虚拟仿真软件在中学化学教学中的 应用研究综述*

吴晓红 王沺菁 康泽伟

摘 要：文章以CNKI所提供的有关“虚拟仿真软件在中学化学教学中的应用”文献数据为研究对象，以综述的形式，从定量的角度对其文献来源、發文趋势进行分析，并利用文献计量工具CiteSpace软件对所研究文献关键词进行统计分析;从定性的角度对虚拟仿真软件在中学化学教学中的应用特点、应用状况进行分析，最后进行总结审思，以期为虚拟仿真软件应用于中学化学教学研究后续发展提供参考。

关键词：虚拟仿真软件;中学化学教学;CiteSpace

中图分类号：TP393      文献标志码：A         文章编号：1673-8454（2020）20-0054-05

一、引言

新一轮的基础教育改革是全面推进实施我国素质教育的主要途径。教育部于2010年颁布了《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》，其中明确表明信息技术对我国教育发展具有重要作用，应强化信息技术应用，建立数字图书馆和虚拟实验室[1]。2019年颁布的《教育部关于实施全国中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0的意见》要求提升教师信息技术应用能力、学科教学能力和专业自主发展能力;建立教师主动应用机制，推动每个教师在课堂教学和日常工作中有效应用信息技术，促进信息技术与教育教学融合取得新突破[2]。

在当代科学技术快速发展的大背景下，虚拟仿真软件应运而生。随着新一轮课程改革的推进，各学校积极响应国家政策的号召，开始将虚拟仿真软件广泛应用于中学化学教学当中。因此有必要对虚拟仿真软件在中学化学教学中的应用特点、应用现状等方面进行综述分析，以便为虚拟仿真软件在中学化学教学中的研究后续发展提供参考。

二、虚拟仿真软件应用于中学化学教学的定量分析

1.数据来源与研究方法

研究数据源自中国知网（CNKI）。通过中国知网搜索主题词“虚拟”“仿真”“软件”分别合并词条“中学化学”，以“精确”为检索条件进行高级检索（包括期刊论文、硕博论文、会议论文、年鉴等），并在已检索文献范围内对不符合要求的文献进行筛选删除，以保证所收集文献的科学性和准确性。

以已搜索到的文献数据为基础，运用Excel办公软件、文献计量工具CiteSpace软件绘制图谱，从定量角度分析“虚拟仿真软件在中学化学教学中的应用”研究领域的文献来源分布、资源类型分布、文献增长趋势及高频关键词等情况，并在此基础之上从定性角度对其相关文献进行分析与总结。

2.文献来源与文献发表分布

基于文献检索，截止到2020年3月共筛选出有效文献136篇。从用Excel根据中国知网所提供数据制作的资源类型分布图和来源分布图可知（见图1），有期刊论文55篇、硕士论文71篇、博士论文1篇、中国会议论文3篇，另有其他来源论文6篇。其中硕士论文占据大多数，四川师范大学、东北师范大学等高校对此有着较深入的研究。

3.文献增长趋势

通过Excel制作文献发表总体趋势分布图（见图2）可知，早在1989年就有对虚拟仿真软件结合中学化学教学的研究，在2011年至2012年发文量大幅上升，在2018年再次到达研究高峰。数据的背后显示出近年来虚拟仿真软件在中学化学教学领域中的研究日益广泛，也反映出了我国对教育技术发展的重视及信息技术融合教育发展的必然趋势。

4.基于关键词共现的研究分析

运用CiteSpace软件对相关文献关键词进行分析可初步确定该领域的研究热点。现将从中国知网检索到的有效136篇文献以Refwork格式导出至新建文件夹，再通过文献计量工具CiteSpace软件分析其关键词数据，最终生成近年来我国在中学化学教学中有关虚拟仿真软件的应用研究可视化关键词共现图谱。CiteSpace关键词图谱是由关键词节点和连线组成的，节点越大代表关键词出现的频次越高，中心性越大，表明对此类研究越深，连线则代表关键词间的联系，节点附近连线越复杂则说明与这个节点关联的其他研究越多。从图3可明显看到，以“中学化学”为核心的关键词同时又与“实验教学”“虚拟实验”“计算机辅助教学”等紧密相关，且这些词又相互关联，这清楚地体现了实验教学在中学化学教学中的重要地位，也反应出了虚拟仿真软件在中学化学教学中主要应用于化学实验教学方面。

在关键词共现图谱的基础上，进一步利用CiteSpace软件制作图4所示的关键词时区图，统计了结合虚拟仿真软件进行中学化学教学前后不同时期的研究热点及在不同年份所出现的新的研究领域。从图4中可清楚看到在1996年至2006年间，“中学化学”“计算机辅助教学”“化学实验教学”与“信息技术”等热词相继出现，成为与该领域相关的研究热点，在2008年至2012年间，“虚拟实验”“虚拟中学化学实验教学”等成为该领域的热门研究，从2015年至今，“虚拟仿真技术”“增强现实技术”等成为研究者们较为关注的领域。从这些热词的变化中可以发现，随着化学课程与教学改革的推进，我国教育与信息技术的融合日益紧密，虚拟技术等新型现代教学媒体的研发和推广速度日益加快，也体现了信息技术的发展与国家信息教育政策的顺利实施。

三、虚拟仿真软件应用于中学化学教学的定性分析

1.虚拟仿真软件在中学化学教学中的应用特点

虚拟仿真软件是一种基于虚拟仿真技术利用计算机进行模拟操作的现实软件。利用虚拟仿真软件进行教学，可以弥补当前化学教学中的许多不足。

（1）创设实验情境，提高自学能力

在教师向学生说明展示某项实验操作时，只是简单口述和动作比划并不能让学生很好地理解，而通过虚拟实验的演示则能让学生充分感受化学实验情境，激发学生的学习兴趣，从而更好地理解实验知识[3]。运用虚拟仿真软件，学生可根据实验所需药品和仪器自主进行实验预习和实验探究，教师则可针对实验问题进行提问，从而将学生由“被动”转为“主动”学习[4]，提高学生自学能力。

（2）直观教学表达，深化知识理解

在化学教学中，许多化学知识较为抽象，且无法用现有的实验仪器予以直观表达，而利用Flash等软件，可将抽象知识具象化、形象化，深化学生对知识的理解，帮助学生建立宏观与微观体系的联系[5]。

（3）增强实验安全，经济环保高效

虚拟仿真实验可避免传统实验中所存在的实验隐患[6]。以“稀释浓硫酸”为例，由于水比浓硫酸的密度小，当水入酸时会发生喷溅，这时具有腐蚀性的浓硫酸也会随水一起喷溅而出，造成实验隐患，因此教师会一再强调“酸入水”的实验步骤，但仅仅是口头说明并不会让学生对此产生深刻印象，这时通过虚拟仿真软件模拟此实验场景则会让学生记忆犹新，并消除了原先的实验安全隐患。此外，虚拟实验中的仪器和药品都可重复使用，在节约教学资金的同时也保护了环境[7]。

（4）不受时空束缚，开放灵活实验

利用虚拟仿真软件进行教学最大的优势就是不受时间和空间的束缚[7]。许多中学教学中涉及到的工业实验如“铁的冶炼”，在实际课堂教学中只能以讲述或视频的方式呈现给学生，而通过虚拟仿真软件模拟铁的工业冶炼可以让学生对其中原理的理解更加透彻。许多实验如“铁生锈”需要漫长的反应时间，而利用虚拟仿真软件可调节反应时间创建理想的实验条件。虚拟仿真实验室具有节省反应时间、允许学生不受时间、地点限制反复实验的特点[8]。

然而目前为止，虚拟仿真软件在中学化学教学的应用中也有其自身无法克服的一些缺陷。谢建平结合多年教学经验对虚拟仿真软件在中学化学教学中的应用状况做了一系列分析和调查，认为现阶段虚拟仿真软件的硬件设施建设还不够到位，无法广泛为虚拟仿真软件的应用提供基础平台;软件设施还不够完善，大部分教师都赞同将虚拟仿真软件运用于實际教学中，但虚拟仿真软件的开发进度缓慢，可应用的软件种类较少，许多学校的师生还未完全将该类软件应用于实际教学中[9]。目前大部分学校还是以教师传统讲授为主，并未将线下所拥有的软件真正落实到课堂实际教学中。黄红梅、严海林等人表示化学仿真实验效果不能与真实实验媲美[10]，其在实验操作触感、实验现象等方面与真实实验相比还存有较大差距。

2.虚拟仿真软件在中学化学教学方面的应用现状

136篇有效文献中，至少有69篇专门论述中学化学教学中常见的某种虚拟仿真软件，现对以下在现阶段中学化学教学中应用的主要软件及其应用现状进行综述分析：

（1）NOBOOK

“NOBOOK”简称“NB”，该虚拟仿真软件是一款全新的实验教学软件，它依托现代计算机应用技术，组成与实际实验环境高度相近的虚拟实验室[11]。教师或学生可利用NB软件在虚拟实验室进行虚拟实验操作，完成所要掌握的化学实验内容。钟桂香以“浓硫酸与铜反应”为例，针对原有教学设计中“实验存在安全隐患”“教学环境存在局限性”“教材上的装置存在一定弊端难以达到实验预期效果”等问题[11]，运用NB软件进行实验教学，从而得到直观、绿色的教学效果。雷江蛟开展了基于NB虚拟实验室的混合教学模式实践，他事先让学生对本节课进行预习，并以提问的方式引导学生分组进行虚拟实验操作，学生通过虚拟实验对实验现象有了直观的认识，对实验过程有了清晰的掌握，极易实现理论知识的自主构建[12]。为了让学生对一氧化碳可燃性的了解更加透彻，朱世根等人通过NB虚拟实验平台进行相关演示实验，其总结认为利用NB软件进行实验能展示出由于操作不当而导致的爆炸等在实际实验课堂中无法演示的危险后果，并可重复实验深化学生的理解，使学生注重实验安全并形成实验操作规范意识[13]。但目前NB虚拟仿真软件在我国还未被广泛使用，且由于技术尚未成熟，只适用于一些较为基础的化学实验。王军表示，在学生进行虚拟实验操作时，教师的指导作用不可或缺[14]。现阶段NB虚拟仿真软件主要作为中学化学实验教学的辅助工具。

（2）Flash

Flash软件是一款动画制作软件，Flash动画可模拟微观粒子，化抽象为具体，便于学生学习理论性较强或很抽象的知识。以“原子的构成”为例，这一课题主要是向学生介绍看不见的微粒，知识点较为抽象，需让学生做α粒子散射实验进行观察理解，而中学实验室不具备此类高级实验仪器，黄郁郁利用Flash动画软件很好地克服这一条件限制[15]。电化学基础单元中“金属的电化学腐蚀与防护”，诱发金属生锈需要较长时间，而本节课程重要的知识点之一便是探究“金属如何与空气接触发生反应”，教师无法向学生提供实际的演示实验，也难以安排学生在课堂上进行此类实验操作，梁希瞳进行基于Flash动画的课堂活动分析，运用Flash动画演示了析氢腐蚀和吸氧腐蚀的过程及原理，向学生很好地展示了电子流向，让学生充分理解电解池与原电池的工作原理[16]。Flash有助于学生建立微观世界模型，探索难以触摸的感知和反应原理。需注意的是由于大多数Flash课件只能以编程好的动画展示给学生，陈志胜等人经过实际操作表示其动画制作具有一定难度，有些制作过程涉及编程语言，不利于计算机基础较差的教师熟练使用[17]。

（3）VR技术（Virtual Reality）

VR技术（Virtual Reality）又简称VR技术，是一种能够利用计算机与其他设备软件营造三维立体空间环境的技术，参与者通过佩戴VR设备，仿佛置于真实的化学实验环境[18]。杨壮林等人总结VR技术在化学教学中具有安全性、高效率性等优点[19]，以高锰酸钾制取氧气实验中的“先撤酒精灯还是先撤导管”知识点为例进行实践，以实际实验讲解这个知识点时存在一定的危险性，若仅在口头上向学生讲解先撤酒精灯会使水流倒吸而引发爆炸，对学生来说印象不够深刻，为了使学生牢记这一知识点，可利用VR技术进行操作引发虚拟爆炸，使学生能够更加直观、安全地参与到化学实验中去;又以“酸碱滴定”实验操作为例，现实环境中酸碱中和反应几乎是瞬间完成的，滴定实验操作很难控制，而利用VR技术在虚拟环境中进行实验，学生则会观察到离子碰撞的整个微观过程[19]，使得实验成功率得到很大提升，从而提高实验教学效率。李嘉讲到VR技术可让学生获取三维空间的抽象概念内容，学生可使用VR眼镜观察3D分子结构，体会化学分子世界之美[20]。但正如樊艺蕾等人所提到的，VR技术应用投资巨大，设计某一特定VR化学实验过于耗费时间和精力，且进入虚拟环境需要佩戴接触设备，会有学生因额外的重量感而导致身体不适或不习惯沉浸式虚拟现实系统复杂的环境，学习后期可能出现大脑活动负荷过重等问题[21]。因此目前为止VR技术在中学实际课堂教学中的应用较少。

（4）GaussView软件

GaussView软件是一款应用于中学化学教学的图形软件，主要应用于分子晶体的结构教学。张翼在有机化学的实际教学中发现该软件功能强大、方便且美观，是一款良好的化学教学辅助性软件[22]。田亚利等人表明相较其他图形软件，GaussView在分子和晶体结构设置上更具优势，该软件不仅可以绘制分子结构图，还可设置分子的二面角通过旋转基团查看不同角度的分子结构，并能任意替换原子和基团绘制其他分子结构[23]。现阶段在中学教学中所涉及到的结构化学和有机化学知识较为基础，因此GaussView软件非常适合应用于中学化学的教学，但该软件大部分并非免费使用，因此还有待普及。

四、总结审思

1.虚拟仿真软件在中学化学教学中发挥着重要作用

通过上述分析可知，我国对信息化教学研究予以重视。虚拟仿真软件作为辅助教学工具尤其在化学实验教学领域中发挥着重要作用。运用虚拟仿真软件教学有利于培养学生的宏观辨识与微观探析能力，开拓学生的科学探究思维，帮助学生建立认知模型并渗透化学知识，感受化学魅力。我国教学改革提倡加强学生在课堂中的主体作用、增强学生的创新意识、结合信息化技术培养学生的科学素养，虚拟仿真软件的应用有助于这些目标的实现。

2.虚拟仿真软件在中学化学教学中应被选择性使用

经上述分析，我国目前常用于中学化学教学的仿真软件有NB虚拟仿真软件、Flash动画制作软件、基于VR技术的虚拟实验室及GaussView图形软件等。结合笔者在中学两年的实践研究与调查可知，应根据不同地区的发展水平、实验难易程度、实验重难点、实验安全性能及教师的计算机操作能力等因素选择性使用虚拟仿真软件。如在进行重难点实验讲解或存在易燃易爆危险性较高的实验时，教师和学生可选择NB虚拟仿真软件进行实验操作，有条件的地区和学校也可采用VR技术进行虚拟实验;在向学生讲解如“原子的构成”等復杂抽象的教学内容时，教师可选择制做Flash动画向学生进行直观的实验教学;在讲解结构化学与有机物时可利用GaussView软件进行教学......虽然我国现阶段很多地区都已开始将技术与教育相融合，但还有部分地区没有先进的技术和条件进行此类教学，因此在积极倡导发展虚拟仿真软件应用的同时，也要注重客观现实条件和教学内容的不同而进行选择。

3.虚拟仿真实验无法代替中学化学教学中的真实实验

周晓敏、陈燕通过问卷和访谈调查了中学化学教师对虚拟仿真实验室的认可度与应用意愿度，其调查结果显示，虽然现下中学化学教师对虚拟仿真软件的认识度普遍较高，且大部分教师都对虚拟仿真软件应用于中学化学教学表示认可，但从其数据统计结果来看，中学化学教师对虚拟仿真实验的认可主要是因为虚拟仿真软件能够辅助教学，而对虚拟仿真实验能否提高实验动手能力和培养科学严谨性等方面则持保留意见[24]。尽管虚拟仿真软件有着许多优点，但目前该技术尚未成熟，仍受多种客观或主观条件的限制。在触觉、视觉、嗅觉上的真实感官刺激目前任何一个软件和技术平台都无法替代真实实验所给予的。因此能让学生动手的实验，不提倡用虚拟仿真实验代替。目前虚拟仿真软件应作为一类教学辅助工具辅助实际实验进行教学，其发展还有待进一步研究探索。

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（编辑：鲁利瑞）