翻转课堂与虚拟技术在初中化学教学中的应用研究*

☆王红玉赵冬梅梁小帆李梦菲张红新赵静茹

（河北师范大学信息技术学院，河北石家庄050024）

翻转课堂与虚拟技术在初中化学教学中的应用研究*

☆王红玉赵冬梅梁小帆李梦菲张红新赵静茹

（河北师范大学信息技术学院，河北石家庄050024）

虚拟仿真技术与翻转课堂教学模式的迅速发展与完善，使其成为了优化教学的有效手段。文章首先调查了偏远地区初中化学学科的教学现状，然后研究了翻转课堂教学模式以及虚拟技术相关理论，结合当地的实际情况提出了基于翻转课堂与虚拟技术的初中化学教学方案。该方案在翻转课堂教学模式的基础上，引入了虚拟技术，为学生提供更实用的教学资源，克服了实验操作过程中存在的一些弊端，为解决信息技术教学面临的困境探究出了一种可行的发展策略。

翻转课堂；虚拟技术；化学实验

一、概述

化学是一门以实验为基础的自然学科，在义务教育阶段化学课程以科学探究为主要教学方式。《全日制义务教育化学课程标准（实验稿）》（以下简称《标准》）［1］的教学理念强调，基础教育的任务不仅仅是传授知识，更重要的是变革传统的学习方式，改变单一的接受式学习，掌握科学的学习方法。学习过程中注重学习的研究性、参与性、体验性和实践性，培养终身学习的愿望和能力，促使学生知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观的整体发展。

《标准》对教学的方式、目标有了更高的要求，但通过实地考察与访谈以及参阅文献，发现目前偏远地区的化学学科教学遇到的瓶颈主要有以下几个方面。

（1）许多实验在真实环境下具有难操作性、危险性、实验周期长、实践结果不明显、药品存在危害性以及实验设备过于昂贵等情况，因此，在教学中这些实验课程无法进行实际操作练习。

（2）受到传统教学模式以及中学升学考试的制约，教师对实验教学的重视度偏低，实验课的课时设置不宽裕，忽略学生实验操作技能的培养。

（3）在岗教师缺乏教学技能的更新，在教学模式、教学策略的选择上比较单一，多以讲授法进行实验过程的描述。教师本身缺乏使用新媒体技术的操作技能，不能将新媒体有效整合到教学中。描述性的教学过程不能很好地培养学生的观察能力，无法激发学生的学习兴趣、增强学习主动性，使实验教学效果大打折扣。

（4）偏远地区的教学现状相对落后，在教学方式上大多仍采用传统的教学方式。受经费的限制，实验室设备陈旧，仪器老化且数量不足，可操作的实验数量和规模有限。

要实现教学方式的变革与达到三维教学目标，必须变革传统的教学模式，尝试与探索新的教学模式——翻转课堂教学模式。

翻转课堂教学模式亦称为反转课堂或颠倒课堂［2］。所谓翻转课堂，就是在信息化环境中，课程教师提供以视频为主要形式的学习资源，学生在上课前完成对教学视频等学习资源的观看和学习，师生在课堂上一起完成作业答疑、协作探究和互动交流等活动的一种新型的教学模式［3］。翻转课堂教学模式与传统教学模式的不同之处表现在：教师在课前给学生发布教学资源，学生根据学习目标和自己的认知情况，结合教学资源进行自主学习；教师在课堂内作为教学的组织者、引导者、解惑者，学生在课堂内作为学习主体，进行知识的探究与内化。

翻转课堂教学模式成为实现新课改三维目标的桥梁，虽然这种新的教学模式的优势在其它学科中的效果十分显著，但是在化学学科教学中的使用效果并不理想，制约因素如下：

（1）教学资源的形态：课程教师提供以视频为主要形式的学习资源。然而，化学学科是一门以实验为基础的自然学科，学习化学的最好方法是实验操作练习，学生自身通过对实验以及实验现象的观察、记录以及分析加强对化学原理的理解、学习科学探究的方法、获取化学知识等。《标准》中，三维目标的实现需要一个动手操作性的过程。

（2）教学资源的使用方式：学生通过微视频资源进行课前的自主学习。微视频教学资源的学习，仅仅刺激学生的视觉与听觉感知，无法实现多感观的刺激以达到培养学生技能的操作性和科学的探究性的目标。

这两点因素严重制约新课改的《标准》中的教学理念的实现，即变革传统的学习方式，改变单一的接受性学习，掌握科学的学习方法，学习过程中注重学习的研究性、参与性、体验性和实践性，培养终身学习的愿望和能力，促使学生知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观的整体发展。

翻转课堂教学模式有优亦有弊，关键在于使用者如何把握。为了克服翻转课堂教学模式的弊端，特在翻转课堂教学模式的教学资源中引入了虚拟技术。虚拟实验以仿真化学实验为主，融入了多媒体技术、虚拟技术等多项技术，目的在于为课下学生的自主学习与科学探究提供学习平台。

近年来，虚拟现实技术成为计算机科学与其它技术科学领域研究和开发的热点。随着此技术的发展，虚拟实验在教育教学中发挥了重大作用，它具有知识综合性、教学创新性、实验应用性的特点［4］，提高了学生分析解决问题的能力，解决了教学中教学过程过于抽象的问题。

二、翻转课堂教学模式在化学教学中的优势

在化学教学中采用翻转课堂教学模式有如下优势：

（1）教学环节方面：翻转课堂教学模式彻底变革了传统的教学方式。变革前的教学模式：课中教师讲授知识，课后学生通过完成作业巩固课堂知识。变革后的教学模式：课前学生根据学习目标，自主安排学习时间和选择学习地点，通过微视频、电子素材进行自主学习；课中则进行答疑、解惑、协作、探究等活动；课后学生通过网络平台，共享教学资源、交流所思、所想、所获。

（2）师生角色方面：在传统课堂教学中，教师一直处于主导和主动地位，是知识的传播者，学生是被动的接受者。在翻转课堂教学中，教师变成课程的分析者、制作者以及实施者，而学生转变为积极主动的参与者，学生可以按照自己的实际情况，自主安排学习时间和选择学习地点，还可以结合自己的认知程度，自由选择观看微视频的范围和次数，这可以避免学习的时间和节奏被教师主宰的现象，有利于培养学生的自主性学习能力的提高。

（3）教学资源方面：在传统教学中，教学资源主要包括教材、讲义、多媒体课件等。而在翻转课堂教学中，短小精悍的微课视频是最为重要的教学资源。

（4）教学环境方面：将一贯的教室授课环境变得多样化，学习环境由以前单一的教室变得灵活。在课前学习环节，学生可以在有网络覆盖的任何场所通过学习终端根据自己不同的情况选择学习资源及学习进度。学生可以进行碎片化学习，从而更加高效地利用课余时间。

三、虚拟技术在化学教学中的优势

虚拟技术使用到化学实验平台有如下优势：

（1）开放性：平台的使用不受时间和空间的约束，学生课下可以自由安排学习时间、学习环境，进行课程的预习、技能巩固、科学探究。

（2）仿真性：虚拟化学实验是对现实化学实验环境的模拟，学生通过仿真实验平台进行实验操作的预习、操作技能的训练、科学探究来学习现实生活中的知识。

（3）强交互性：通过虚拟实验平台进行的实验操作可以呈现类似真实实验过程中的物理变化、化学变化和实验结果具体的声音、颜色、动态效果等。

（4）节约成本、降低危险度、减少污染：学生在课前通过平台进行实验探究，可以初步掌握实际操作过程中仪器的使用方法、药品的用量控制、实验操作过程中的注意事项、紧急情况的处理办法以及实验结束后实验药品的处理、仪器的清洗与归置等操作。

（5）沉浸感：虽然脱离了真实实验的操作环境，但此平台的强交互性为学习者创造类似真实实验的身临其境感，让学习者在使用过程中沉浸其中。

四、基于翻转课堂教学模型的虚拟技术在初中化学教学中的应用

在新课改的背景下，翻转课堂教学模式在基础学科中的应用得到了推广，但目前对于翻转课堂在化学学科教学中的应用研究甚少，主要制约因素是化学是一门以实验为基础的自然学科，义务教育阶段化学课程以科学探究为主要教学方式。即使将翻转课堂教学模式引入化学学科教学达到变革教学结构的目的，但也不能完全实现新课改的三维教学目标。为了达到《标准》的要求，需要以翻转课堂教学模式为基础，在此基础上引入虚拟技术，即基于翻转课堂教学模型的虚拟技术在初中化学教学的应用。以翻转课堂模式为桥梁，学生通过微视频进行课前预习，初步了解实验教学中的操作技能以及实验注意事项，然后通过移动终端可以进行实验的操作模拟，逼真的操作场景、人性化的操作界面、及时的结果反馈，这些都有利于激发学生的学习兴趣，促进科学探究的实现。

以加热氯酸钾制取氧气为例，课前学生通过微视频的初步学习，自己在仿真化学实验室进行实验的操作，主要操作步骤如下：

（1）确定需要的实验仪器、仪器的安装。

（2）确定需要的化学药品，根据需要量取用化学药品并加入到实验仪器中。

（3）检查装置的气密性。

（4）仔细观察实验过程，记录实验现象。

（5）收集反应产物，分析实验结果。

（6）实验装置的拆卸、仪器的清洗与归置。

图1　加热氯酸钾制取氧气实验

课中，教师对学生存在的疑难问题进行课堂答疑，重点强调实验操作过程中的注意事项。有了课前的实验操作过程的演示以及课上的疑难解答，此时再进行真实实验的操作不仅事半功倍，还可以降低实验的危险性，减少实验设备的损坏，降低对药品及环境的污染，提高实验操作的准确性，增强学生的操作技能。

课后，学生可以通过仿真化学实验室进行技能的巩固练习，通过科学探究去改进实验，使学生积极主动地构建化学知识，增强操作技能，掌握化学实验操作过程的步骤及注意事项，培养对化学学科探究的情感，激发学习化学的兴趣，初步形成科学探究能力。

五、结束语

本文主要阐述了基于翻转课堂教学模型的虚拟技术在初中化学教学中的应用研究。笔者认为，目前教师与学生对翻转课堂教学模式在教学中的应用基本认可，考虑到化学实验教学的操作性与探究性，在翻转课堂教学模式的基础上引入了虚拟技术，为学生提供更实用的教学资源。虚拟实验具备开放性、仿真性、强交互性、节约成本、降低危险度、减少污染、沉浸感等优点，但虚拟实验使用的普及需要一个过程。该平台的使用主要在课下，学生必须具备一定的计算机操作技能，还需要具备学习的自主性与探究的积极性，这些问题的解决需要进一步的研究。

［1］中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准（2011年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2012.

［2］张明，郭小燕.“互联网+”时代新型教育教学模式的研究与启示——微课、慕课、翻转课堂［J］.电脑知识与技术，2015，（12）：167-171.

［3］钟晓流，宋述强，焦丽珍.信息化环境中基于翻转课堂理念的教学设计研究［J］.开放教育研究，2013，（01）：58-64.

［4］朱柱.基于Unity3D的虚拟实验系统设计与应用研究［D］.武汉：华中师范大学，2012，24（5）：3-7.

*项目：河北师范大学2016年大学生学术科技创新项目“翻转课堂与虚拟技术在初中化学教学中的应用研究”（项目编号：BB201637393336）。

［编辑：郑方林］

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1671-7503（2016）17-0031-03