虛擬實驗融入數字教材：現狀、策略與展望

謝明陽

摘要：虛擬實驗作為信息技術與教學深度融合的重點方向已經展現出教學價值，但也暴露出設計適切性不足、使用限度不明等問題。將虛擬實驗融入數字教材，以教科書的課程設計脈絡為切入點，以虛實結合的方式開展教學活動，是科學可行的應對策略，同時應堅持虛擬實驗的專精功能定位，虛實結合優化問題情境的創設，強化整體設計，實現資源與功能的優化匹配。

關鍵詞：虛擬實驗；中學化學；數字教材；數字化教學

為深入實施科教興國戰略，黨的二十大報告明確提出“推進教育數字化”“加快建設高質量教育體系”的指導方針。2022年11月，教育部聯合五部委發布《虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（2022—2026年）》，將在中小學校、高等教育、職業學校建設一批虛擬現實課堂、教研室、實驗室與虛擬仿真實訓基地，推進“虛擬仿真實驗教學2.0”，繼續推動教學模式向自主體驗升級，旨在打造支持自主探究、協作學習的沉浸式新課堂。

早在2019年，教育部就已出臺《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，倡導在教學中注重傳統實驗教學與新興科技的有機融合，利用虛擬現實技術呈現因危險性、破壞性或不便觀察、控制而無法進行的實驗，提高實驗教學的質量和效果。在基礎教育教學中合理應用虛擬實驗，一直是自然科學類學科數字化資源研發的重要方向。將虛擬實驗融入數字教材，既有助于探索如何利用虛擬實驗助力常態化教學，又便于以虛擬實驗為抓手強化數字教材對教學的支撐，切實推進教育數字化，提升教材資源質量。

一、現狀

（一）關于虛擬實驗

虛擬實驗通常指利用計算機系統模擬構建的仿真實驗。實驗者通過與各類終端交互進行觀察或操作，完成模擬真實情境中的預定實驗項目，以取得等值或優于真實環境中的學習和訓練效果。

虛擬實驗的研究與應用在近十年取得了長足發展。在國家政策的引導下，虛擬實驗已廣泛應用于大學及職業教育領域以支持大型儀器原理及操作的教學，解決危險實驗難以操作等問題。國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺已建成3400余個實驗中心，提供一萬多期虛擬實驗課程。在基礎教育領域，我國常見的虛擬實驗包括并不限于NOBOOK等實驗交互平臺、基于3D儀器建模的仿真實驗平臺、由Flash或Html5制作的實驗交互探究動畫、基于虛擬現實（VR）技術的仿真實驗室等。

（二）教學價值

隨著實際應用的展開，虛擬實驗教學有效性的研究也逐步豐富。在大學階段，對于流程較多、依賴操作的大實驗，虛擬實驗對于預習有很好的支撐作用，能夠減少實際實驗過程中出錯、混亂、預習效果不理想、實驗安全風險等問題。在無法動手操作精密儀器或大型化工設備的情況下，學生通過交互模擬的方式進行演練，也能有效提升學習效果。對于中學階段的相關課程，教師合理利用虛擬實驗能夠有針對性地有效輔助實驗教學，提升學生的參與感和自我效能，從而提高教學質量和效果。

（三）現存問題

雖然虛擬實驗介入中學化學領域已經近十年，但其在教學中的使用普及率仍然不高，與成為常態化的教學輔助手段有較大差距。相關研究指出當前虛擬實驗應用中存在諸多問題，筆者結合產品研發及教學實踐中的經驗，歸納為以下幾個方面。

1. 設計適切性不足

中學實驗經過多年的教學研磨和改進，大多是方便教師快速演示、易于學生上手操作的短實驗，具備簡潔、快速、直觀等特點。同時，實驗教學目的本身還包含對實際現象的觀察及實驗操作的感性認知。這從根本上決定了單純對實驗環境或過程進行模擬的虛擬實驗很難在中學階段發揮作用。

2. 適用限度不明

技術介入教學的雙面影響一直是教育信息化發展中備受關注的問題。虛擬實驗作為新興、復雜的教學資源，其研發確實存在重技術實現而輕教學意義的問題。實際應用中，也存在虛擬實驗被當作噱頭，教學實現過度重視技術使用而忽視教學本身的情況，甚至不少虛擬實驗變成“應試教育”替代實際實驗的習題講解工具。

3. 使用方式欠佳

虛擬實驗作為一種輔助教學資源，其合理使用離不開教師的精心引導。部分教師尚未具備合理利用數字化教學資源進行知識構建的認知和能力，課堂上學生探究交互時也存在教師缺位問題。使用方式欠佳影響虛擬實驗的價值實現，很多情況下虛擬實驗只能作為知識傳遞的淺層工具。

4. 獲取難度較大

當前市面上具備規模的虛擬實驗多是商業公司研發的軟件平臺，實際教學中使用起來存在收費高、通用性差、課堂硬件及技術保障難等問題。雖然示范課上也能見到教師使用虛擬實驗作為亮點點綴，但多是教師與研發公司各取所需打磨的個例，或限時試用，難以在日常教學中普及。

二、策略

將虛擬實驗融入數字教材，一方面可以利用數字教材平臺的通用性化解技術保障及教育公平性問題，另一方面也能利用教科書的教學屬性改進虛擬實驗類資源在當前技術形態下存在的諸多問題。如何將虛擬實驗融入數字教材，可以采取以下三項策略。

（一）重視教學屬性，以教科書脈絡確定切入點，為教學目標服務

教科書呈現了最常見的課堂教學實施路徑，數字教材是圍繞教科書教學脈絡構建的基礎資源平臺。以教科書的課程設計脈絡為切入點開展教學，可讓虛擬實驗更好地融入教學并實現其使用價值。數字教材對虛擬實驗進行適度改造，對虛擬實驗的內容進行規范及優化，使得虛擬實驗與教材活動更為貼合。例如，為了便于九年級學生學習氧氣的實驗室制法，數字教材在習題中引導學生利用儀器進行實驗探究，在單元復習中針對氧氣的實驗室制法引入NOBOOK虛擬實驗。數字教材依據紙質教材設計的環節選擇匹配的實驗儀器及試劑，在學生學習完制取氧氣后，為他們提供對知識進行遷移運用的數字化探究情境，幫助他們建立化學觀念。同時，針對處于化學啟蒙階段的學生自主規劃實驗、探究能力有限的特點，數字教材依據紙質教材脈絡，在虛擬實驗中補充提供實驗目的信息及實驗活動任務支架，使學生的學習活動得以順利進行。

（二）強化工具屬性，提供培養實驗探究思路與方法的數字化環境

《義務教育化學課程標準（2022年版）》加強了對于“化學實驗探究的思路與方法”的要求，強調學生在化學實驗探究中不僅要關注實驗內容本身而且要逐步形成探究的思路與方法。在中學化學教學中，受課時、實驗條件、安全風險等因素影響，部分學生實驗探究條件有限，難以充分施展。即使學校能支持學生完成必做實驗，落實“化學實驗探究的思路與方法”的目標仍有較大難度。虛擬實驗具備自主探究和人機交互的特性，可以作為數字化環境下的工具模擬實驗流程，支撐探究過程的演繹，輔助探究活動的開展。

在引入虛擬實驗時，數字教材弱化了其知識講解、現象展現等附加作用，重點利用其設計實驗裝置、模擬研究探究過程的工具功能。以“不同價態含硫物質的轉化”教學為例，數字教材先設置自研交互動畫輔助梳理含硫物質價態轉化方案，再利用NOBOOK虛擬實驗這一具現化工具讓學生實現設計方案，引導他們按紙質教材的指引逐步嘗試并確定探究實驗的方案及流程（如圖1），化被動輸入為主動輸出，避免“照方抓藥”，降低本單元后續必做實驗的實施難度。合理設計虛擬實驗工具有助于學生建立化學觀念，全面提升科學思維能力和探究能力。

（三）探索虛實結合、線上線下融通的教學模式

教育技術的使用限度是虛擬實驗融入教學時需要格外注意的問題。虛擬實驗不能替代也不應替代真實動手實驗的觀念已逐步形成共識。教師需要精心設計教學任務，以問題為導向構建虛實結合的教學活動；同時，要注意在構建以學生為主體的探究活動時的教師缺位問題，謹防過度虛擬化和形式化使實驗活動失去原本的育人價值。教師如何把握技術應用的尺度，下面以“氯氣的實驗室制法”教學為例介紹具體的教學策略（如圖2）。

教師在教學中利用數字教材教學平臺進行教學，整合使用情境視頻、虛擬實驗、實驗視頻等教學資源，以及師生終端切屏演示、習題統計等平臺功能，以虛實結合、線上線下融通的方式合理使用虛擬實驗，高效開展了“氯氣的實驗室制法”的教學活動。教師分步驟讓學生在各自終端上利用虛擬實驗設計制取氯氣的氣體發生、氣體收集及尾氣處理裝置，在學生依據已有信息自主嘗試后，提問并切屏展示學生的設計結果，引導學生描述設計思路并進行改進，增添除雜裝置。借助虛擬實驗，學生自主設計及完善實驗流程之后再動手進行氯氣實驗室制取的實驗。由于加深了對實驗室中制取氣體裝置設計的理解和對實驗過程的熟悉，學生的實驗井然有序，全部小組都迅速、成功地完成了氯氣的制取、收集及驗證工作，并在以氨氣制取為情境的問題中成功對氣體制取模型進行應用遷徙。

三、展望

隨著信息技術與教學深度融合進程的加速，虛擬實驗會得到更加廣泛的應用，對虛擬實驗的優化也將提出更迫切的要求。經過幾年的研究探索，筆者結合在數字教材中研發應用虛擬實驗的經驗，對虛擬實驗的后續研發提出以下建議。

（一）揚長避短，持續專精優勢功能

目前，虛擬實驗的操作性和現象的真實程度都遠不能與真實實驗相比，一味追求仿真性和操作性未必是當前技術環境下的最優解。應合理利用虛擬實驗的形態特征，找準賽道揚長避短，發揮虛擬實驗的優勢（如圖3）。例如，虛擬實驗有助于在數字化環境下為實驗設計提供支撐，可考慮在此基礎上研發專項設計工具，解決實驗設計與模擬驗證雜糅在一起影響探究流程的問題。又如，研究證實，虛擬實驗對于陳述性知識的教學效果不如程序性知識，并在針對問題解決進行設計探究的過程中能對學生學習產生積極影響。這也證實了對于虛擬實驗當前不宜過度地將重點放到對真實現象的模擬上，而應當持續對實驗流程的模擬操作進行優化，使其更為易用、好用。針對不同類型的教學主題，虛擬實驗可針對教學目標做好專精的交互設計。例如對于復雜長流程的學生活動可針對實驗過程提供記錄及反饋，提高學生對于實驗操作要點學習效果；而對于如原電池、化學平衡等涉及微觀原理難點的教學內容，可考慮增加與操作聯動的微觀視角的切換演示，幫助學生攻克思維上的難點。

（二）打破桎梏，創設虛實結合的問題情境

虛擬實驗能在大學階段得到應用，其原因之一是大學實驗通常涉及與實際生活關聯的大型精密儀器或是復雜工業流程。雖然中學實驗通常經過簡化設計，但是對于虛擬實驗的使用不必局限于課堂演示實驗本身。中學階段的虛擬實驗也可用于情境創設或情境模擬，例如參考高校虛擬實驗創設簡化的自來水廠凈化、高爐煉鐵、車載電池、工業合成氨等情境，為知識的應用與遷移提供支撐。雖然操作環境為假，但是數據采集的過程為真，學生的探究與思考為真。應用虛擬實驗模擬解決真實問題的情境，可以激發學生探究與實踐的樂趣，促進科學態度與責任的涵育。

（三）強化整體設計，統籌資源配置與平臺功能

虛擬實驗與中學教學深度融合需要做好整體設計，而非單獨關注虛擬實驗類資源自身。這種整體設計涉及教學流程的完整性、資源素材的整體配合以及技術功能對內容的整體支撐。傳統的實驗探究流程會在信息技術手段的作用下重構，如利用延時及微距攝影創設真實情境引出問題、利用虛擬實驗環境輔助實驗設計的呈現、利用數據圖表呈現實驗結論表達、提高數據處理效率等。虛擬實驗的后續研發也要順應這種趨勢，從輔助原有探究教學單一環節的實現，轉向靈活支撐技術賦能下學生的探究活動。

注：本文系國家新聞出版署出版融合發展（人教社）重點實驗室、人民教育出版社人教數字教育研究院2021年重點課題“信息化教學環境下基于虛擬實驗的化學學科工具對學生科學探究能力提升的研究”（課題編號：RJA0121011）的研究成果。

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（作者系人教數字出版有限公司高級編輯）

責任編輯：祝元志