初中化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

呂向南+趙一鳴

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體技術(shù)的普及，虛擬實(shí)驗(yàn)慢慢發(fā)展起來了，它可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，給學(xué)生帶來全新的體驗(yàn)。文章從教育技術(shù)學(xué)專業(yè)期刊中對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的文章數(shù)量、作者情況、研究?jī)?nèi)容進(jìn)行研究，對(duì)目前我國(guó)虛擬實(shí)驗(yàn)存在的問題和不足，提出相關(guān)的建議。

關(guān)鍵詞：化學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)；研究現(xiàn)狀

根據(jù)《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011）版》倡導(dǎo)在化學(xué)教學(xué)中創(chuàng)設(shè)以實(shí)驗(yàn)為主的科學(xué)探究活動(dòng)，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提供學(xué)生的科學(xué)探究能力。[1]而當(dāng)前實(shí)際的情況，由于經(jīng)濟(jì)的原因、安全的原因、環(huán)保的原因，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)不能完成這一要求。為了解決這一難題，化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)逐漸發(fā)展起來了，少數(shù)已經(jīng)運(yùn)用到了學(xué)習(xí)生活中。[2]本文針對(duì)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展在這一階段做一個(gè)總結(jié)性的研究，從中找出問題，解決問題。

1.研究資料的來源與統(tǒng)計(jì)

我國(guó)教育技術(shù)核心期刊上的文章能在一定程度上反映出我國(guó)教育技術(shù)研究領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。本文對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀分析的資料來源于中國(guó)教育技術(shù)的核心類期刊，選取了《電化教育研究》、《中國(guó)電化教育》、《遠(yuǎn)程教育雜志》、《中國(guó)信息技術(shù)教育》作為教育技術(shù)學(xué)代表期刊，使用萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行高級(jí)檢索，時(shí)間跨度為2003年到2013年，以主題為“化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行檢索，采用內(nèi)容分析法對(duì)近十年虛擬實(shí)驗(yàn)在我國(guó)的研究現(xiàn)狀及存在的問題進(jìn)行探究。從文章數(shù)量、作者情況和所研究?jī)?nèi)容三個(gè)方面進(jìn)行分析，了解目前虛擬實(shí)驗(yàn)在我國(guó)的研究現(xiàn)狀。分別針對(duì)以上六本雜志進(jìn)行分別搜索，在除去重復(fù)文章和非教學(xué)領(lǐng)域的文章，得到有效文章13篇，因此，本文最終應(yīng)用的文章有13篇。2003年至2013年中每年發(fā)表數(shù)量如表1所示。

筆者針對(duì)這幾篇文章的作者和所在單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）對(duì)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究的單位大多是高等院校，占總數(shù)的77%，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究的人員大都是高校的理工科的研究生，一線教師參與其中進(jìn)行研究的不多；（2）對(duì)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究的地區(qū)極度不平衡的，大多集中在吉林、陜西等地。

2.研究現(xiàn)狀

通過對(duì)這些文章的研究?jī)?nèi)容分析，這13篇文章可以歸納為化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)開發(fā)、教學(xué)模式、理論介紹、開發(fā)工具介紹、應(yīng)用研究、平臺(tái)介紹這幾個(gè)方面。如表3所示。其中教學(xué)模式占總數(shù)的31%，虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開發(fā)占總數(shù)的23%，理論介紹15%，開發(fā)工具介紹占15%，應(yīng)用研究和平臺(tái)介紹分別占總數(shù)的15%。文章沒有專門的介紹開發(fā)工具的篩選情況，因?yàn)榫臀恼伦髡叩膶W(xué)科背景來看，大都是教育技術(shù)專業(yè)。使用的開發(fā)工具二維虛擬實(shí)驗(yàn)居多，例如使用Flash、Actionscript語(yǔ)言、Flash3D進(jìn)行的開發(fā)，也有使用Virtools進(jìn)行化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)的，相對(duì)來說，使用三維虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)的不多，由于沉浸性不強(qiáng)，給人帶來的視覺沖擊強(qiáng)度不大。從圖中可以看出，理論研究居多，而實(shí)際在課堂中的運(yùn)用，反饋，反思則不多。另外，設(shè)計(jì)這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的人員大都是信息技術(shù)專業(yè)的，化學(xué)學(xué)科專業(yè)知識(shí)欠缺，也沒有相關(guān)專業(yè)人員的加入，是目前虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)的一大缺陷。

3.目前研究中存在的問題與建議

虛擬實(shí)驗(yàn)由于其成本低、效率高、功能全、協(xié)作性、環(huán)保無(wú)污染的特點(diǎn)，可以讓學(xué)生隨時(shí)隨地做實(shí)驗(yàn)，不受時(shí)空的限制。但是，在開發(fā)使用的過程當(dāng)中也存在以下需要注意的問題。

3.1研究人員方面

總體來說，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行開發(fā)的人員大都是高等院校的專門研究機(jī)構(gòu)、研究生或企業(yè)開發(fā)，專業(yè)功能較強(qiáng)，學(xué)科背景偏向計(jì)算機(jī)，是虛擬實(shí)驗(yàn)研發(fā)的主力軍，與課程完美結(jié)合的產(chǎn)品不多見，教學(xué)內(nèi)容不夠系統(tǒng)和全面。[3]而廣大初中化學(xué)教師，尤其是教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的一線化學(xué)教師卻很少參與到虛擬實(shí)驗(yàn)的研發(fā)中來。化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的研發(fā)主要是彌補(bǔ)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。以高校教師和研究生為主的研發(fā)人員由于大多數(shù)無(wú)化學(xué)學(xué)科背景，切缺乏實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排上通常選擇參照初中化學(xué)教材和相關(guān)文獻(xiàn)。這樣一方面會(huì)導(dǎo)致最終研發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排生硬、過時(shí)、靈活性大打折扣；另外一方面也使得研發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)多是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的重復(fù)，照本宣科，毫無(wú)新意。[4]

而一線教師由于本課程自身的任務(wù)，不能投入更多的精力去學(xué)習(xí)虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，他們具有豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，高校的研究人員可以邀請(qǐng)一線教師加入其中，在虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)過程當(dāng)中，向一線教師請(qǐng)教專業(yè)的學(xué)科知識(shí)方面的問題，做出來的系統(tǒng)可利用價(jià)值就比較高。

3.2開發(fā)工具的使用

化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)工具使用的最多的是Flash，F(xiàn)lash是一種動(dòng)畫創(chuàng)作與應(yīng)用程序開發(fā)于一身的創(chuàng)作軟件，創(chuàng)建數(shù)字動(dòng)畫、交互式Web站點(diǎn)、桌面應(yīng)用程序以及手機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)提供了功能全面的創(chuàng)作和編輯環(huán)境。Flash廣泛用于創(chuàng)建吸引人的應(yīng)用程序，它們包含豐富的視頻、聲音、圖形和動(dòng)畫。Flash動(dòng)畫是一種演示的動(dòng)畫，可以使用ActionScript 3.0開發(fā)高級(jí)的交互式項(xiàng)目。使用Flash和Actionscript開發(fā)出來的化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)是二維的虛擬實(shí)驗(yàn)，沉浸性不強(qiáng)。

法國(guó)擁有許多技術(shù)上尖端的小型引擎或平臺(tái)公司，Virtools是其中的一款，Virtools可以制作具有沉浸感的虛環(huán)境，它對(duì)參與者生成諸如視覺、聽覺、觸覺、味覺等各種感官信息，給參與者一種身臨其境的感覺。是一種新發(fā)展的、具有新含義的一種人機(jī)交互系統(tǒng)。但是不能在其中進(jìn)行模型的建造，需要使用3ds max進(jìn)行建模。三維開發(fā)工具開發(fā)出的虛擬實(shí)驗(yàn)沉浸性有所增強(qiáng)。優(yōu)秀的三維開發(fā)工具還有很多，目前運(yùn)用到化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)上的三維開發(fā)工具太單一，而且學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)，關(guān)于開發(fā)工具的選擇，還需要繼續(xù)尋找，達(dá)到學(xué)習(xí)周期短，沉浸性強(qiáng)的目的。

3.3教學(xué)設(shè)計(jì)方面

教學(xué)設(shè)計(jì)方面的文章占論文總數(shù)的15%，其中在《基于初中化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的“雙案”教學(xué)設(shè)計(jì)》，張學(xué)軍和梁相梅提出“雙案”教學(xué)設(shè)計(jì)，既有原來教師的教案設(shè)計(jì)，又有“學(xué)案”設(shè)計(jì)。教案和學(xué)案合在一起簡(jiǎn)稱“雙案”，其中“學(xué)案”是指教師依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平、知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，為知道學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)的知識(shí)建構(gòu)而編制的學(xué)習(xí)方案。學(xué)案實(shí)質(zhì)上是教師用以幫助學(xué)生掌握教材內(nèi)容，溝通學(xué)與教的橋梁，也是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和構(gòu)建知識(shí)能力的一種重要媒介。具有“導(dǎo)讀、導(dǎo)聽、導(dǎo)思、導(dǎo)做”的作用。[5]

張學(xué)軍和王阿習(xí)的《虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)整合的進(jìn)一步探討》，給出了虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來使用的理論指導(dǎo)，減少本末倒置的現(xiàn)象發(fā)生。[6]徐妲，鐘紹春和馬相春的《基于翻轉(zhuǎn)課堂的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式及支撐系統(tǒng)研究》一文中，引入新的教學(xué)模式，在課程開始之前，學(xué)生對(duì)要學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，提供的可交互的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以讓學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)入到系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。可以避免危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，觀察微觀的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與相互作用等等。[7]

3.4實(shí)際運(yùn)用方面

在化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)方面理論的文章占總數(shù)的31%，在化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)投入到課堂使用的教學(xué)模式設(shè)計(jì)方面的文章比較多，實(shí)際運(yùn)用方面的文章很少，只占總數(shù)的8%。實(shí)際投入到課堂中使用的虛擬實(shí)驗(yàn)大都是二維的虛擬實(shí)驗(yàn)，沉浸性不強(qiáng)，深入到微觀層面的分子運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也很少，關(guān)于使用后的反饋相關(guān)文獻(xiàn)就更少了。在未來的研究中要加大實(shí)際運(yùn)用的力度，及時(shí)得到反饋、改進(jìn)。

4.結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)在相關(guān)期刊上論文的數(shù)量來看，還有待進(jìn)一步的發(fā)展。在原來發(fā)展的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)開發(fā)的研究人員要與一線有經(jīng)驗(yàn)的教師一起，開發(fā)出靈活、可擴(kuò)展、深入到分子運(yùn)動(dòng)微觀層面的平臺(tái)，運(yùn)用相關(guān)的理論，在課程中投入使用，在使用的過程中，觀察學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)反饋，修改維護(hù)，投入新一輪的使用。使學(xué)生在認(rèn)知、情感、態(tài)度領(lǐng)域有進(jìn)一步的提高，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)習(xí)的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1][4]朱敏，劉鵬飛.虛擬實(shí)驗(yàn)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用策略研究[J].軟件導(dǎo)刊，2013.

[2]張冰.化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬軟件在農(nóng)村初中應(yīng)用中的體會(huì)[J].教育技術(shù)，2013.

[3]王基生，于平太，李瑩，孫苗苗.虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)和應(yīng)用的理性思考[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2010.

[5]張學(xué)軍，梁相梅.基于初中化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的“雙案”教學(xué)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2013.

[6]張學(xué)軍，王阿習(xí).虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)整合的進(jìn)一步探討[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2011.

[7] 徐妲，鐘紹春，馬相春. 基于翻轉(zhuǎn)課堂的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式及支撐系統(tǒng)研究[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2013.endprint