虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

呂向麗，劉春玲

(1.吉林師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.吉林師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，吉林 梨樹 130600)

教育部2018年推出了《教育信息化2.0行動(dòng)》，強(qiáng)調(diào)教育信息化。在教育上，遵循教育原則與規(guī)律，科學(xué)運(yùn)用教育方法，從而切實(shí)提高學(xué)生的思想教育水平。傳統(tǒng)教學(xué)中的“一人一黑板一粉筆”的教學(xué)模式，早已不適用現(xiàn)代培養(yǎng)人的要求。于此同時(shí)，隨著5G時(shí)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(xué)技術(shù)與現(xiàn)代信息化建設(shè)應(yīng)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(shù)讓學(xué)生在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中深度學(xué)習(xí)，既滿足了學(xué)生自身發(fā)展的需求，又適應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展。通過虛擬仿真技術(shù)，在創(chuàng)建的化學(xué)實(shí)驗(yàn)情境中利用虛擬仿真技術(shù)讓學(xué)生學(xué)以致用，促進(jìn)知識(shí)的遷移與應(yīng)用，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生合作能力、創(chuàng)新與創(chuàng)造能力的目的。利用虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)教學(xué)過程，構(gòu)建學(xué)習(xí)由淺入深，由易到難的教學(xué)模式、流程與策略，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)探究能力。

1.2 實(shí)踐意義

眾所周知，任何研究的實(shí)踐意義都是建立在理論研究的基礎(chǔ)之上。由于部分化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜、危險(xiǎn)系數(shù)高，因此在課堂上無法演示。將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用到化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，解決并完善了傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一些問題。例如，將虛擬仿真技術(shù)更好地融入化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以給學(xué)生增加試錯(cuò)的機(jī)會(huì)，同時(shí)，也能對(duì)那些危險(xiǎn)系數(shù)高、污染環(huán)境的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真操作，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

2 國內(nèi)外研究成果

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1.1 文獻(xiàn)數(shù)量分析

隨著時(shí)代的發(fā)展，教育也在不斷地迎來新的方法與機(jī)遇。其中，虛擬仿真技術(shù)從20世紀(jì)80年代到今天，也實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。尤其在理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，虛擬仿真技術(shù)的意義十分重大，因此，關(guān)于虛擬仿真技術(shù)的研究也層出不窮，虛擬仿真技術(shù)也得到了更加完善的發(fā)展。

1)國內(nèi)數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)數(shù)量分析

以“虛擬仿真教學(xué)”為關(guān)鍵詞，在中國知網(wǎng)中進(jìn)行檢索，從2014年到2022年期間(截至2022年6月止)共發(fā)表文章2010篇。其中，學(xué)術(shù)期刊1715篇，學(xué)位論文95篇，相關(guān)會(huì)議39篇。筆者以橫坐標(biāo)為發(fā)表年份，以縱坐標(biāo)為發(fā)文總數(shù)進(jìn)行做圖，如圖1所示。由圖1看出，從2014年到至今，關(guān)于虛擬仿真技術(shù)的文章一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。因此，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

圖1 國內(nèi)虛擬仿真教學(xué)論文發(fā)表

近些年虛擬仿真教學(xué)分布如圖2所示。可以發(fā)現(xiàn)，虛擬仿真教學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域均有涉及，虛擬仿真教學(xué)適用于高等教育、中等教育等。

圖2 國內(nèi)虛擬仿真教學(xué)論文發(fā)表學(xué)科分布

2)國外數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)數(shù)量分析

同樣，對(duì)近些年的外文文獻(xiàn)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，外文文獻(xiàn)中虛擬仿真教學(xué)更多的涉及醫(yī)學(xué)、技術(shù)工程等方面。虛擬仿真教學(xué)是在一些理論的支撐下發(fā)展起來的，比如認(rèn)知理論、構(gòu)建主義理論、操作學(xué)習(xí)理論、STEAM學(xué)習(xí)理論等等。

2.1.2 文獻(xiàn)內(nèi)容分析

1) 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

虛擬仿真(Virtual Reality)，也就是虛擬現(xiàn)實(shí)，也稱模擬技術(shù)，就是用虛擬的環(huán)境模仿真實(shí)的環(huán)境，并且可以十分逼真。通過現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境之間的相互作用，使學(xué)生從中獲得真實(shí)的體驗(yàn)和感受，從而達(dá)到預(yù)期的教學(xué)與學(xué)習(xí)效果，為教育帶來明顯價(jià)值。虛擬仿真技術(shù)能夠打破時(shí)間和場(chǎng)地的限制，使學(xué)生置身于十分逼真的場(chǎng)景中，去探索和交流化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的奇妙變化。王春提出，化學(xué)實(shí)驗(yàn)是以反應(yīng)現(xiàn)象為基礎(chǔ)，而傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作危險(xiǎn)、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，很多教師不得已將實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)檎Z言文字傳輸給學(xué)生，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程不理解，不利于學(xué)生的思維和實(shí)踐能力的發(fā)展；對(duì)于一些實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，控制變量較多的實(shí)驗(yàn)，課堂操作是不可能實(shí)現(xiàn)的，而利用虛擬仿真技術(shù)，可以省去實(shí)驗(yàn)過程中的等待時(shí)間，較好的控制變量，跨越時(shí)間的限制，從而提高了課堂效率[1]。虛擬仿真技術(shù)能夠提高學(xué)生對(duì)化學(xué)的濃厚興趣，大多數(shù)學(xué)生是在互聯(lián)網(wǎng)的陪伴下成長(zhǎng)起來的，因此以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的虛擬仿真教學(xué)更能夠讓他們收獲快樂，實(shí)現(xiàn)寓教于樂。焦爽等設(shè)計(jì)了一個(gè)基于 B/S(Brower/Server：瀏覽器/服務(wù)器)與 C/S(Client/Server：客戶端/服務(wù)器)架構(gòu)結(jié)合的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，并以此對(duì)兩個(gè)班級(jí)的學(xué)生以“對(duì)化學(xué)的喜愛程度”為題展開實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生對(duì)化學(xué)的喜愛程度由原來的51.34%上升到實(shí)驗(yàn)后的61.46%，而對(duì)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(shù)更能提高學(xué)生對(duì)于化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣[2]。

將虛擬仿真技術(shù)嵌入化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以大大減少實(shí)驗(yàn)過程中的危險(xiǎn)系數(shù)。化學(xué)學(xué)科離不開大量的實(shí)驗(yàn)，但對(duì)于初學(xué)者來說，有些儀器操作起來具有諸多風(fēng)險(xiǎn)。化學(xué)實(shí)驗(yàn)旨在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作和實(shí)驗(yàn)探究能力，在做化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程中必須要嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)步驟，謹(jǐn)記實(shí)驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)，稍有差錯(cuò)，就會(huì)造成不可挽回的后果，虛擬仿真的技術(shù)的出現(xiàn)，為學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)增加了“試錯(cuò)”的機(jī)會(huì)。比如,田菊香等在利用酒精燈的使用、空氣中氧氣含量的測(cè)定、加熱高錳酸鉀制取氧氣等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生“試錯(cuò)”，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中安全意識(shí)的同時(shí)又能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維[3]。

隨著時(shí)代的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的興起為人們的生產(chǎn)生活都帶來了極大的便利。基于互聯(lián)網(wǎng)背景下，虛擬仿真技術(shù)從高等教育走向中等教育，滲透于各個(gè)學(xué)科。不同領(lǐng)域都對(duì)虛擬仿真技術(shù)展開了深入研究，包括醫(yī)學(xué)教育與醫(yī)學(xué)邊緣學(xué)科、教育學(xué)、職業(yè)教育、計(jì)算機(jī)軟件與計(jì)算機(jī)應(yīng)用等等。化學(xué)實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手操作能力，在利用虛擬仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，教師既可以很好的完成理論教學(xué)，同時(shí)又能培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力，促進(jìn)學(xué)生多方面的發(fā)展。將虛擬仿真技術(shù)嵌入中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠充分滿足學(xué)生的個(gè)性和需求，豐富課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，提高課堂效率。但將虛擬仿真技術(shù)嵌入中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)并不意味著用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)去代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳統(tǒng)教學(xué)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過程中只是起到輔助的作用。郭志強(qiáng)等認(rèn)為，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)要采用“內(nèi)容區(qū)分”策略，在利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，學(xué)生要提高的不僅是實(shí)踐能力，同時(shí)必須掌握知識(shí)，因此在實(shí)驗(yàn)前，教師必須先明確虛擬仿真技術(shù)是否適用于某一個(gè)實(shí)驗(yàn)。例如，膠體制備、酸堿中和反應(yīng)，這樣操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯的實(shí)操貫通類實(shí)驗(yàn)，需運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，從培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力。對(duì)于實(shí)驗(yàn)步驟繁瑣、注意事項(xiàng)要求較多的虛實(shí)融合類實(shí)驗(yàn)，如噴泉實(shí)驗(yàn)、乙酸乙酯的制備與提純實(shí)驗(yàn)，以及一些危險(xiǎn)系數(shù)高，較難成功的虛擬貫穿類實(shí)驗(yàn)，如氯氣的實(shí)驗(yàn)室制取、濃硫酸三大特性的驗(yàn)證等，則適合采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法[4]。這些研究成果都為繼續(xù)研究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了論據(jù)，并且，隨著科技水平的提高，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)會(huì)越來越受歡迎。因此虛擬仿真技術(shù)對(duì)于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有十分重大的意義。

2)國外研究現(xiàn)狀分析

虛擬仿真技術(shù)于美國興起，英國、日本等在虛擬仿真技術(shù)上的開發(fā)研究和應(yīng)用也處于領(lǐng)先地位，也使虛擬仿真技術(shù)在教育方面彰顯了巨大的價(jià)值。國際上把美國新媒體聯(lián)盟(NMC,New Media Consortium)發(fā)布的《國際教育信息化地平線報(bào)告》作為教育信息化建設(shè)與發(fā)展的指向標(biāo)。該報(bào)告表明，虛擬仿真技術(shù)將作為今后教育改革的重要領(lǐng)域之一[5]。表1系國外虛擬仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要形式及平臺(tái)[6]。

表1 國外虛擬仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要形式及平臺(tái)

文獻(xiàn)[7]給出了關(guān)于國外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的幾點(diǎn)建議，主要包括:

1) 加快促進(jìn)信息技術(shù)在教育教學(xué)方面的應(yīng)用；

2) 將現(xiàn)代教育技術(shù)結(jié)合于混合式教學(xué)、在線教學(xué)和合作學(xué)習(xí)之中；

3) 促進(jìn)學(xué)生由課程的單一消費(fèi)者向設(shè)計(jì)者和實(shí)施者轉(zhuǎn)變；

4) 推動(dòng)建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和重視數(shù)字化學(xué)習(xí)條件。

3 關(guān)于虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的思考

3.1 善于利用各種教學(xué)資源，完善虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)

由于部分化學(xué)實(shí)驗(yàn)不易實(shí)施、實(shí)驗(yàn)器材不完善、實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間短、評(píng)價(jià)試驗(yàn)的方法過于單一，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，許多教師常常運(yùn)用多媒體播放演示，但這樣的教學(xué)方法往往難以讓學(xué)生加深印象，而利用虛擬仿真技術(shù)，如No Book化學(xué)實(shí)驗(yàn)室這樣的教學(xué)平臺(tái)，讓每一個(gè)學(xué)生都親自去做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，觀察實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，從而提高了學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的樂趣。教師更應(yīng)該注重利用各種教學(xué)資源，完善虛擬仿真平臺(tái)，不斷提高自己的信息素養(yǎng)，緊跟時(shí)代的步伐，摒棄守舊老派的觀念，對(duì)各種虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行利用與開發(fā)，設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)，開發(fā)課后作業(yè)等模塊。

3.2 注重教學(xué)以傳統(tǒng)教學(xué)為主，以虛擬仿真技術(shù)為輔

應(yīng)注重以傳統(tǒng)教學(xué)為主，以虛擬仿真技術(shù)為輔。在科技發(fā)展的今天，虛擬仿真技術(shù)的各種平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)有盡有，但是在實(shí)際的教學(xué)中，仍然不能用虛擬仿真技術(shù)去代替真正的傳統(tǒng)教學(xué)，應(yīng)該讓虛擬仿真技術(shù)成為傳統(tǒng)的教學(xué)的助手，目的是更好地培養(yǎng)學(xué)生。在實(shí)際教學(xué)中，會(huì)出現(xiàn)各種各樣難以想象的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而虛擬仿真技術(shù)是處在一個(gè)理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，并不能真正的啟發(fā)學(xué)生的思考，所以應(yīng)該發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，補(bǔ)充傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的不足。

4 總結(jié)

虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用舉足輕重，特別是疫情期間的線上教學(xué)，虛擬仿真平臺(tái)為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐提供了保障，能夠在疫情期間為學(xué)生提供一個(gè)良好的實(shí)踐平臺(tái)，從而解決線上教學(xué)無法開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困境。但是教師在使用過程中不能做拿來主義，應(yīng)該不斷提高專業(yè)水平，在虛擬仿真平臺(tái)上建立自己的試驗(yàn)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。如趙麗娜等用玻璃罩或漏斗等制造半密閉環(huán)境[8]，或者積極開發(fā)與更新虛擬仿真平臺(tái)的練習(xí)題環(huán)節(jié)，并不斷更新自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，為教育貢獻(xiàn)自己的力量。