曹圳 陳燕

摘要：從年份、研究主題、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、文獻(xiàn)內(nèi)容等方面分析了2011-2021年Journal of Chemical Education 中涉及中學(xué)化學(xué)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的發(fā)文情況。介紹了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、相關(guān)理論、研究現(xiàn)狀等多篇具有代表性的文獻(xiàn)，以期對(duì)我國中學(xué)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：國際化學(xué)教育;Journal of Chemical Education;虛擬仿真實(shí)驗(yàn);文獻(xiàn)分析

文章編號(hào)：1008-0546（2022）08-0081-04?? 中圖分類號(hào)：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.017

當(dāng)前我國正處于邁向教育強(qiáng)國的關(guān)鍵階段，信息技術(shù)可以突破教與學(xué)的時(shí)空限制，是縮小城鄉(xiāng)教育差距、促進(jìn)教育均衡發(fā)展最直接的手段。將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)不僅可解決不少學(xué)校因?qū)嶒?yàn)條件、資金、安全等因素而無法很好開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題，也對(duì)提高教育質(zhì)量和培養(yǎng)創(chuàng)新人才具有重大意義。本文通過對(duì)2011-2021年美國《化學(xué)教育》Journal of Chemical Education（以下簡(jiǎn)稱JCE）中有關(guān)中學(xué)化學(xué)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的文獻(xiàn)進(jìn)行分析，以期為積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合、對(duì)促進(jìn)國內(nèi)中學(xué)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用有所啟發(fā)。

一、JCE 中有關(guān)中學(xué)化學(xué)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的年份分析

以“Virtual Simulation Experiment”為關(guān)鍵詞對(duì)???? 2011-2021近十年JCE上的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，搜索范圍為“Anywhere”，得到了197篇有關(guān)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的文獻(xiàn)。再根據(jù)其內(nèi)容是否屬于中學(xué)化學(xué)，或其方法是否適用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，對(duì)所選文獻(xiàn)進(jìn)一步篩選得到有關(guān)中學(xué)化學(xué)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”文獻(xiàn)38篇，占同期化學(xué)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”文獻(xiàn)的19.3%，表明JCE上化學(xué)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”研究的重心放在大學(xué)本科和更高年級(jí)，而不在中學(xué)化學(xué)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的研究上。

對(duì)近十年JCE 上有關(guān)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”和中學(xué)化學(xué)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的發(fā)文量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（如圖1所示），發(fā)現(xiàn)在2011-2017年這段時(shí)間，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的論文每年發(fā)文量均在個(gè)位數(shù)，但在2019年到2021年間出現(xiàn)陡增與回落。這種情況一方面是由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在近年迅速發(fā)展并受到廣大教育者們的重視，因此相關(guān)的研究也相應(yīng)增多;另一方面則是由于2019年末新冠疫情的爆發(fā)，大多數(shù)學(xué)校被迫引進(jìn)虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。

二、JCE 中有關(guān)中學(xué)化學(xué)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的研究主題分析

通過統(tǒng)計(jì)JCE 上有關(guān)中學(xué)化學(xué)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”研究主題關(guān)鍵詞，不難發(fā)現(xiàn)其涉及了實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室安全教育、有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)、綠色化學(xué)等多個(gè)主題（見表1）。實(shí)驗(yàn)安全是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的必要保證，而實(shí)驗(yàn)安全教育作為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)必不可缺少的一部分在實(shí)際教學(xué)中往往以具體的化學(xué)知識(shí)、技能為載體呈現(xiàn)[1]。通過虛擬仿真技術(shù)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)事故、實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)意外情況的發(fā)生，可以培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)的安全意識(shí)、提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全操作能力;此外，國外中學(xué)化學(xué)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”中加入了大學(xué)化學(xué)和跨學(xué)科的知識(shí)、滲透綠色化學(xué)和環(huán)境化學(xué)的內(nèi)容，這些都體現(xiàn)其不只是服務(wù)于化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，還關(guān)注化學(xué)與其他學(xué)科的緊密聯(lián)系，注重拓寬學(xué)生視野。

三、JCE 中有關(guān)中學(xué)化學(xué)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法分析

JCE 上10個(gè)有關(guān)中學(xué)化學(xué)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的關(guān)鍵詞（見表2）中，“Computer- Based Learning（基于計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)）”“Internet/Web-Based Learning（互聯(lián)網(wǎng)/網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)）”“Multimedia- Based Learning（基于多媒體的學(xué)習(xí)）”的引用頻率都較高。這是因?yàn)樘摂M仿真實(shí)驗(yàn)是通過多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等在計(jì)算機(jī)或其他多媒體設(shè)備終端上營造出一種虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓實(shí)驗(yàn)者可以通過與設(shè)備的交互，仿佛身處真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中去完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[2，3]，這些關(guān)鍵詞體現(xiàn)了該教育技術(shù)在國外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用。此外，關(guān)鍵詞“Distance Learning/Self Instruction（遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)/自學(xué)）”，體現(xiàn)了國外開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的目的之一就是進(jìn)行遠(yuǎn)程教育，在便捷地進(jìn)行線上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時(shí)也加強(qiáng)對(duì)學(xué)生自學(xué)能力的培養(yǎng);關(guān)鍵詞“Inquiry-Based/Discov? ery Learning（基于探究/發(fā)現(xiàn)的學(xué)習(xí)）”，說明國外注重建構(gòu)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生自主地探索未知的知識(shí)，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

四、文獻(xiàn)內(nèi)容分析

所選38篇文獻(xiàn)的內(nèi)容主要聚焦于中學(xué)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬仿真平臺(tái)的介紹和設(shè)計(jì)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論研究、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀分析這4個(gè)主題（見圖2）。

1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

有53%的文獻(xiàn)探討了“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)”，涉及分析化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等實(shí)驗(yàn)。例如，“MEL Chemistry”課程是通過虛擬仿真技術(shù)提供以小于分子的尺度（即原子及其結(jié)構(gòu)）下的可視化，有助于學(xué)生克服將宏觀和微觀世界聯(lián)系起來的困難，發(fā)展學(xué)生宏觀辨識(shí)與微觀探析的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。通過該課程，學(xué)生可以與虛擬原子相互作用，探索和改變它們的組成，將它們旋轉(zhuǎn)360°，同時(shí)看到相應(yīng)的電子分布的軌道圖（如圖3所示）。

有研究表明，涉及原子結(jié)構(gòu)、元素周期性的沉浸式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)施可以極大地影響學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果[4，5]。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以被視為增強(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)概念的理解的有用工具。通過在沉浸式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中可視化粒子、原子核、原子軌道和原子的相互作用可以促進(jìn)難以理解化學(xué)概念的學(xué)習(xí)過程，可以將其應(yīng)用在中學(xué)化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)專題的教學(xué)，有助于學(xué)生對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的理解[6]。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論研究

24%的文獻(xiàn)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論進(jìn)行了研究，包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生能力提升的研究和對(duì)比評(píng)估了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)下學(xué)生的認(rèn)知差別及其教學(xué)效果。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室使用的增加，衡量虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和傳統(tǒng)動(dòng)手環(huán)境下實(shí)驗(yàn)之間存在的差異越發(fā)重要。有不少研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)情境下的學(xué)生在認(rèn)知領(lǐng)域和動(dòng)作技能領(lǐng)域能力的評(píng)估結(jié)果沒有明顯差異[7～9]。Hensen C等[10]使用修改過的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室情感量表[11，12]考察虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)下學(xué)生的情感差異時(shí)，發(fā)現(xiàn)教師和助教的不同會(huì)導(dǎo)致兩組學(xué)生在情感領(lǐng)域存在差異。因此，在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師和助教是影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)的重要因素。

3.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀分析

因新冠疫情來勢(shì)洶洶，許多學(xué)校只能臨時(shí)采取虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方式來教授化學(xué)實(shí)驗(yàn)，這其中也有不少的困難和問題需要引起關(guān)注，對(duì)此有13%的文獻(xiàn)就這些問題進(jìn)行了分析。

Numan Ali[13]將現(xiàn)有的化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室劃分為2D、3D 和基于視頻系統(tǒng)的化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室（見圖4），并介紹了這些化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)與不足。例如：一些2D 仿真實(shí)驗(yàn)室缺乏逼真度;基于3D 環(huán)境的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是通過菜單和控制框提供與對(duì)象的交互，和真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的體驗(yàn)還有較大差距;大多數(shù)現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)室沒有提供步驟指導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生無法完成虛擬實(shí)驗(yàn);現(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室主要提供的是靜態(tài)信息且無法根據(jù)學(xué)生的水平進(jìn)行更新?？紤]到這些問題和局限性，未來化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的改進(jìn)方案可以有：（1）以動(dòng)畫的形式生動(dòng)地指導(dǎo)說明每個(gè)步驟和任務(wù)的數(shù)量和順序，使學(xué)生更感興趣并更輕松地進(jìn)行實(shí)驗(yàn);（2）通過動(dòng)態(tài)加載或顯示僅在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中需要的對(duì)象，來降低學(xué)生在大量藥品、設(shè)備中進(jìn)行選擇所造成的認(rèn)知負(fù)荷;（3）允許用戶加入新化學(xué)物質(zhì)、設(shè)備和程序來產(chǎn)生新的化學(xué)反應(yīng)，改變傳統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)僅僅提供預(yù)定化學(xué)反應(yīng)的靜態(tài)模式。

4.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹和設(shè)計(jì)

由于虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境還存在較大差異，且虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)人機(jī)界面友好、操作界面的人性與否直接影響了其教學(xué)效果，因此有10%的相關(guān)研究著眼于盡可能彌補(bǔ)這方面的缺陷，開發(fā)出更加接近真實(shí)情景的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，打造擁有多樣化的表現(xiàn)形式，操作更為直觀、有趣，界面也更加友好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[14，15]。

VR2E2C（化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)）是一個(gè)面向中小學(xué)生、大學(xué)生以及研究型大學(xué)、研究所甚至工業(yè)研究人員的化學(xué)教育平臺(tái)。該虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)比例與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室相同（如圖3所示），它為用戶提供了三種模式：在手動(dòng)模式下，用戶可以在虛擬環(huán)境中控制機(jī)器人手臂和其他分析儀器和試劑，單擊并拖動(dòng)場(chǎng)景中的項(xiàng)目可以控制所有項(xiàng)目;在自動(dòng)模式下，用戶在列表中選擇他們想要在實(shí)驗(yàn)中使用的試劑和儀器，系統(tǒng)將搜索內(nèi)置數(shù)據(jù)庫，然后列出所有可能的過程供用戶選擇一個(gè)可能的過程來開始實(shí)驗(yàn)。在自定義模式下，則由用戶設(shè)計(jì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)思路、選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備逐步完成他們選擇的模塊規(guī)劃。

作者以納米金的合成實(shí)驗(yàn)為例，記錄100名學(xué)生的反饋信息，發(fā)現(xiàn)虛擬遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。該系統(tǒng)能為安全和高容錯(cuò)實(shí)驗(yàn)主題提供遠(yuǎn)程教育，并展示了最新的虛擬現(xiàn)實(shí)和機(jī)器人技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)教育有哪些益處，為后續(xù)虛擬仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用提供了一種新的思路[16]。

五、結(jié)語

21世紀(jì)以來，隨著新課程和教育評(píng)價(jià)體系的改革，我國發(fā)布了《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）。新課標(biāo)明確規(guī)定了學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，標(biāo)志著化學(xué)實(shí)驗(yàn)已從規(guī)范上被確立為化學(xué)日常課堂教學(xué)中的基本環(huán)節(jié)。針對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，將虛擬仿真技術(shù)引入中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能有效解決現(xiàn)實(shí)中某些化學(xué)實(shí)驗(yàn)難以展開的問題。作為新興的教育技術(shù)手段，虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的價(jià)值被越來越多的國際教育工作者所認(rèn)可，而先驅(qū)者們所提出的問題和研究方向也是化學(xué)教育者和教育技術(shù)研發(fā)者應(yīng)著重去思考和探索的。

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