虛擬仿真軟件在中學化學教學中的 應用研究綜述*

吳曉紅 王沺菁 康澤偉

摘 要：文章以CNKI所提供的有關“虛擬仿真軟件在中學化學教學中的應用”文獻數據為研究對象，以綜述的形式，從定量的角度對其文獻來源、發文趨勢進行分析，并利用文獻計量工具CiteSpace軟件對所研究文獻關鍵詞進行統計分析;從定性的角度對虛擬仿真軟件在中學化學教學中的應用特點、應用狀況進行分析，最后進行總結審思，以期為虛擬仿真軟件應用于中學化學教學研究后續發展提供參考。

關鍵詞：虛擬仿真軟件;中學化學教學;CiteSpace

中圖分類號：TP393 ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2020）20-0054-05

一、引言

新一輪的基礎教育改革是全面推進實施我國素質教育的主要途徑。教育部于2010年頒布了《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》，其中明確表明信息技術對我國教育發展具有重要作用，應強化信息技術應用，建立數字圖書館和虛擬實驗室[1]。2019年頒布的《教育部關于實施全國中小學教師信息技術應用能力提升工程2.0的意見》要求提升教師信息技術應用能力、學科教學能力和專業自主發展能力;建立教師主動應用機制，推動每個教師在課堂教學和日常工作中有效應用信息技術，促進信息技術與教育教學融合取得新突破[2]。

在當代科學技術快速發展的大背景下，虛擬仿真軟件應運而生。隨著新一輪課程改革的推進，各學校積極響應國家政策的號召，開始將虛擬仿真軟件廣泛應用于中學化學教學當中。因此有必要對虛擬仿真軟件在中學化學教學中的應用特點、應用現狀等方面進行綜述分析，以便為虛擬仿真軟件在中學化學教學中的研究后續發展提供參考。

二、虛擬仿真軟件應用于中學化學教學的定量分析

1.數據來源與研究方法

研究數據源自中國知網（CNKI）。通過中國知網搜索主題詞“虛擬”“仿真”“軟件”分別合并詞條“中學化學”，以“精確”為檢索條件進行高級檢索（包括期刊論文、碩博論文、會議論文、年鑒等），并在已檢索文獻范圍內對不符合要求的文獻進行篩選刪除，以保證所收集文獻的科學性和準確性。

以已搜索到的文獻數據為基礎，運用Excel辦公軟件、文獻計量工具CiteSpace軟件繪制圖譜，從定量角度分析“虛擬仿真軟件在中學化學教學中的應用”研究領域的文獻來源分布、資源類型分布、文獻增長趨勢及高頻關鍵詞等情況，并在此基礎之上從定性角度對其相關文獻進行分析與總結。

2.文獻來源與文獻發表分布

基于文獻檢索，截止到2020年3月共篩選出有效文獻136篇。從用Excel根據中國知網所提供數據制作的資源類型分布圖和來源分布圖可知（見圖1），有期刊論文55篇、碩士論文71篇、博士論文1篇、中國會議論文3篇，另有其他來源論文6篇。其中碩士論文占據大多數，四川師范大學、東北師范大學等高校對此有著較深入的研究。

3.文獻增長趨勢

通過Excel制作文獻發表總體趨勢分布圖（見圖2）可知，早在1989年就有對虛擬仿真軟件結合中學化學教學的研究，在2011年至2012年發文量大幅上升，在2018年再次到達研究高峰。數據的背后顯示出近年來虛擬仿真軟件在中學化學教學領域中的研究日益廣泛，也反映出了我國對教育技術發展的重視及信息技術融合教育發展的必然趨勢。

4.基于關鍵詞共現的研究分析

運用CiteSpace軟件對相關文獻關鍵詞進行分析可初步確定該領域的研究熱點。現將從中國知網檢索到的有效136篇文獻以Refwork格式導出至新建文件夾，再通過文獻計量工具CiteSpace軟件分析其關鍵詞數據，最終生成近年來我國在中學化學教學中有關虛擬仿真軟件的應用研究可視化關鍵詞共現圖譜。CiteSpace關鍵詞圖譜是由關鍵詞節點和連線組成的，節點越大代表關鍵詞出現的頻次越高，中心性越大，表明對此類研究越深，連線則代表關鍵詞間的聯系，節點附近連線越復雜則說明與這個節點關聯的其他研究越多。從圖3可明顯看到，以“中學化學”為核心的關鍵詞同時又與“實驗教學”“虛擬實驗”“計算機輔助教學”等緊密相關，且這些詞又相互關聯，這清楚地體現了實驗教學在中學化學教學中的重要地位，也反應出了虛擬仿真軟件在中學化學教學中主要應用于化學實驗教學方面。

在關鍵詞共現圖譜的基礎上，進一步利用CiteSpace軟件制作圖4所示的關鍵詞時區圖，統計了結合虛擬仿真軟件進行中學化學教學前后不同時期的研究熱點及在不同年份所出現的新的研究領域。從圖4中可清楚看到在1996年至2006年間，“中學化學”“計算機輔助教學”“化學實驗教學”與“信息技術”等熱詞相繼出現，成為與該領域相關的研究熱點，在2008年至2012年間，“虛擬實驗”“虛擬中學化學實驗教學”等成為該領域的熱門研究，從2015年至今，“虛擬仿真技術”“增強現實技術”等成為研究者們較為關注的領域。從這些熱詞的變化中可以發現，隨著化學課程與教學改革的推進，我國教育與信息技術的融合日益緊密，虛擬技術等新型現代教學媒體的研發和推廣速度日益加快，也體現了信息技術的發展與國家信息教育政策的順利實施。

三、虛擬仿真軟件應用于中學化學教學的定性分析

1.虛擬仿真軟件在中學化學教學中的應用特點

虛擬仿真軟件是一種基于虛擬仿真技術利用計算機進行模擬操作的現實軟件。利用虛擬仿真軟件進行教學，可以彌補當前化學教學中的許多不足。

（1）創設實驗情境，提高自學能力

在教師向學生說明展示某項實驗操作時，只是簡單口述和動作比劃并不能讓學生很好地理解，而通過虛擬實驗的演示則能讓學生充分感受化學實驗情境，激發學生的學習興趣，從而更好地理解實驗知識[3]。運用虛擬仿真軟件，學生可根據實驗所需藥品和儀器自主進行實驗預習和實驗探究，教師則可針對實驗問題進行提問，從而將學生由“被動”轉為“主動”學習[4]，提高學生自學能力。

（2）直觀教學表達，深化知識理解

在化學教學中，許多化學知識較為抽象，且無法用現有的實驗儀器予以直觀表達，而利用Flash等軟件，可將抽象知識具象化、形象化，深化學生對知識的理解，幫助學生建立宏觀與微觀體系的聯系[5]。

（3）增強實驗安全，經濟環保高效

虛擬仿真實驗可避免傳統實驗中所存在的實驗隱患[6]。以“稀釋濃硫酸”為例，由于水比濃硫酸的密度小，當水入酸時會發生噴濺，這時具有腐蝕性的濃硫酸也會隨水一起噴濺而出，造成實驗隱患，因此教師會一再強調“酸入水”的實驗步驟，但僅僅是口頭說明并不會讓學生對此產生深刻印象，這時通過虛擬仿真軟件模擬此實驗場景則會讓學生記憶猶新，并消除了原先的實驗安全隱患。此外，虛擬實驗中的儀器和藥品都可重復使用，在節約教學資金的同時也保護了環境[7]。

（4）不受時空束縛，開放靈活實驗

利用虛擬仿真軟件進行教學最大的優勢就是不受時間和空間的束縛[7]。許多中學教學中涉及到的工業實驗如“鐵的冶煉”，在實際課堂教學中只能以講述或視頻的方式呈現給學生，而通過虛擬仿真軟件模擬鐵的工業冶煉可以讓學生對其中原理的理解更加透徹。許多實驗如“鐵生銹”需要漫長的反應時間，而利用虛擬仿真軟件可調節反應時間創建理想的實驗條件。虛擬仿真實驗室具有節省反應時間、允許學生不受時間、地點限制反復實驗的特點[8]。

然而目前為止，虛擬仿真軟件在中學化學教學的應用中也有其自身無法克服的一些缺陷。謝建平結合多年教學經驗對虛擬仿真軟件在中學化學教學中的應用狀況做了一系列分析和調查，認為現階段虛擬仿真軟件的硬件設施建設還不夠到位，無法廣泛為虛擬仿真軟件的應用提供基礎平臺;軟件設施還不夠完善，大部分教師都贊同將虛擬仿真軟件運用于實際教學中，但虛擬仿真軟件的開發進度緩慢，可應用的軟件種類較少，許多學校的師生還未完全將該類軟件應用于實際教學中[9]。目前大部分學校還是以教師傳統講授為主，并未將線下所擁有的軟件真正落實到課堂實際教學中。黃紅梅、嚴海林等人表示化學仿真實驗效果不能與真實實驗媲美[10]，其在實驗操作觸感、實驗現象等方面與真實實驗相比還存有較大差距。

2.虛擬仿真軟件在中學化學教學方面的應用現狀

136篇有效文獻中，至少有69篇專門論述中學化學教學中常見的某種虛擬仿真軟件，現對以下在現階段中學化學教學中應用的主要軟件及其應用現狀進行綜述分析：

（1）NOBOOK

“NOBOOK”簡稱“NB”，該虛擬仿真軟件是一款全新的實驗教學軟件，它依托現代計算機應用技術，組成與實際實驗環境高度相近的虛擬實驗室[11]。教師或學生可利用NB軟件在虛擬實驗室進行虛擬實驗操作，完成所要掌握的化學實驗內容。鐘桂香以“濃硫酸與銅反應”為例，針對原有教學設計中“實驗存在安全隱患”“教學環境存在局限性”“教材上的裝置存在一定弊端難以達到實驗預期效果”等問題[11]，運用NB軟件進行實驗教學，從而得到直觀、綠色的教學效果。雷江蛟開展了基于NB虛擬實驗室的混合教學模式實踐，他事先讓學生對本節課進行預習，并以提問的方式引導學生分組進行虛擬實驗操作，學生通過虛擬實驗對實驗現象有了直觀的認識，對實驗過程有了清晰的掌握，極易實現理論知識的自主構建[12]。為了讓學生對一氧化碳可燃性的了解更加透徹，朱世根等人通過NB虛擬實驗平臺進行相關演示實驗，其總結認為利用NB軟件進行實驗能展示出由于操作不當而導致的爆炸等在實際實驗課堂中無法演示的危險后果，并可重復實驗深化學生的理解，使學生注重實驗安全并形成實驗操作規范意識[13]。但目前NB虛擬仿真軟件在我國還未被廣泛使用，且由于技術尚未成熟，只適用于一些較為基礎的化學實驗。王軍表示，在學生進行虛擬實驗操作時，教師的指導作用不可或缺[14]。現階段NB虛擬仿真軟件主要作為中學化學實驗教學的輔助工具。

（2）Flash

Flash軟件是一款動畫制作軟件，Flash動畫可模擬微觀粒子，化抽象為具體，便于學生學習理論性較強或很抽象的知識。以“原子的構成”為例，這一課題主要是向學生介紹看不見的微粒，知識點較為抽象，需讓學生做α粒子散射實驗進行觀察理解，而中學實驗室不具備此類高級實驗儀器，黃郁郁利用Flash動畫軟件很好地克服這一條件限制[15]。電化學基礎單元中“金屬的電化學腐蝕與防護”，誘發金屬生銹需要較長時間，而本節課程重要的知識點之一便是探究“金屬如何與空氣接觸發生反應”，教師無法向學生提供實際的演示實驗，也難以安排學生在課堂上進行此類實驗操作，梁希瞳進行基于Flash動畫的課堂活動分析，運用Flash動畫演示了析氫腐蝕和吸氧腐蝕的過程及原理，向學生很好地展示了電子流向，讓學生充分理解電解池與原電池的工作原理[16]。Flash有助于學生建立微觀世界模型，探索難以觸摸的感知和反應原理。需注意的是由于大多數Flash課件只能以編程好的動畫展示給學生，陳志勝等人經過實際操作表示其動畫制作具有一定難度，有些制作過程涉及編程語言，不利于計算機基礎較差的教師熟練使用[17]。

（3）VR技術（Virtual Reality）

VR技術（Virtual Reality）又簡稱VR技術，是一種能夠利用計算機與其他設備軟件營造三維立體空間環境的技術，參與者通過佩戴VR設備，仿佛置于真實的化學實驗環境[18]。楊壯林等人總結VR技術在化學教學中具有安全性、高效率性等優點[19]，以高錳酸鉀制取氧氣實驗中的“先撤酒精燈還是先撤導管”知識點為例進行實踐，以實際實驗講解這個知識點時存在一定的危險性，若僅在口頭上向學生講解先撤酒精燈會使水流倒吸而引發爆炸，對學生來說印象不夠深刻，為了使學生牢記這一知識點，可利用VR技術進行操作引發虛擬爆炸，使學生能夠更加直觀、安全地參與到化學實驗中去;又以“酸堿滴定”實驗操作為例，現實環境中酸堿中和反應幾乎是瞬間完成的，滴定實驗操作很難控制，而利用VR技術在虛擬環境中進行實驗，學生則會觀察到離子碰撞的整個微觀過程[19]，使得實驗成功率得到很大提升，從而提高實驗教學效率。李嘉講到VR技術可讓學生獲取三維空間的抽象概念內容，學生可使用VR眼鏡觀察3D分子結構，體會化學分子世界之美[20]。但正如樊藝蕾等人所提到的，VR技術應用投資巨大，設計某一特定VR化學實驗過于耗費時間和精力，且進入虛擬環境需要佩戴接觸設備，會有學生因額外的重量感而導致身體不適或不習慣沉浸式虛擬現實系統復雜的環境，學習后期可能出現大腦活動負荷過重等問題[21]。因此目前為止VR技術在中學實際課堂教學中的應用較少。

（4）GaussView軟件

GaussView軟件是一款應用于中學化學教學的圖形軟件，主要應用于分子晶體的結構教學。張翼在有機化學的實際教學中發現該軟件功能強大、方便且美觀，是一款良好的化學教學輔助性軟件[22]。田亞利等人表明相較其他圖形軟件，GaussView在分子和晶體結構設置上更具優勢，該軟件不僅可以繪制分子結構圖，還可設置分子的二面角通過旋轉基團查看不同角度的分子結構，并能任意替換原子和基團繪制其他分子結構[23]。現階段在中學教學中所涉及到的結構化學和有機化學知識較為基礎，因此GaussView軟件非常適合應用于中學化學的教學，但該軟件大部分并非免費使用，因此還有待普及。

四、總結審思

1.虛擬仿真軟件在中學化學教學中發揮著重要作用

通過上述分析可知，我國對信息化教學研究予以重視。虛擬仿真軟件作為輔助教學工具尤其在化學實驗教學領域中發揮著重要作用。運用虛擬仿真軟件教學有利于培養學生的宏觀辨識與微觀探析能力，開拓學生的科學探究思維，幫助學生建立認知模型并滲透化學知識，感受化學魅力。我國教學改革提倡加強學生在課堂中的主體作用、增強學生的創新意識、結合信息化技術培養學生的科學素養，虛擬仿真軟件的應用有助于這些目標的實現。

2.虛擬仿真軟件在中學化學教學中應被選擇性使用

經上述分析，我國目前常用于中學化學教學的仿真軟件有NB虛擬仿真軟件、Flash動畫制作軟件、基于VR技術的虛擬實驗室及GaussView圖形軟件等。結合筆者在中學兩年的實踐研究與調查可知，應根據不同地區的發展水平、實驗難易程度、實驗重難點、實驗安全性能及教師的計算機操作能力等因素選擇性使用虛擬仿真軟件。如在進行重難點實驗講解或存在易燃易爆危險性較高的實驗時，教師和學生可選擇NB虛擬仿真軟件進行實驗操作，有條件的地區和學校也可采用VR技術進行虛擬實驗;在向學生講解如“原子的構成”等復雜抽象的教學內容時，教師可選擇制做Flash動畫向學生進行直觀的實驗教學;在講解結構化學與有機物時可利用GaussView軟件進行教學......雖然我國現階段很多地區都已開始將技術與教育相融合，但還有部分地區沒有先進的技術和條件進行此類教學，因此在積極倡導發展虛擬仿真軟件應用的同時，也要注重客觀現實條件和教學內容的不同而進行選擇。

3.虛擬仿真實驗無法代替中學化學教學中的真實實驗

周曉敏、陳燕通過問卷和訪談調查了中學化學教師對虛擬仿真實驗室的認可度與應用意愿度，其調查結果顯示，雖然現下中學化學教師對虛擬仿真軟件的認識度普遍較高，且大部分教師都對虛擬仿真軟件應用于中學化學教學表示認可，但從其數據統計結果來看，中學化學教師對虛擬仿真實驗的認可主要是因為虛擬仿真軟件能夠輔助教學，而對虛擬仿真實驗能否提高實驗動手能力和培養科學嚴謹性等方面則持保留意見[24]。盡管虛擬仿真軟件有著許多優點，但目前該技術尚未成熟，仍受多種客觀或主觀條件的限制。在觸覺、視覺、嗅覺上的真實感官刺激目前任何一個軟件和技術平臺都無法替代真實實驗所給予的。因此能讓學生動手的實驗，不提倡用虛擬仿真實驗代替。目前虛擬仿真軟件應作為一類教學輔助工具輔助實際實驗進行教學，其發展還有待進一步研究探索。

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（編輯：魯利瑞）