要制約因素是化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，義務(wù)教育階段化學(xué)課程以科學(xué)探究為主要教學(xué)方式。即使將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式引入化學(xué)學(xué)科教學(xué)達(dá)到變革教學(xué)結(jié)構(gòu)的目的，但也不能完全實現(xiàn)新課改的三維教學(xué)目標(biāo)。為了達(dá)到《標(biāo)準(zhǔn)》的要求，需要以翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上引入虛擬技術(shù)，即基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模型的虛擬技術(shù)在初中化學(xué)教學(xué)的應(yīng)用。以翻轉(zhuǎn)課堂模式為橋梁，學(xué)生通過微視頻進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，初步了解實驗教學(xué)中的操作技能以及實驗注意事項，然后通過移動終端可以進(jìn)行實驗的操作模擬，逼真的操作場景、人性化的操作界面、及時的結(jié)果反饋，這些都有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)科學(xué)探究的實現(xiàn)。

以加熱氯酸鉀制取氧氣為例，課前學(xué)生通過微視頻的初步學(xué)習(xí)，自己在仿真化學(xué)實驗室進(jìn)行實驗的操作，主要操作步驟如下：

（1）確定需要的實驗儀器、儀器的安裝。

（2）確定需要的化學(xué)藥品，根據(jù)需要量取用化學(xué)藥品并加入到實驗儀器中。

（3）檢查裝置的氣密性。

（4）仔細(xì)觀察實驗過程，記錄實驗現(xiàn)象。

（5）收集反應(yīng)產(chǎn)物，分析實驗結(jié)果。

（6）實驗裝置的拆卸、儀器的清洗與歸置。

圖1　加熱氯酸鉀制取氧氣實驗

課中，教師對學(xué)生存在的疑難問題進(jìn)行課堂答疑，重點強(qiáng)調(diào)實驗操作過程中的注意事項。有了課前的實驗操作過程的演示以及課上的疑難解答，此時再進(jìn)行真實實驗的操作不僅事半功倍，還可以降低實驗的危險性，減少實驗設(shè)備的損壞，降低對藥品及環(huán)境的污染，提高實驗操作的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)學(xué)生的操作技能。

課后，學(xué)生可以通過仿真化學(xué)實驗室進(jìn)行技能的鞏固練習(xí)，通過科學(xué)探究去改進(jìn)實驗，使學(xué)生積極主動地構(gòu)建化學(xué)知識，增強(qiáng)操作技能，掌握化學(xué)實驗操作過程的步驟及注意事項，培養(yǎng)對化學(xué)學(xué)科探究的情感，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，初步形成科學(xué)探究能力。

五、結(jié)束語

本文主要闡述了基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模型的虛擬技術(shù)在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究。筆者認(rèn)為，目前教師與學(xué)生對翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在教學(xué)中的應(yīng)用基本認(rèn)可，考慮到化學(xué)實驗教學(xué)的操作性與探究性，在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的基礎(chǔ)上引入了虛擬技術(shù)，為學(xué)生提供更實用的教學(xué)資源。虛擬實驗具備開放性、仿真性、強(qiáng)交互性、節(jié)約成本、降低危險度、減少污染、沉浸感等優(yōu)點，但虛擬實驗使用的普及需要一個過程。該平臺的使用主要在課下，學(xué)生必須具備一定的計算機(jī)操作技能，還需要具備學(xué)習(xí)的自主性與探究的積極性，這些問題的解決需要進(jìn)一步的研究。

［1］中華人民共和國教育部制定.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

［2］張明，郭小燕.“互聯(lián)網(wǎng)+”時代新型教育教學(xué)模式的研究與啟示——微課、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂［J］.電腦知識與技術(shù)，2015，（12）：167-171.

［3］鐘曉流，宋述強(qiáng)，焦麗珍.信息化環(huán)境中基于翻轉(zhuǎn)課堂理念的教學(xué)設(shè)計研究［J］.開放教育研究，2013，（01）：58-64.

［4］朱柱.基于Unity3D的虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究［D］.武漢：華中師范大學(xué)，2012，24（5）：3-7.

*項目：河北師范大學(xué)2016年大學(xué)生學(xué)術(shù)科技創(chuàng)新項目“翻轉(zhuǎn)課堂與虛擬技術(shù)在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究”（項目編號：BB201637393336）。

［編輯：鄭方林］

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A

1671-7503（2016）17-0031-03