翻轉課堂與虛擬技術在初中化學教學中的應用研究*

☆王紅玉趙冬梅梁小帆李夢菲張紅新趙靜茹

（河北師范大學信息技術學院，河北石家莊050024）

翻轉課堂與虛擬技術在初中化學教學中的應用研究*

☆王紅玉趙冬梅梁小帆李夢菲張紅新趙靜茹

（河北師范大學信息技術學院，河北石家莊050024）

虛擬仿真技術與翻轉課堂教學模式的迅速發展與完善，使其成為了優化教學的有效手段。文章首先調查了偏遠地區初中化學學科的教學現狀，然后研究了翻轉課堂教學模式以及虛擬技術相關理論，結合當地的實際情況提出了基于翻轉課堂與虛擬技術的初中化學教學方案。該方案在翻轉課堂教學模式的基礎上，引入了虛擬技術，為學生提供更實用的教學資源，克服了實驗操作過程中存在的一些弊端，為解決信息技術教學面臨的困境探究出了一種可行的發展策略。

翻轉課堂；虛擬技術；化學實驗

一、概述

化學是一門以實驗為基礎的自然學科，在義務教育階段化學課程以科學探究為主要教學方式?！度罩屏x務教育化學課程標準（實驗稿）》（以下簡稱《標準》）［1］的教學理念強調，基礎教育的任務不僅僅是傳授知識，更重要的是變革傳統的學習方式，改變單一的接受式學習，掌握科學的學習方法。學習過程中注重學習的研究性、參與性、體驗性和實踐性，培養終身學習的愿望和能力，促使學生知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀的整體發展。

《標準》對教學的方式、目標有了更高的要求，但通過實地考察與訪談以及參閱文獻，發現目前偏遠地區的化學學科教學遇到的瓶頸主要有以下幾個方面。

（1）許多實驗在真實環境下具有難操作性、危險性、實驗周期長、實踐結果不明顯、藥品存在危害性以及實驗設備過于昂貴等情況，因此，在教學中這些實驗課程無法進行實際操作練習。

（2）受到傳統教學模式以及中學升學考試的制約，教師對實驗教學的重視度偏低，實驗課的課時設置不寬裕，忽略學生實驗操作技能的培養。

（3）在崗教師缺乏教學技能的更新，在教學模式、教學策略的選擇上比較單一，多以講授法進行實驗過程的描述。教師本身缺乏使用新媒體技術的操作技能，不能將新媒體有效整合到教學中。描述性的教學過程不能很好地培養學生的觀察能力，無法激發學生的學習興趣、增強學習主動性，使實驗教學效果大打折扣。

（4）偏遠地區的教學現狀相對落后，在教學方式上大多仍采用傳統的教學方式。受經費的限制，實驗室設備陳舊，儀器老化且數量不足，可操作的實驗數量和規模有限。

要實現教學方式的變革與達到三維教學目標，必須變革傳統的教學模式，嘗試與探索新的教學模式——翻轉課堂教學模式。

翻轉課堂教學模式亦稱為反轉課堂或顛倒課堂［2］。所謂翻轉課堂，就是在信息化環境中，課程教師提供以視頻為主要形式的學習資源，學生在上課前完成對教學視頻等學習資源的觀看和學習，師生在課堂上一起完成作業答疑、協作探究和互動交流等活動的一種新型的教學模式［3］。翻轉課堂教學模式與傳統教學模式的不同之處表現在：教師在課前給學生發布教學資源，學生根據學習目標和自己的認知情況，結合教學資源進行自主學習；教師在課堂內作為教學的組織者、引導者、解惑者，學生在課堂內作為學習主體，進行知識的探究與內化。

翻轉課堂教學模式成為實現新課改三維目標的橋梁，雖然這種新的教學模式的優勢在其它學科中的效果十分顯著，但是在化學學科教學中的使用效果并不理想，制約因素如下：

（1）教學資源的形態：課程教師提供以視頻為主要形式的學習資源。然而，化學學科是一門以實驗為基礎的自然學科，學習化學的最好方法是實驗操作練習，學生自身通過對實驗以及實驗現象的觀察、記錄以及分析加強對化學原理的理解、學習科學探究的方法、獲取化學知識等。《標準》中，三維目標的實現需要一個動手操作性的過程。

（2）教學資源的使用方式：學生通過微視頻資源進行課前的自主學習。微視頻教學資源的學習，僅僅刺激學生的視覺與聽覺感知，無法實現多感觀的刺激以達到培養學生技能的操作性和科學的探究性的目標。

這兩點因素嚴重制約新課改的《標準》中的教學理念的實現，即變革傳統的學習方式，改變單一的接受性學習，掌握科學的學習方法，學習過程中注重學習的研究性、參與性、體驗性和實踐性，培養終身學習的愿望和能力，促使學生知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀的整體發展。

翻轉課堂教學模式有優亦有弊，關鍵在于使用者如何把握。為了克服翻轉課堂教學模式的弊端，特在翻轉課堂教學模式的教學資源中引入了虛擬技術。虛擬實驗以仿真化學實驗為主，融入了多媒體技術、虛擬技術等多項技術，目的在于為課下學生的自主學習與科學探究提供學習平臺。

近年來，虛擬現實技術成為計算機科學與其它技術科學領域研究和開發的熱點。隨著此技術的發展，虛擬實驗在教育教學中發揮了重大作用，它具有知識綜合性、教學創新性、實驗應用性的特點［4］，提高了學生分析解決問題的能力，解決了教學中教學過程過于抽象的問題。

二、翻轉課堂教學模式在化學教學中的優勢

在化學教學中采用翻轉課堂教學模式有如下優勢：

（1）教學環節方面：翻轉課堂教學模式徹底變革了傳統的教學方式。變革前的教學模式：課中教師講授知識，課后學生通過完成作業鞏固課堂知識。變革后的教學模式：課前學生根據學習目標，自主安排學習時間和選擇學習地點，通過微視頻、電子素材進行自主學習；課中則進行答疑、解惑、協作、探究等活動；課后學生通過網絡平臺，共享教學資源、交流所思、所想、所獲。

（2）師生角色方面：在傳統課堂教學中，教師一直處于主導和主動地位，是知識的傳播者，學生是被動的接受者。在翻轉課堂教學中，教師變成課程的分析者、制作者以及實施者，而學生轉變為積極主動的參與者，學生可以按照自己的實際情況，自主安排學習時間和選擇學習地點，還可以結合自己的認知程度，自由選擇觀看微視頻的范圍和次數，這可以避免學習的時間和節奏被教師主宰的現象，有利于培養學生的自主性學習能力的提高。

（3）教學資源方面：在傳統教學中，教學資源主要包括教材、講義、多媒體課件等。而在翻轉課堂教學中，短小精悍的微課視頻是最為重要的教學資源。

（4）教學環境方面：將一貫的教室授課環境變得多樣化，學習環境由以前單一的教室變得靈活。在課前學習環節，學生可以在有網絡覆蓋的任何場所通過學習終端根據自己不同的情況選擇學習資源及學習進度。學生可以進行碎片化學習，從而更加高效地利用課余時間。

三、虛擬技術在化學教學中的優勢

虛擬技術使用到化學實驗平臺有如下優勢：

（1）開放性：平臺的使用不受時間和空間的約束，學生課下可以自由安排學習時間、學習環境，進行課程的預習、技能鞏固、科學探究。

（2）仿真性：虛擬化學實驗是對現實化學實驗環境的模擬，學生通過仿真實驗平臺進行實驗操作的預習、操作技能的訓練、科學探究來學習現實生活中的知識。

（3）強交互性：通過虛擬實驗平臺進行的實驗操作可以呈現類似真實實驗過程中的物理變化、化學變化和實驗結果具體的聲音、顏色、動態效果等。

（4）節約成本、降低危險度、減少污染：學生在課前通過平臺進行實驗探究，可以初步掌握實際操作過程中儀器的使用方法、藥品的用量控制、實驗操作過程中的注意事項、緊急情況的處理辦法以及實驗結束后實驗藥品的處理、儀器的清洗與歸置等操作。

（5）沉浸感：雖然脫離了真實實驗的操作環境，但此平臺的強交互性為學習者創造類似真實實驗的身臨其境感，讓學習者在使用過程中沉浸其中。

四、基于翻轉課堂教學模型的虛擬技術在初中化學教學中的應用

在新課改的背景下，翻轉課堂教學模式在基礎學科中的應用得到了推廣，但目前對于翻轉課堂在化學學科教學中的應用研究甚少，主要制約因素是化學是一門以實驗為基礎的自然學科，義務教育階段化學課程以科學探究為主要教學方式。即使將翻轉課堂教學模式引入化學學科教學達到變革教學結構的目的，但也不能完全實現新課改的三維教學目標。為了達到《標準》的要求，需要以翻轉課堂教學模式為基礎，在此基礎上引入虛擬技術，即基于翻轉課堂教學模型的虛擬技術在初中化學教學的應用。以翻轉課堂模式為橋梁，學生通過微視頻進行課前預習，初步了解實驗教學中的操作技能以及實驗注意事項，然后通過移動終端可以進行實驗的操作模擬，逼真的操作場景、人性化的操作界面、及時的結果反饋，這些都有利于激發學生的學習興趣，促進科學探究的實現。

以加熱氯酸鉀制取氧氣為例，課前學生通過微視頻的初步學習，自己在仿真化學實驗室進行實驗的操作，主要操作步驟如下：

（1）確定需要的實驗儀器、儀器的安裝。

（2）確定需要的化學藥品，根據需要量取用化學藥品并加入到實驗儀器中。

（3）檢查裝置的氣密性。

（4）仔細觀察實驗過程，記錄實驗現象。

（5）收集反應產物，分析實驗結果。

（6）實驗裝置的拆卸、儀器的清洗與歸置。

圖1　加熱氯酸鉀制取氧氣實驗

課中，教師對學生存在的疑難問題進行課堂答疑，重點強調實驗操作過程中的注意事項。有了課前的實驗操作過程的演示以及課上的疑難解答，此時再進行真實實驗的操作不僅事半功倍，還可以降低實驗的危險性，減少實驗設備的損壞，降低對藥品及環境的污染，提高實驗操作的準確性，增強學生的操作技能。

課后，學生可以通過仿真化學實驗室進行技能的鞏固練習，通過科學探究去改進實驗，使學生積極主動地構建化學知識，增強操作技能，掌握化學實驗操作過程的步驟及注意事項，培養對化學學科探究的情感，激發學習化學的興趣，初步形成科學探究能力。

五、結束語

本文主要闡述了基于翻轉課堂教學模型的虛擬技術在初中化學教學中的應用研究。筆者認為，目前教師與學生對翻轉課堂教學模式在教學中的應用基本認可，考慮到化學實驗教學的操作性與探究性，在翻轉課堂教學模式的基礎上引入了虛擬技術，為學生提供更實用的教學資源。虛擬實驗具備開放性、仿真性、強交互性、節約成本、降低危險度、減少污染、沉浸感等優點，但虛擬實驗使用的普及需要一個過程。該平臺的使用主要在課下，學生必須具備一定的計算機操作技能，還需要具備學習的自主性與探究的積極性，這些問題的解決需要進一步的研究。

［1］中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準（2011年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2012.

［2］張明，郭小燕.“互聯網+”時代新型教育教學模式的研究與啟示——微課、慕課、翻轉課堂［J］.電腦知識與技術，2015，（12）：167-171.

［3］鐘曉流，宋述強，焦麗珍.信息化環境中基于翻轉課堂理念的教學設計研究［J］.開放教育研究，2013，（01）：58-64.

［4］朱柱.基于Unity3D的虛擬實驗系統設計與應用研究［D］.武漢：華中師范大學，2012，24（5）：3-7.

*項目：河北師范大學2016年大學生學術科技創新項目“翻轉課堂與虛擬技術在初中化學教學中的應用研究”（項目編號：BB201637393336）。

［編輯：鄭方林］

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1671-7503（2016）17-0031-03