中學化學虛擬仿真實驗的研究進展

曹圳 陳燕

摘要：從年份、研究主題、實驗教學方法、文獻內容等方面分析了2011-2021年Journal of Chemical Education 中涉及中學化學“虛擬仿真實驗”的發文情況。介紹了虛擬仿真實驗教學、實驗平臺、相關理論、研究現狀等多篇具有代表性的文獻，以期對我國中學化學虛擬仿真實驗教學帶來啟發。

關鍵詞：國際化學教育;Journal of Chemical Education;虛擬仿真實驗;文獻分析

文章編號：1008-0546（2022）08-0081-04?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.017

當前我國正處于邁向教育強國的關鍵階段，信息技術可以突破教與學的時空限制，是縮小城鄉教育差距、促進教育均衡發展最直接的手段。將虛擬仿真技術運用于中學化學實驗的教學不僅可解決不少學校因實驗條件、資金、安全等因素而無法很好開展實驗教學的問題，也對提高教育質量和培養創新人才具有重大意義。本文通過對2011-2021年美國《化學教育》Journal of Chemical Education（以下簡稱JCE）中有關中學化學“虛擬仿真實驗”的文獻進行分析，以期為積極探索現代信息技術與化學實驗教學的深度融合、對促進國內中學化學虛擬仿真實驗的教學應用有所啟發。

一、JCE 中有關中學化學“虛擬仿真實驗”的年份分析

以“Virtual Simulation Experiment”為關鍵詞對???? 2011-2021近十年JCE上的文獻進行檢索，搜索范圍為“Anywhere”，得到了197篇有關虛擬仿真實驗的文獻。再根據其內容是否屬于中學化學，或其方法是否適用于中學化學實驗的教學，對所選文獻進一步篩選得到有關中學化學“虛擬仿真實驗”文獻38篇，占同期化學“虛擬仿真實驗”文獻的19.3%，表明JCE上化學“虛擬仿真實驗”研究的重心放在大學本科和更高年級，而不在中學化學“虛擬仿真實驗”的研究上。

對近十年JCE 上有關“虛擬仿真實驗”和中學化學“虛擬仿真實驗”的發文量進行統計（如圖1所示），發現在2011-2017年這段時間，虛擬仿真實驗的論文每年發文量均在個位數，但在2019年到2021年間出現陡增與回落。這種情況一方面是由于虛擬仿真實驗在近年迅速發展并受到廣大教育者們的重視，因此相關的研究也相應增多;另一方面則是由于2019年末新冠疫情的爆發，大多數學校被迫引進虛擬仿真技術進行化學實驗的教學。

二、JCE 中有關中學化學“虛擬仿真實驗”的研究主題分析

通過統計JCE 上有關中學化學“虛擬仿真實驗”研究主題關鍵詞，不難發現其涉及了實驗教學、實驗室安全教育、有機化學、無機化學、分析化學、化學熱力學、綠色化學等多個主題（見表1）。實驗安全是進行實驗的必要保證，而實驗安全教育作為化學實驗教學必不可缺少的一部分在實際教學中往往以具體的化學知識、技能為載體呈現[1]。通過虛擬仿真技術再現實驗事故、實驗危險意外情況的發生，可以培養學生化學實驗的安全意識、提高學生實驗安全操作能力;此外，國外中學化學“虛擬仿真實驗”中加入了大學化學和跨學科的知識、滲透綠色化學和環境化學的內容，這些都體現其不只是服務于化學知識的學習，還關注化學與其他學科的緊密聯系，注重拓寬學生視野。

三、JCE 中有關中學化學“虛擬仿真實驗”的實驗教學方法分析

JCE 上10個有關中學化學“虛擬仿真實驗”實驗教學方法的關鍵詞（見表2）中，“Computer- Based Learning（基于計算機的學習）”“Internet/Web-Based Learning（互聯網/網絡學習）”“Multimedia- Based Learning（基于多媒體的學習）”的引用頻率都較高。這是因為虛擬仿真實驗是通過多媒體技術、網絡技術以及虛擬現實技術等在計算機或其他多媒體設備終端上營造出一種虛擬的實驗環境，讓實驗者可以通過與設備的交互，仿佛身處真實的實驗環境中去完成各種實驗項目[2，3]，這些關鍵詞體現了該教育技術在國外虛擬仿真實驗教學的應用。此外，關鍵詞“Distance Learning/Self Instruction（遠程學習/自學）”，體現了國外開發虛擬仿真實驗平臺的目的之一就是進行遠程教育，在便捷地進行線上的實驗教學的同時也加強對學生自學能力的培養;關鍵詞“Inquiry-Based/Discov? ery Learning（基于探究/發現的學習）”，說明國外注重建構學生自主學習的環境，以學生為主體，讓學生自主地探索未知的知識，從而培養學生的創新精神和實踐能力。

四、文獻內容分析

所選38篇文獻的內容主要聚焦于中學化學虛擬仿真實驗教學、虛擬仿真平臺的介紹和設計、虛擬仿真實驗相關理論研究、虛擬仿真實驗現狀分析這4個主題（見圖2）。

1.虛擬仿真實驗教學

有53%的文獻探討了“虛擬仿真實驗教學”，涉及分析化學、結構化學、無機化學、有機化學等實驗。例如，“MEL Chemistry”課程是通過虛擬仿真技術提供以小于分子的尺度（即原子及其結構）下的可視化，有助于學生克服將宏觀和微觀世界聯系起來的困難，發展學生宏觀辨識與微觀探析的化學學科核心素養。通過該課程，學生可以與虛擬原子相互作用，探索和改變它們的組成，將它們旋轉360°，同時看到相應的電子分布的軌道圖（如圖3所示）。

有研究表明，涉及原子結構、元素周期性的沉浸式虛擬仿真實驗的實施可以極大地影響學生的學習結果[4，5]。因此，虛擬仿真實驗可以被視為增強學生對化學概念的理解的有用工具。通過在沉浸式虛擬仿真實驗中可視化粒子、原子核、原子軌道和原子的相互作用可以促進難以理解化學概念的學習過程，可以將其應用在中學化學物質結構專題的教學，有助于學生對物質微觀結構的理解[6]。

2.虛擬仿真實驗相關理論研究

24%的文獻對虛擬仿真實驗相關理論進行了研究，包括虛擬仿真實驗對學生能力提升的研究和對比評估了虛擬仿真實驗和真實實驗下學生的認知差別及其教學效果。隨著虛擬仿真實驗室使用的增加，衡量虛擬實驗環境和傳統動手環境下實驗之間存在的差異越發重要。有不少研究發現，化學虛擬實驗和傳統動手實驗情境下的學生在認知領域和動作技能領域能力的評估結果沒有明顯差異[7～9]。Hensen C等[10]使用修改過的化學實驗室情感量表[11，12]考察虛擬實驗和傳統動手實驗下學生的情感差異時，發現教師和助教的不同會導致兩組學生在情感領域存在差異。因此，在虛擬實驗教學中，教師和助教是影響學生實驗體驗的重要因素。

3.虛擬仿真實驗現狀分析

因新冠疫情來勢洶洶，許多學校只能臨時采取虛擬仿真實驗的方式來教授化學實驗，這其中也有不少的困難和問題需要引起關注，對此有13%的文獻就這些問題進行了分析。

Numan Ali[13]將現有的化學虛擬實驗室劃分為2D、3D 和基于視頻系統的化學虛擬仿真實驗室（見圖4），并介紹了這些化學虛擬仿真實驗室的特點與不足。例如：一些2D 仿真實驗室缺乏逼真度;基于3D 環境的虛擬仿真實驗是通過菜單和控制框提供與對象的交互，和真實實驗環境的體驗還有較大差距;大多數現有的虛擬實驗室沒有提供步驟指導，導致學生無法完成虛擬實驗;現有虛擬仿真實驗室主要提供的是靜態信息且無法根據學生的水平進行更新。考慮到這些問題和局限性，未來化學虛擬仿真實驗室的改進方案可以有：（1）以動畫的形式生動地指導說明每個步驟和任務的數量和順序，使學生更感興趣并更輕松地進行實驗;（2）通過動態加載或顯示僅在當前實驗中需要的對象，來降低學生在大量藥品、設備中進行選擇所造成的認知負荷;（3）允許用戶加入新化學物質、設備和程序來產生新的化學反應，改變傳統虛擬實驗僅僅提供預定化學反應的靜態模式。

4.虛擬仿真實驗平臺介紹和設計

由于虛擬仿真的實驗環境與真實實驗環境還存在較大差異，且虛擬仿真實驗平臺人機界面友好、操作界面的人性與否直接影響了其教學效果，因此有10%的相關研究著眼于盡可能彌補這方面的缺陷，開發出更加接近真實情景的虛擬仿真實驗平臺，打造擁有多樣化的表現形式，操作更為直觀、有趣，界面也更加友好的虛擬仿真實驗平臺[14，15]。

VR2E2C（化學虛擬實驗遠程教育系統）是一個面向中小學生、大學生以及研究型大學、研究所甚至工業研究人員的化學教育平臺。該虛擬現實實驗室的設計比例與真實實驗室相同（如圖3所示），它為用戶提供了三種模式：在手動模式下，用戶可以在虛擬環境中控制機器人手臂和其他分析儀器和試劑，單擊并拖動場景中的項目可以控制所有項目;在自動模式下，用戶在列表中選擇他們想要在實驗中使用的試劑和儀器，系統將搜索內置數據庫，然后列出所有可能的過程供用戶選擇一個可能的過程來開始實驗。在自定義模式下，則由用戶設計整個實驗思路、選擇實驗設備逐步完成他們選擇的模塊規劃。

作者以納米金的合成實驗為例，記錄100名學生的反饋信息，發現虛擬遠程教育系統能夠達到預期的教學效果。該系統能為安全和高容錯實驗主題提供遠程教育，并展示了最新的虛擬現實和機器人技術對傳統化學教育有哪些益處，為后續虛擬仿真化學實驗的應用提供了一種新的思路[16]。

五、結語

21世紀以來，隨著新課程和教育評價體系的改革，我國發布了《普通高中化學課程標準》（以下簡稱新課標）。新課標明確規定了學生必做實驗，標志著化學實驗已從規范上被確立為化學日常課堂教學中的基本環節。針對化學實驗教學的特點，將虛擬仿真技術引入中學化學實驗教學中，能有效解決現實中某些化學實驗難以展開的問題。作為新興的教育技術手段，虛擬仿真技術在化學實驗教學領域的價值被越來越多的國際教育工作者所認可，而先驅者們所提出的問題和研究方向也是化學教育者和教育技術研發者應著重去思考和探索的。

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