虛擬仿真技術在化學實驗教學中的國內外研究現狀分析

呂向麗，劉春玲

(1.吉林師范大學 化學學院，內蒙古 赤峰 024000；2.吉林師范大學 化學學院，吉林 梨樹 130600)

教育部2018年推出了《教育信息化2.0行動》，強調教育信息化。在教育上，遵循教育原則與規律，科學運用教育方法，從而切實提高學生的思想教育水平。傳統教學中的“一人一黑板一粉筆”的教學模式，早已不適用現代培養人的要求。于此同時，隨著5G時代、人工智能，以及新一輪科技革命的來臨，如何更好地將科學技術與現代信息化建設應用到教育上，成為了有待解決的問題。

1 研究意義

1.1 理論意義

利用虛擬仿真技術讓學生在化學實驗中深度學習，既滿足了學生自身發展的需求，又適應了時代的發展。通過虛擬仿真技術，在創建的化學實驗情境中利用虛擬仿真技術讓學生學以致用，促進知識的遷移與應用，從而達到培養學生合作能力、創新與創造能力的目的。利用虛擬仿真技術設計教學過程，構建學習由淺入深，由易到難的教學模式、流程與策略，培養學生的自主學習和實驗探究能力。

1.2 實踐意義

眾所周知，任何研究的實踐意義都是建立在理論研究的基礎之上。由于部分化學實驗操作復雜、危險系數高，因此在課堂上無法演示。將虛擬仿真技術運用到化學實驗教學中，解決并完善了傳統化學實驗教學中的一些問題。例如，將虛擬仿真技術更好地融入化學實驗教學中，可以給學生增加試錯的機會，同時，也能對那些危險系數高、污染環境的實驗進行虛擬仿真操作，實現學生的深度學習。

2 國內外研究成果

2.1 國內外研究現狀

2.1.1 文獻數量分析

隨著時代的發展，教育也在不斷地迎來新的方法與機遇。其中，虛擬仿真技術從20世紀80年代到今天，也實現了質的飛躍。尤其在理科實驗教學中，虛擬仿真技術的意義十分重大，因此，關于虛擬仿真技術的研究也層出不窮，虛擬仿真技術也得到了更加完善的發展。

1)國內數據庫文獻數量分析

以“虛擬仿真教學”為關鍵詞，在中國知網中進行檢索，從2014年到2022年期間(截至2022年6月止)共發表文章2010篇。其中，學術期刊1715篇，學位論文95篇，相關會議39篇。筆者以橫坐標為發表年份，以縱坐標為發文總數進行做圖，如圖1所示。由圖1看出，從2014年到至今，關于虛擬仿真技術的文章一直呈現上升趨勢。因此，虛擬仿真技術在教學中發揮著越來越重要的作用。

圖1 國內虛擬仿真教學論文發表

近些年虛擬仿真教學分布如圖2所示。可以發現，虛擬仿真教學在各個領域均有涉及，虛擬仿真教學適用于高等教育、中等教育等。

圖2 國內虛擬仿真教學論文發表學科分布

2)國外數據庫文獻數量分析

同樣，對近些年的外文文獻進行研究發現，外文文獻中虛擬仿真教學更多的涉及醫學、技術工程等方面。虛擬仿真教學是在一些理論的支撐下發展起來的，比如認知理論、構建主義理論、操作學習理論、STEAM學習理論等等。

2.1.2 文獻內容分析

1) 國內研究現狀

虛擬仿真(Virtual Reality)，也就是虛擬現實，也稱模擬技術，就是用虛擬的環境模仿真實的環境，并且可以十分逼真。通過現實環境與虛擬環境之間的相互作用，使學生從中獲得真實的體驗和感受，從而達到預期的教學與學習效果，為教育帶來明顯價值。虛擬仿真技術能夠打破時間和場地的限制，使學生置身于十分逼真的場景中，去探索和交流化學實驗中的奇妙變化。王春提出，化學實驗是以反應現象為基礎，而傳統化學實驗教學操作危險、費時費力，很多教師不得已將實驗教學轉變為語言文字傳輸給學生，導致學生對實驗過程不理解，不利于學生的思維和實踐能力的發展；對于一些實驗時間較長，控制變量較多的實驗，課堂操作是不可能實現的，而利用虛擬仿真技術，可以省去實驗過程中的等待時間，較好的控制變量，跨越時間的限制，從而提高了課堂效率[1]。虛擬仿真技術能夠提高學生對化學的濃厚興趣，大多數學生是在互聯網的陪伴下成長起來的，因此以互聯網為基礎的虛擬仿真教學更能夠讓他們收獲快樂，實現寓教于樂。焦爽等設計了一個基于 B/S(Brower/Server：瀏覽器/服務器)與 C/S(Client/Server：客戶端/服務器)架構結合的初中化學實驗模塊，并以此對兩個班級的學生以“對化學的喜愛程度”為題展開實驗。結果表明，把虛擬仿真實驗引入化學實驗教學的實驗組的學生對化學的喜愛程度由原來的51.34%上升到實驗后的61.46%，而對照組則由原來的50.82%上升到50.86%，并無太大變化，因此嵌入虛擬仿真技術更能提高學生對于化學的學習興趣[2]。

將虛擬仿真技術嵌入化學實驗教學，可以大大減少實驗過程中的危險系數。化學學科離不開大量的實驗，但對于初學者來說，有些儀器操作起來具有諸多風險。化學實驗旨在培養學生的動手操作和實驗探究能力，在做化學實驗的過程中必須要嚴格遵守實驗步驟，謹記實驗過程中的注意事項，稍有差錯，就會造成不可挽回的后果，虛擬仿真的技術的出現，為學生學習化學實驗增加了“試錯”的機會。比如,田菊香等在利用酒精燈的使用、空氣中氧氣含量的測定、加熱高錳酸鉀制取氧氣等相關實驗，鼓勵學生“試錯”，在培養學生實驗過程中安全意識的同時又能培養學生的創新思維[3]。

隨著時代的發展，互聯網的興起為人們的生產生活都帶來了極大的便利。基于互聯網背景下，虛擬仿真技術從高等教育走向中等教育，滲透于各個學科。不同領域都對虛擬仿真技術展開了深入研究，包括醫學教育與醫學邊緣學科、教育學、職業教育、計算機軟件與計算機應用等等。化學實驗注重培養學生的創新能力和動手操作能力，在利用虛擬仿真技術實驗教學的過程中，教師既可以很好的完成理論教學，同時又能培養學生的自主探究能力，促進學生多方面的發展。將虛擬仿真技術嵌入中學化學實驗教學，能夠充分滿足學生的個性和需求，豐富課堂實驗教學形式，提高課堂效率。但將虛擬仿真技術嵌入中學化學實驗并不意味著用虛擬仿真實驗去代替傳統傳統教學，虛擬仿真實驗在教學過程中只是起到輔助的作用。郭志強等認為，虛擬仿真實驗教學要采用“內容區分”策略，在利用虛擬仿真實驗教學時，學生要提高的不僅是實踐能力，同時必須掌握知識，因此在實驗前，教師必須先明確虛擬仿真技術是否適用于某一個實驗。例如，膠體制備、酸堿中和反應，這樣操作簡單、現象明顯的實操貫通類實驗，需運用傳統實驗教學方法，從培養學生的動手操作能力。對于實驗步驟繁瑣、注意事項要求較多的虛實融合類實驗，如噴泉實驗、乙酸乙酯的制備與提純實驗，以及一些危險系數高，較難成功的虛擬貫穿類實驗，如氯氣的實驗室制取、濃硫酸三大特性的驗證等，則適合采用虛擬仿真實驗教學的方法[4]。這些研究成果都為繼續研究虛擬仿真實驗教學提供了論據，并且，隨著科技水平的提高，虛擬仿真實驗教學會越來越受歡迎。因此虛擬仿真技術對于中學化學實驗教學具有十分重大的意義。

2)國外研究現狀分析

虛擬仿真技術于美國興起，英國、日本等在虛擬仿真技術上的開發研究和應用也處于領先地位，也使虛擬仿真技術在教育方面彰顯了巨大的價值。國際上把美國新媒體聯盟(NMC,New Media Consortium)發布的《國際教育信息化地平線報告》作為教育信息化建設與發展的指向標。該報告表明，虛擬仿真技術將作為今后教育改革的重要領域之一[5]。表1系國外虛擬仿真技術實驗教學的主要形式及平臺[6]。

表1 國外虛擬仿真技術實驗教學的主要形式及平臺

文獻[7]給出了關于國外虛擬仿真實驗教學的幾點建議，主要包括:

1) 加快促進信息技術在教育教學方面的應用；

2) 將現代教育技術結合于混合式教學、在線教學和合作學習之中；

3) 促進學生由課程的單一消費者向設計者和實施者轉變；

4) 推動建設虛擬實驗室建設和重視數字化學習條件。

3 關于虛擬仿真技術在化學實驗教學中的思考

3.1 善于利用各種教學資源，完善虛擬仿真技術平臺

由于部分化學實驗不易實施、實驗器材不完善、實驗室開放時間短、評價試驗的方法過于單一，在傳統的實驗教學中，許多教師常常運用多媒體播放演示，但這樣的教學方法往往難以讓學生加深印象，而利用虛擬仿真技術，如No Book化學實驗室這樣的教學平臺，讓每一個學生都親自去做實驗驗證，觀察實驗的現象，從而提高了學生對化學學習的樂趣。教師更應該注重利用各種教學資源，完善虛擬仿真平臺，不斷提高自己的信息素養，緊跟時代的步伐，摒棄守舊老派的觀念，對各種虛擬仿真平臺進行利用與開發，設計自己的實驗，開發課后作業等模塊。

3.2 注重教學以傳統教學為主，以虛擬仿真技術為輔

應注重以傳統教學為主，以虛擬仿真技術為輔。在科技發展的今天，虛擬仿真技術的各種平臺在網絡上應有盡有，但是在實際的教學中，仍然不能用虛擬仿真技術去代替真正的傳統教學，應該讓虛擬仿真技術成為傳統的教學的助手，目的是更好地培養學生。在實際教學中，會出現各種各樣難以想象的實驗現象，而虛擬仿真技術是處在一個理想的實驗環境中，并不能真正的啟發學生的思考，所以應該發揮虛擬仿真技術的優勢，補充傳統實驗中的不足。

4 總結

虛擬仿真技術在化學實驗教學中的作用舉足輕重，特別是疫情期間的線上教學，虛擬仿真平臺為化學實驗教學實踐提供了保障，能夠在疫情期間為學生提供一個良好的實踐平臺，從而解決線上教學無法開展化學實驗教學的困境。但是教師在使用過程中不能做拿來主義，應該不斷提高專業水平，在虛擬仿真平臺上建立自己的試驗，改進實驗裝置。如趙麗娜等用玻璃罩或漏斗等制造半密閉環境[8]，或者積極開發與更新虛擬仿真平臺的練習題環節，并不斷更新自己的知識結構，為教育貢獻自己的力量。