虛擬實驗與真實實驗整合的進一步探討

【摘要】文章首先分析了當前的研究現狀以及整合過程中存在的問題，然后提出了虛擬實驗與真實實驗的整合在中學實驗教學中應用的一般模式，并且給出了該模式在初中化學實驗教學中應用的案例，最后提出了整合應用的一些原則。

【關鍵詞】虛擬實驗；真實實驗；整合；初中化學實驗教學

【中圖分類號】G420【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2011）02—0132—05

《初中化學新課程標準》中倡導化學教學應多采用以科學探究為主的多樣化的學習方式，強化評價的診斷、激勵與發展功能[1]。但是要實現標準中提倡的內容，單靠傳統課堂實驗教學還遠遠不夠。此時以計算機網絡為平臺的虛擬實驗開始與真實實驗進行整合，并應用到中學化學等學科教學中，以激發學習者的學習動機、提高課堂教學效果。但是在整合的過程中卻出現了很多問題，比如在整合時教師找不到一種理想的結合點，往往是顧此失彼。筆者認為在進行虛擬實驗與真實實驗整合時應先分析實驗目標、類型等，把握好整合的時機和度。

一 虛擬實驗與真實實驗整合的現狀

筆者在查閱文獻的過程中，發現關于虛擬實驗方面的研究很多。國外的有麻省理工學院的WEBLAB、Science Space等，國內的有中科院上海有機化學研究所的虛擬化學實驗室、浙江大學的虛擬化學實驗等。然而，關于虛擬實驗與真實實驗整合的研究較少，其中有“整合資源構建‘虛實結合’的計算機網絡課程實驗室[2]”、“電工電子虛擬實驗與真實實驗的互補性[3]”、“基于虛擬實驗與真實實驗整合的計算機網絡實驗教學改革[4]”等文獻。以上這些文章指出了二者整合在理論層次上的優勢，但是關于實踐應用的卻很少。另外，上述文獻大多將虛擬實驗應用于課前預習與課后復習，教學過程中應用的較少，對于何時整合、整合什么、為什么整合、如何整合等更實際的問題，幾乎很少涉及。

二 整合中存在的問題及反思

虛擬實驗可以彌補真實實驗的不足，從而達到優勢互補。任何新的事物在投入使用的過程中，難免會出現一些問題。虛擬實驗與真實實驗的整合也不例外：

1 側重理論的闡述，缺乏實踐操作性

現有的整合研究的一般思路是先闡述虛擬實驗和真實實驗的概念、類型、優勢和不足，再說明如何將二者優勢互補。這種研究思路也在一定程度上發揮了作用，但是這些純理論的闡述究竟能給一線教師帶來什么？能否促使他們在實際的教學過程中有效運用虛擬實驗？何時整合？如何進行有效地整合？一線教師真正需要什么？這些問題在上述的研究中卻不曾提到。理論提的固然好，卻不具備實踐操作性。這是現有的以理論為主的虛擬實驗與真實實驗的整合在推廣過程中常常會遇到的尷尬處境，究竟如何解決這些問題才是我們應當考慮的當務之急。

2 夸大虛擬實驗的作用，忽視真實實驗

現有的整合研究中，有的盲目夸大虛擬實驗的作用，一定程度上忽視了真實實驗的重要性。但是筆者認為，虛擬實驗不能代替真實實驗，因為虛擬實驗畢竟會使學生產生“虛擬感”，而真實實驗能消除學生在理論學習和虛擬實驗中“不真實”的感覺，真實實驗在這方面以及在培養學生的動手操作能力方面是虛擬實驗無法取代的。虛擬實驗是對真實實驗的模擬，真實實驗是虛擬實驗的基礎，虛擬實驗的局限性恰恰又是真實實驗的優點，二者是相輔相成的。只有發揮各自的優勢，精心組織實驗教學，才會收到更好的效果。

3 缺乏優質資源，不利于整合

目前虛擬實驗多是演示性的，交互程度低。造成這種現象的原因可能是開發這些實驗的人員多是計算機方面的技術人員，他們缺乏相應的學科背景知識和一定的教學設計能力；或者是開發這些實驗的是學科教師，但是由于他們缺乏相應的信息技術能力，縱然他們有很豐富的學科知識和很強的教學設計能力，也不能開發出高質量的虛擬實驗。歸根結底，如果沒有優質的資源，整合就是紙上談兵。

4 缺乏系統的教學設計能力

教學設計是以學習理論、教學理論和傳播理論為基礎，應用系統科學理論的觀點和方法，調查、分析教學中的問題和需求，確定教學目標，建立解決教學問題的步驟，選擇相應的教學活動和教學資源，評價其結果，從而優化教學效果[5]。但是，有一些教師在虛擬實驗與真實實驗整合的過程中只是為了使用虛擬實驗而使用虛擬實驗，缺乏將虛擬實驗與教學過程有機結合的意識與方法。因此，如何進行系統的、整體的教學設計，如何對教學過程中的各個要素及其關系進行統一的協調和安排，如何用一種新的教學設計思想與方法來指導虛擬實驗與真實實驗進行有效的整合，以改進教學工作，是目前教師亟待發展的一種新能力。

三 虛擬實驗與真實實驗有效整合的模式

當前的關于虛擬實驗與真實實驗整合的研究，多采用如圖1所示的模式。虛擬實驗多用于課前預習和課后復習之中，在課堂教學過程中卻很少涉及。虛擬實驗可以為學生提供一個實戰前演習的場所，讓學生對實驗的原理、現象、儀器的使用等有一定的了解，從而在進行真實實驗時可以減少失誤的次數。在課后復習的過程中，學習者可能還會遇到一些關于實驗儀器的操作技巧、實驗現象觀察等方面的問題，一般情況下，由于受實驗時間、空間和實驗儀器藥品的限制，再去重復真實實驗的過程是不可能的。這時，虛擬實驗以其高度的資源共享性、可重復利用性成了學生的好幫手，學習者可以在任何時間、任何地點進行自主學習和復習。

難道虛擬實驗與真實實驗整合的過程中，虛擬實驗只能用于課前預習和課后復習嗎？顯然不是，在整合的過程中不能拘泥于固有的模式，應以系統科學理論的觀點和方法，調查、分析整個教學過程，找出虛擬實驗與真實實驗進行整合的最佳契合點。當然由于教學目標、教學內容的不同，相應的教學過程階段的劃分也有所差異。但是一般情況下，可以將整個化學教學過程劃分為以下四個階段分別為：（1）創設情境，激發動機；（2）演示講解，探求新知；（3）設計練習，鞏固新知；（4）聯系實際，拓展深化。在這四個階段中，我們該如何整合？怎么才能使二者真正實現優勢互補呢？經過研究，我們提出了如圖2所示的模式。

下面我們從教學設計的角度來探討。首先，分析實驗教學的目標，以確定當前必需學習與掌握的知識。其次，分析學習者的特征，教學設計的目的是為了有效促進學習者的學習，進行學習者分析，目的是為了了解學生的學習準備和學習風格，以便為后續的教學設計步驟提供依據。再次，確定實驗教學的起點，這一項的目的是明確學習者是否具備了相應的行為能力；了解學習者對所要學習的知識已經知道了多少[6]。最后，根據實驗內容和實驗類型確定是以虛擬實驗或者真實實驗為主進行教學。

四 虛擬實驗與真實實驗整合案例

下面以“實驗室制取氫氣”為例，來闡述虛擬實驗與真實實驗的整合模式在初中化學實驗教學中的運用。

1 創設情境，激發動機

虛擬實驗可以將抽象化為具體，將局部的實驗現象放大顯示，以利于學習者觀察實驗現象，增強課堂教學的表現力，提高學習興趣，使教學更貼近生活和生產實際，這就在一定程度上彌補了真實實驗的不足。在此之前，學生已經學過 “實驗室制取氧氣”的內容，而且氣體的制取具有相似性，因此我們可以使用它來創設情境。例如：讓學生回憶在實驗室制取氧氣的過程中，必須先做什么？這時學生可能回答檢驗氣密性等。然后教師提問引導“實驗室制取氫氣需要檢驗氣密性嗎”？此時教師可采用實驗室制取氧氣的虛擬實驗來展示檢驗氣密性的過程。若采用真實實驗，需要花費大量的時間，另外也受實驗藥品和儀器的限制。而虛擬實驗操作簡便、節省資源、時間，是一個比較好的選擇。教師引導提問實驗室制取氧氣的檢查氣密性的操作與制取氫氣的有什么不同？提出問題，引起學習者注意，激發其學習動機。

2 課堂演示講解，探求新知

可以采用虛擬實驗輔助講解，例如：利用排水法制取氫氣時，怎么判斷氫氣已經收集滿了呢？由于這個問題比較抽象，可以利用虛擬實驗展示過程并讓學生思考，在設計時我們在旁邊加入了一個文本輸入框，讓學生輸入觀察到的現象。輸入之后提交，緊接著會有一個反饋，在設計反饋這一環節時，我們采取了一些激勵性的、暗示性的圖片或者語言，引導學生去發現問題并找出解決問題的方法，點燃學生思考問題的火花，培養學生的創新思維能力。

另外，學生也可以反復操作虛擬實驗，為進入真實實驗打好基礎。但是這種反復的操作并不是簡簡單單的重復點擊鼠標，因為我們在設計虛擬實驗的過程中，添加了很多交互動作。比如，在如圖3 的“實驗操作”項“儀器的選擇”中，添加實驗所需的儀器和一些干擾項（干擾項的設計與實驗中用到的儀器相似，是學生的認知模糊點）。同時為了減小選擇的難度，使學生做起來不至于太吃力，我們添加了文字提示，例如“有三次選擇的機會，共需6種”。為了避免學生漫無目的的操作，采取了這樣的設計方法即在本步沒有完成之前，“下一步”的按鈕或者鏈接就不會出現，只有在學生做了本步實驗才能進入下一步的操作。并且如果操作不正確或者是不規范，相應的步驟都會有反饋。這樣設計有利于學生加深印象，掌握相應的知識，也體現了過程性評價的思想。

3 學習者進入真實實驗操作

在以往的整合過程中，有些人認為學生已經在虛擬的環境中操作過多次，此環節就可有可無了，其實這種觀念是相當不可取的。因為虛擬實驗系統畢竟是一個虛擬的環境，重要的操作技能的獲得還需要在真實的實驗室中進行。并且由于虛擬實驗設計能考慮到的意外情況有限，而在真實的實驗室中，學生每操作一次實驗可能都會遇到不同的問題，這些都需要學生去思考。這些思考的過程本身就是實踐能力和動手操作能力提高的過程，是虛擬實驗無法取代的。在進行真實實驗的過程中，學生可能會遇到一些問題，而這些問題由于時空或者實驗儀器藥品的限制，不能利用真實實驗解決，這時可以繼續使用虛擬實驗來探究產生問題的原因，以及解決問題的方法。并且可以利用虛擬實驗中的“在線討論”模塊就某一問題與同學交流討論，協同解決。

4 半自動生成實驗報告

實驗報告是做任何實驗必不可少的一部分，它可以記錄學生的實驗步驟、結論、實驗中出現的問題。由于紙質的實驗報告中有很多是重復性勞動，這既加重了學生的負擔，也給老師的批閱帶來了一定的困難。為了解決該問題，在“實驗報告”模塊的設計中，我們將虛擬實驗與數據庫連接起來，學生在做虛擬實驗的過程中，實驗儀器藥品的選擇次數、現象和化學方程式的填寫會在實驗報告中自動生成。比如檢驗氫氣的純度時，我們設計了一個輸入文本框，學生在做實驗的過程中，需要將觀察到的實驗現象輸入文本框內，這時用一個變量a來記錄學生輸入的內容，再將變量a保存到數據庫中，就可自動生成。此處呈灰色顯示，學生在提取實驗報告時不能隨意修改，這種設計方法能在一定程度上防止學生在做完實驗之后，互相抄襲實驗報告，也減少了學生的工作量，更有利于教師對學生進行評價，提高了評價的信度。

5 實驗教學的修改、效果的評價

雖然將這一環節放在了最后，但是并不意味著評價是在教學之后進行的，而是始終貫穿于實驗教學過程的始終，是檢查、總結和指導教學的先決條件和重要依據，它的科學性、導向性直接影響著課堂教學的質量和效率，更是實驗教學能否取得成功的保障[7]。

為了更好地進行評價我們設計了兩種類型的虛擬實驗：一種用于讓學生反復操作，培養能力；另外一種考查學生知識、技能的掌握程度，并將相關要考查的知識、實驗技能一一做了統計，設計了不同類型的考查方法。當學生完成實驗之后，相應的實驗時間、說明，填寫的實驗現象、方程式等會在實驗報告中自動生成，并且客觀選擇試題的得分也是自動生成的，一些主觀性試題答案則呈灰色顯示，教師在調取實驗報告時只需批閱主觀性試題部分并給出相應的分值，最后按“提交”按鈕，系統會自動統計得分，并給出相應的反饋提示，如：學生的哪些知識技能比較薄弱，需要強化等。

五 整合應用的原則

1 依據實驗目標、內容和類型

在整合的過程中，必須要考慮到實驗的教學目標、內容和實驗類型。只有這樣才能確定學生當前必需學習與掌握的知識，確定實驗教學的起點，明確學習者是否具備了相應的行為能力，為選擇以虛擬實驗或真實實驗為主提供操作依據。

2 依據教師能力和學習者特征

進行整合時，必須考慮到教師的知識能力結構，比如信息技術能力、信息化教學設計能力。教師是否具備相應的能力，是整合成功與否的關鍵。進行學習者特征分析，目的是為了了解學生的學習準備和學習風格，對所要學習的知識已經知道了多少，以便為后續如何整合、何時整合提供依據。

3 依據學校現有條件

在整合時，必須依據學校現有條件，即是否具備優質的教學資源。比如性能較好的計算機硬件、虛擬實驗軟件等，這些是整合所必需的物質基礎。

4 虛擬實驗與真實實驗優勢互補

進行整合時，應當首先明確虛擬實驗和真實實驗各自的優缺點，只有這樣才能做到揚長補短、優勢互補。以上是筆者在研究基于虛擬實驗與真實實驗的整合在初中化學實驗教學中應用的一些看法，并對于為什么整合、整合什么、何時整合、如何整合等問題，給出了筆者的一些觀點，以期能為初中實驗教學提供一些有益的幫助。

參考文獻

[1] 初中化學新課程標準[OL].

[2] 何秀全，韓耀軍.整合資源構建“虛實結合”的計算機網絡課程實驗室[J].現代教育技術，2010，20(9):143-145.

[3] 李升源，劉宏，周克良，肖發遠，黃朝志.電工電子虛擬實驗與真實實驗的互補性[J].實驗技術與管理，2010，27(4): 74-76.

[4] 丁美榮，柴少明.基于虛擬實驗與真實實驗整合的計算機網絡實驗教學改革[J].現代教育技術，2007，17(7):99-102.

[5] 南國農.信息化教育概論[M].北京:高等教育出版社，2004:195-196.

[6] 何克抗，鄭永柏，謝幼如.教學系統設計[M].北京:北京師范大學出版社，2002:52-55.

[7] 王后雄.新理念化學教學論 [M].北京:北京大學出版社，2009:242-245.

Further Discussion of Integration of Both Virtual Experiment and True Experiment

—The Case of ‘To Produce Hydrogen on the Condition of the Laboratory ’in the Chemistry of the Junior Middle School

ZHANG Xue-jun WANG A-xi

(The College Of Educational Technology And Communication， Northwest Normal University， Lanzhou，Gansu 730070，China)

Abstract：The thesis firstly analyzes the current research status and the problems in the process of integration， then proposes the general integration mode of virtual experiment and true experiment in the process of experimental teaching in middle schools， and the case about the model applied to chemical experimental teaching. Finally some application principles of integration are proposed.

Keywords: virtual experiment; true experiment; integration; junior middle school chemical experimental teaching

*基金項目：本文為教育部人文社會科學研究規劃基金項目“初中化學網絡綜合虛擬實驗教學平臺的開發與應用研究”（編號：10YJA880182）的階段性研究成果。

收稿日期：2011年1月11日

編輯：小禾