虛擬仿真實驗教學(xué)的初步探索

楊海青 劉世貴

摘 要：大數(shù)據(jù)時代，信息技術(shù)發(fā)展迅猛，網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋到人們?nèi)粘Ｉ钪校o人們的生活、工作以及學(xué)習(xí)提供諸多便利。這充分體現(xiàn)出信息技術(shù)對教育教學(xué)的重要性，也說明了為何要借助虛擬仿真實驗來輔助高中化學(xué)教學(xué)。高中化學(xué)課程包含諸多抽象的理論知識，離不開大量的實驗教學(xué)，這些化學(xué)實驗普遍需要用到很多的儀器設(shè)施，對于初學(xué)者來說具有一定的操作風(fēng)險，因此將虛擬仿真實驗與高中化學(xué)相結(jié)合，能夠保障學(xué)生的人身安全，節(jié)省器材消耗，提高實驗成功率，提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗;高中化學(xué);實驗教學(xué);應(yīng)用策略

中圖分類號：G63 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1673-9132（2022）09-0189-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2022.09.087

伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)逐漸滲透到課堂教學(xué)中，并彰顯出顯著的應(yīng)用價值。在這一背景下，結(jié)合信息技術(shù)積極開展虛擬仿真實驗教學(xué)，優(yōu)化實驗教學(xué)模式，已經(jīng)成為研究和關(guān)注的重點。隨著實驗教學(xué)重要性的不斷凸顯，廣大教育者相繼提高了對高中化學(xué)實驗教學(xué)的重視程度。虛擬仿真實驗?zāi)軌蚪o學(xué)生帶來真實體驗，調(diào)動視覺、聽覺、觸覺等多種感官，營造一個生動逼真的實驗環(huán)境，從而在虛擬的實驗中達(dá)到既定的教學(xué)目標(biāo)。虛擬仿真實驗對實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了豐富和拓展，促使高中化學(xué)實驗學(xué)習(xí)的廣度和深度得到相應(yīng)的延伸[1]。

一、高中化學(xué)課堂中虛擬仿真實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析

（一）“內(nèi)容”和“骨架”分離

將高中化學(xué)教學(xué)與虛擬仿真實驗相結(jié)合，若想取得理想教育成效，還需要有專業(yè)素養(yǎng)的教師作為支撐，現(xiàn)階段，有很多公司都能提供虛擬仿真技術(shù)，而進(jìn)行虛擬仿真實驗教學(xué)的實施者，只有具備極強(qiáng)專業(yè)素養(yǎng)的教師才行。面對這一要求，高中化學(xué)教師要提升自身的教學(xué)能力、專業(yè)素養(yǎng)，設(shè)計目的明確、簡單易懂、知識點豐富的虛擬仿真實驗內(nèi)容，之后將其專門交給軟件公司來開發(fā)，進(jìn)而保障虛擬仿真實驗的順利開展。然而，受資金欠缺等因素所影響，一些公司缺少相應(yīng)的技術(shù)支持，難以實現(xiàn)“內(nèi)容”所需的虛擬體系[2]。雖然專業(yè)軟件公司有技術(shù)優(yōu)勢，但缺少對學(xué)科知識的了解，導(dǎo)致開發(fā)過程中存在諸多問題，這與現(xiàn)行的化學(xué)實驗教學(xué)大綱存在顯著的差異，致使化學(xué)實驗教學(xué)效果大打折扣。

（二）學(xué)校方面

將高中化學(xué)教學(xué)與虛擬仿真實驗相結(jié)合的關(guān)鍵，是教師來引導(dǎo)學(xué)生對實驗原理與結(jié)論進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生個性，引導(dǎo)其進(jìn)行實驗創(chuàng)新，并在開展虛擬仿真實驗的過程中，驗證結(jié)果是否匹配設(shè)想。要想實現(xiàn)這一目標(biāo)，學(xué)校和教師就要加大投入力度，積極開展實驗探究課，對軟件做好安裝與檢查工作。然而現(xiàn)實中，學(xué)校只能提供有限的儀器，很難給全體學(xué)生都提供創(chuàng)新的機(jī)會，這種情況不利于在高中化學(xué)教學(xué)中實現(xiàn)對虛擬仿真實驗教學(xué)的推廣與應(yīng)用。

（三）學(xué)生方面

以往的高中化學(xué)實驗教學(xué)更加側(cè)重依賴教師的演示實驗，講授相關(guān)實驗原理，這種教學(xué)模式下，學(xué)生難以形成良好的學(xué)習(xí)體驗，普遍認(rèn)為教學(xué)內(nèi)容是枯燥乏味的，缺少實際操作的機(jī)會，更遑論大膽猜想與驗證。雖然虛擬仿真實驗教學(xué)模式的應(yīng)用，能夠在各環(huán)節(jié)給學(xué)生提供更多體驗、參與的機(jī)會，但是由于諸多因素的影響，如教師自身的課程設(shè)計能力，學(xué)生借助仿真實驗進(jìn)行猜想驗證的體驗與參與機(jī)會并不多。

（四）開放共享不足

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在借助虛擬仿真實驗開展化學(xué)實驗教學(xué)時，必須要具備健全的教學(xué)平臺共享機(jī)制、管理制度等作為外部保障。但是虛擬仿真實驗在開展過程中依然存在共享機(jī)制不夠健全、平臺管理制度不夠完善、知識產(chǎn)權(quán)歸屬不夠明晰等現(xiàn)象。在這種情況下，高中化學(xué)實驗教學(xué)中的一些虛擬仿真實驗只能在校內(nèi)共享，難以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)共享。這主要是因為虛擬仿真實驗在開展的時候，必須依托網(wǎng)絡(luò)的公共教學(xué)平臺，對優(yōu)質(zhì)實驗資源進(jìn)行共享、利用，并建立與其相關(guān)的機(jī)制。但目前尚未做到這一點。

二、虛擬仿真實驗在高中化學(xué)課堂教學(xué)中的具體應(yīng)用

（一）化學(xué)實驗的分類與整合

化學(xué)實驗的種類不一，想要提高虛擬仿真實驗的應(yīng)用效果，使其更具針對性，教師就要注重展開合理的分類、整合，讓各類化學(xué)實驗都能與虛擬仿真實驗建立聯(lián)系，從而提高其應(yīng)用效率。就高中階段的化學(xué)學(xué)習(xí)而言，根據(jù)不同的實驗主題，可以劃分成由教師進(jìn)行演示的實驗和由學(xué)生進(jìn)行演示的實驗;而結(jié)合化學(xué)實驗結(jié)果予以定性，則可劃分成化學(xué)定性實驗、化學(xué)定量實驗等。因此，想要更好地將虛擬仿真實驗應(yīng)用于高中化學(xué)教學(xué)中，教師還要聯(lián)系眼下化學(xué)教學(xué)領(lǐng)域中使用廣泛的實驗資源、化學(xué)教材、信息技術(shù)、學(xué)生認(rèn)知水平等，對高中化學(xué)實驗進(jìn)行以下類型的劃分：（1）基礎(chǔ)類實驗，包括基礎(chǔ)的實驗操作、化學(xué)藥品、安全措施等;（2）表征類實驗，包括結(jié)構(gòu)表征、性質(zhì)實驗、制備實驗以及數(shù)據(jù)處理;（3）創(chuàng)新類實驗，包括自制教具、探究實驗等;（4）綜合類實驗，包括科技實驗、生活實驗、工藝實驗。這種分類方法，既可以做到重復(fù)使用，還可以避免資源的浪費，從而促進(jìn)化學(xué)教學(xué)效率的提升。

（二）智能化操作

實現(xiàn)教育手段現(xiàn)代化，并對其進(jìn)行推廣和創(chuàng)新，是開展虛擬仿真實驗的硬件基礎(chǔ)，也是提升學(xué)生課堂參與程度的關(guān)鍵。因此，高中化學(xué)教師應(yīng)依據(jù)學(xué)生的參與程度，對智能化的操作方式進(jìn)行劃分。

1.虛擬仿真實驗室智能操作。主要是指在特定的實驗室內(nèi)，依據(jù)現(xiàn)代信息技術(shù)作為工具和手段，將其置于特定的化學(xué)實驗中開展仿真實驗。化學(xué)試劑、反應(yīng)、結(jié)果都可以借助特定的虛擬軟件，“真實”地呈現(xiàn)出來，使學(xué)生在生動形象的化學(xué)實驗場景中，深刻理解實驗過程中的相關(guān)知識，如量變知識、質(zhì)變知識。另外，在具體的實驗教學(xué)中，教師還應(yīng)緊緊圍繞學(xué)生的實際情況，結(jié)合實驗自動生成化學(xué)方程式，并在其中將化學(xué)實驗過程中所需要的藥品的性質(zhì)、特點等全面地展示出來。

2.在“真實”情境中，指導(dǎo)學(xué)生親自參與虛擬仿真實驗。教師要指導(dǎo)學(xué)生在真實的情境中，遵循科學(xué)的實驗流程，借助虛擬場景中的藥品、儀器等開展虛擬實驗，在保證安全的前提下參與實驗實踐。這種模式可以使學(xué)生在虛擬的情境中，借助虛擬的實驗器材展開各種化學(xué)實驗活動。

現(xiàn)如今，很多發(fā)達(dá)地區(qū)內(nèi)的學(xué)校，都已將“DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)”、虛擬仿真實驗室等與化學(xué)實驗教學(xué)之間進(jìn)行了深入融合。相關(guān)的科研單位應(yīng)加大研發(fā)工作，大力發(fā)展虛擬“實驗室”，使學(xué)生在虛擬的實驗情境中，高效完成化學(xué)實驗。同時，虛擬的實驗教學(xué)情境，也能更加智能、便捷、可重復(fù)。

（三）實驗視頻仿真操作

將虛擬仿真實驗教學(xué)與高中化學(xué)教學(xué)相結(jié)合，教師還可以在備課階段將虛擬實驗教學(xué)的視頻錄制下來，然后將其上傳到班級教學(xué)平臺上，包括班級微信群、QQ等，指導(dǎo)學(xué)生在課下自行選擇時間進(jìn)行在線學(xué)習(xí)。首先，在課堂上給學(xué)生播放實驗視頻。教師在開展虛擬實驗教學(xué)時，可靈活借助多媒體的方式，給學(xué)生播放相關(guān)的教學(xué)視頻。這種教學(xué)視頻可以是教師自身錄制的實驗視頻，也可以是從資源庫中下載的優(yōu)質(zhì)實驗視頻資源，通過多種網(wǎng)絡(luò)平臺的應(yīng)用，對虛擬的化學(xué)實驗視頻進(jìn)行直播、重復(fù)點播。視頻直播可指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，重復(fù)點播則可指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。其次，高中化學(xué)教師還可以制作3D或5D虛擬實驗視頻，并將其播放出來，不斷增強(qiáng)和強(qiáng)化學(xué)生的實驗體驗感，使學(xué)生在觀看過程中得到猶如自己實際操作的真實感。在此過程中，學(xué)生通過“真實”的感官體驗，能夠促進(jìn)實踐意識的提升。學(xué)生在視頻觀看過程中，要積極展開“操作”，可以是對于實驗流程的模擬演練，也可以是實驗藥品的勾兌。

（四）注重教師素質(zhì)的提高

雖然將高中化學(xué)教學(xué)與虛擬仿真實驗相結(jié)合，有利于保障實驗的安全性，節(jié)約實驗器材消耗，提高實驗學(xué)習(xí)效率，但是依然不能忽視教師在實踐教學(xué)中的重要地位。教師的教學(xué)水平直接影響最終的教學(xué)效果，學(xué)生在了解并接觸虛擬仿真實驗時，離不開教師的逐步引導(dǎo)與講授。由此可見，虛擬仿真實驗?zāi)芊裨诟咧谢瘜W(xué)教學(xué)中得到有效應(yīng)用，最關(guān)鍵的一點就是教師是否具備相應(yīng)的素質(zhì)。首先，學(xué)校要重視加強(qiáng)信息技術(shù)教師和化學(xué)教師間的聯(lián)系，給化學(xué)教師創(chuàng)造更多開展虛擬仿真實驗教學(xué)的機(jī)會，不斷加教師資質(zhì)培訓(xùn)，促進(jìn)其專業(yè)素質(zhì)的提升。其次，高中化學(xué)教師應(yīng)有意識地整合網(wǎng)絡(luò)資源，促進(jìn)自身專業(yè)素質(zhì)的提高，以便更好地開展對虛擬仿真實驗教學(xué)的創(chuàng)新及其特色模式的構(gòu)建，并在此基礎(chǔ)上充分發(fā)揮虛擬仿真實驗教學(xué)的積極作用，實現(xiàn)高中化學(xué)教學(xué)水平的進(jìn)一步提升。

綜上所述，對于高中化學(xué)教學(xué)而言，虛擬仿真實驗教學(xué)模式的應(yīng)用具有重要意義，對達(dá)成高中化學(xué)實驗的程序化教學(xué)有著積極影響，同時虛擬仿真實驗教學(xué)能夠避免出現(xiàn)其他意外結(jié)果。基于此，廣大教師應(yīng)提高對高中化學(xué)實驗教學(xué)的重視程度，通過虛擬仿真實驗教學(xué)模式的有效應(yīng)用，來促進(jìn)高中化學(xué)課程質(zhì)量的提升，給學(xué)生提供更多實踐機(jī)會，使其得到良好的學(xué)習(xí)體驗，從而更加喜愛高中化學(xué)這門課程，以此促進(jìn)學(xué)習(xí)質(zhì)量與效率的不斷提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葉興琳，崔桃，喻國貞，等.基于線上線下和虛擬仿真實驗技術(shù)的有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)改革[J].廣東化工，2021（2）：174.

[2] 譚惠靈，郭慶，韓景倜.虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)的認(rèn)識論思考[J].中國多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報（上旬刊），2020（12）：17.