初中化學虛擬實驗國內研究現(xiàn)狀

呂向南+趙一鳴

摘 要：隨著計算機網絡、多媒體技術的普及，虛擬實驗慢慢發(fā)展起來了，它可以彌補傳統(tǒng)實驗的不足，給學生帶來全新的體驗。文章從教育技術學專業(yè)期刊中對虛擬實驗的文章數(shù)量、作者情況、研究內容進行研究，對目前我國虛擬實驗存在的問題和不足，提出相關的建議。

關鍵詞：化學；虛擬實驗；研究現(xiàn)狀

根據《義務教育化學課程標準（2011）版》倡導在化學教學中創(chuàng)設以實驗為主的科學探究活動，以此激發(fā)學生的學習興趣，提供學生的科學探究能力。[1]而當前實際的情況，由于經濟的原因、安全的原因、環(huán)保的原因，傳統(tǒng)的實驗不能完成這一要求。為了解決這一難題，化學虛擬實驗逐漸發(fā)展起來了，少數(shù)已經運用到了學習生活中。[2]本文針對化學虛擬實驗的發(fā)展在這一階段做一個總結性的研究，從中找出問題，解決問題。

1.研究資料的來源與統(tǒng)計

我國教育技術核心期刊上的文章能在一定程度上反映出我國教育技術研究領域的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。本文對國內現(xiàn)狀分析的資料來源于中國教育技術的核心類期刊，選取了《電化教育研究》、《中國電化教育》、《遠程教育雜志》、《中國信息技術教育》作為教育技術學代表期刊，使用萬方數(shù)據庫進行高級檢索，時間跨度為2003年到2013年，以主題為“化學虛擬實驗”進行檢索，采用內容分析法對近十年虛擬實驗在我國的研究現(xiàn)狀及存在的問題進行探究。從文章數(shù)量、作者情況和所研究內容三個方面進行分析，了解目前虛擬實驗在我國的研究現(xiàn)狀。分別針對以上六本雜志進行分別搜索，在除去重復文章和非教學領域的文章，得到有效文章13篇，因此，本文最終應用的文章有13篇。2003年至2013年中每年發(fā)表數(shù)量如表1所示。

筆者針對這幾篇文章的作者和所在單位進行統(tǒng)計，得出以下幾點結論：（1）對化學虛擬實驗進行研究的單位大多是高等院校，占總數(shù)的77%，對虛擬實驗進行研究的人員大都是高校的理工科的研究生，一線教師參與其中進行研究的不多；（2）對化學虛擬實驗進行研究的地區(qū)極度不平衡的，大多集中在吉林、陜西等地。

2.研究現(xiàn)狀

通過對這些文章的研究內容分析，這13篇文章可以歸納為化學虛擬實驗的設計開發(fā)、教學模式、理論介紹、開發(fā)工具介紹、應用研究、平臺介紹這幾個方面。如表3所示。其中教學模式占總數(shù)的31%，虛擬實驗設計開發(fā)占總數(shù)的23%，理論介紹15%，開發(fā)工具介紹占15%，應用研究和平臺介紹分別占總數(shù)的15%。文章沒有專門的介紹開發(fā)工具的篩選情況，因為就文章作者的學科背景來看，大都是教育技術專業(yè)。使用的開發(fā)工具二維虛擬實驗居多，例如使用Flash、Actionscript語言、Flash3D進行的開發(fā)，也有使用Virtools進行化學虛擬實驗開發(fā)的，相對來說，使用三維虛擬實驗開發(fā)工具進行開發(fā)的不多，由于沉浸性不強，給人帶來的視覺沖擊強度不大。從圖中可以看出，理論研究居多，而實際在課堂中的運用，反饋，反思則不多。另外，設計這個虛擬實驗平臺的人員大都是信息技術專業(yè)的，化學學科專業(yè)知識欠缺，也沒有相關專業(yè)人員的加入，是目前虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)的一大缺陷。

3.目前研究中存在的問題與建議

虛擬實驗由于其成本低、效率高、功能全、協(xié)作性、環(huán)保無污染的特點，可以讓學生隨時隨地做實驗，不受時空的限制。但是，在開發(fā)使用的過程當中也存在以下需要注意的問題。

3.1研究人員方面

總體來說，對虛擬實驗進行開發(fā)的人員大都是高等院校的專門研究機構、研究生或企業(yè)開發(fā)，專業(yè)功能較強，學科背景偏向計算機，是虛擬實驗研發(fā)的主力軍，與課程完美結合的產品不多見，教學內容不夠系統(tǒng)和全面。[3]而廣大初中化學教師，尤其是教學經驗豐富的一線化學教師卻很少參與到虛擬實驗的研發(fā)中來。化學虛擬實驗的研發(fā)主要是彌補傳統(tǒng)化學實驗教學的不足。以高校教師和研究生為主的研發(fā)人員由于大多數(shù)無化學學科背景，切缺乏實驗教學經驗，在虛擬實驗內容的安排上通常選擇參照初中化學教材和相關文獻。這樣一方面會導致最終研發(fā)的虛擬實驗內容安排生硬、過時、靈活性大打折扣；另外一方面也使得研發(fā)的虛擬實驗多是對真實實驗的重復，照本宣科，毫無新意。[4]

而一線教師由于本課程自身的任務，不能投入更多的精力去學習虛擬實驗的開發(fā)，他們具有豐富的實驗經驗，高校的研究人員可以邀請一線教師加入其中，在虛擬實驗的開發(fā)過程當中，向一線教師請教專業(yè)的學科知識方面的問題，做出來的系統(tǒng)可利用價值就比較高。

3.2開發(fā)工具的使用

化學虛擬實驗開發(fā)工具使用的最多的是Flash，F(xiàn)lash是一種動畫創(chuàng)作與應用程序開發(fā)于一身的創(chuàng)作軟件，創(chuàng)建數(shù)字動畫、交互式Web站點、桌面應用程序以及手機應用程序開發(fā)提供了功能全面的創(chuàng)作和編輯環(huán)境。Flash廣泛用于創(chuàng)建吸引人的應用程序，它們包含豐富的視頻、聲音、圖形和動畫。Flash動畫是一種演示的動畫，可以使用ActionScript 3.0開發(fā)高級的交互式項目。使用Flash和Actionscript開發(fā)出來的化學虛擬實驗是二維的虛擬實驗，沉浸性不強。

法國擁有許多技術上尖端的小型引擎或平臺公司，Virtools是其中的一款，Virtools可以制作具有沉浸感的虛環(huán)境，它對參與者生成諸如視覺、聽覺、觸覺、味覺等各種感官信息，給參與者一種身臨其境的感覺。是一種新發(fā)展的、具有新含義的一種人機交互系統(tǒng)。但是不能在其中進行模型的建造，需要使用3ds max進行建模。三維開發(fā)工具開發(fā)出的虛擬實驗沉浸性有所增強。優(yōu)秀的三維開發(fā)工具還有很多，目前運用到化學虛擬實驗上的三維開發(fā)工具太單一，而且學習周期長，關于開發(fā)工具的選擇，還需要繼續(xù)尋找，達到學習周期短，沉浸性強的目的。

3.3教學設計方面

教學設計方面的文章占論文總數(shù)的15%，其中在《基于初中化學虛擬實驗的“雙案”教學設計》，張學軍和梁相梅提出“雙案”教學設計，既有原來教師的教案設計，又有“學案”設計。教案和學案合在一起簡稱“雙案”，其中“學案”是指教師依據學生的認知水平、知識經驗，為知道學生進行主動的知識建構而編制的學習方案。學案實質上是教師用以幫助學生掌握教材內容，溝通學與教的橋梁，也是培養(yǎng)學生自主學習和構建知識能力的一種重要媒介。具有“導讀、導聽、導思、導做”的作用。[5]

張學軍和王阿習的《虛擬實驗與真實實驗整合的進一步探討》，給出了虛擬實驗與真實實驗結合起來使用的理論指導，減少本末倒置的現(xiàn)象發(fā)生。[6]徐妲，鐘紹春和馬相春的《基于翻轉課堂的化學實驗教學模式及支撐系統(tǒng)研究》一文中，引入新的教學模式，在課程開始之前，學生對要學習的內容進行探究式學習，提供的可交互的虛擬實驗環(huán)境，可以讓學生隨時隨地進入到系統(tǒng)中進行虛擬實驗。可以避免危險性的實驗，觀察微觀的物質運動與相互作用等等。[7]

3.4實際運用方面

在化學虛擬實驗教學設計、學習活動設計方面理論的文章占總數(shù)的31%，在化學虛擬實驗投入到課堂使用的教學模式設計方面的文章比較多，實際運用方面的文章很少，只占總數(shù)的8%。實際投入到課堂中使用的虛擬實驗大都是二維的虛擬實驗，沉浸性不強，深入到微觀層面的分子運動的實驗系統(tǒng)也很少，關于使用后的反饋相關文獻就更少了。在未來的研究中要加大實際運用的力度，及時得到反饋、改進。

4.結語

通過對化學虛擬實驗在相關期刊上論文的數(shù)量來看，還有待進一步的發(fā)展。在原來發(fā)展的基礎上，系統(tǒng)開發(fā)的研究人員要與一線有經驗的教師一起，開發(fā)出靈活、可擴展、深入到分子運動微觀層面的平臺，運用相關的理論，在課程中投入使用，在使用的過程中，觀察學生的學習情況，發(fā)現(xiàn)問題，及時反饋，修改維護，投入新一輪的使用。使學生在認知、情感、態(tài)度領域有進一步的提高，激發(fā)他們學習的興趣，提高學習的效果。

參考文獻：

[1][4]朱敏，劉鵬飛.虛擬實驗在化學實驗教學中的應用策略研究[J].軟件導刊，2013.

[2]張冰.化學實驗虛擬軟件在農村初中應用中的體會[J].教育技術，2013.

[3]王基生，于平太，李瑩，孫苗苗.虛擬實驗平臺開發(fā)和應用的理性思考[J].現(xiàn)代教育技術，2010.

[5]張學軍，梁相梅.基于初中化學虛擬實驗的“雙案”教學設計[J].現(xiàn)代教育技術，2013.

[6]張學軍，王阿習.虛擬實驗與真實實驗整合的進一步探討[J].現(xiàn)代教育技術，2011.

[7] 徐妲，鐘紹春，馬相春. 基于翻轉課堂的化學實驗教學模式及支撐系統(tǒng)研究[J].遠程教育雜志，2013.endprint