中学化学虚拟仿真实验的研究进展

曹圳 陈燕

摘要：从年份、研究主题、实验教学方法、文献内容等方面分析了2011-2021年Journal of Chemical Education 中涉及中学化学“虚拟仿真实验”的发文情况。介绍了虚拟仿真实验教学、实验平台、相关理论、研究现状等多篇具有代表性的文献，以期对我国中学化学虚拟仿真实验教学带来启发。

关键词：国际化学教育;Journal of Chemical Education;虚拟仿真实验;文献分析

文章编号：1008-0546（2022）08-0081-04   中图分类号：G632.41   文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.017

当前我国正处于迈向教育强国的关键阶段，信息技术可以突破教与学的时空限制，是缩小城乡教育差距、促进教育均衡发展最直接的手段。将虚拟仿真技术运用于中学化学实验的教学不仅可解决不少学校因实验条件、资金、安全等因素而无法很好开展实验教学的问题，也对提高教育质量和培养创新人才具有重大意义。本文通过对2011-2021年美国《化学教育》Journal of Chemical Education（以下简称JCE）中有关中学化学“虚拟仿真实验”的文献进行分析，以期为积极探索现代信息技术与化学实验教学的深度融合、对促进国内中学化学虚拟仿真实验的教学应用有所启发。

一、JCE 中有关中学化学“虚拟仿真实验”的年份分析

以“Virtual Simulation Experiment”为关键词对     2011-2021近十年JCE上的文献进行检索，搜索范围为“Anywhere”，得到了197篇有关虚拟仿真实验的文献。再根据其内容是否属于中学化学，或其方法是否适用于中学化学实验的教学，对所选文献进一步筛选得到有关中学化学“虚拟仿真实验”文献38篇，占同期化学“虚拟仿真实验”文献的19.3%，表明JCE上化学“虚拟仿真实验”研究的重心放在大学本科和更高年级，而不在中学化学“虚拟仿真实验”的研究上。

对近十年JCE 上有关“虚拟仿真实验”和中学化学“虚拟仿真实验”的发文量进行统计（如图1所示），发现在2011-2017年这段时间，虚拟仿真实验的论文每年发文量均在个位数，但在2019年到2021年间出现陡增与回落。这种情况一方面是由于虚拟仿真实验在近年迅速发展并受到广大教育者们的重视，因此相关的研究也相应增多;另一方面则是由于2019年末新冠疫情的爆发，大多数学校被迫引进虚拟仿真技术进行化学实验的教学。

二、JCE 中有关中学化学“虚拟仿真实验”的研究主题分析

通过统计JCE 上有关中学化学“虚拟仿真实验”研究主题关键词，不难发现其涉及了实验教学、实验室安全教育、有机化学、无机化学、分析化学、化学热力学、绿色化学等多个主题（见表1）。实验安全是进行实验的必要保证，而实验安全教育作为化学实验教学必不可缺少的一部分在实际教学中往往以具体的化学知识、技能为载体呈现[1]。通过虚拟仿真技术再现实验事故、实验危险意外情况的发生，可以培养学生化学实验的安全意识、提高学生实验安全操作能力;此外，国外中学化学“虚拟仿真实验”中加入了大学化学和跨学科的知识、渗透绿色化学和环境化学的内容，这些都体现其不只是服务于化学知识的学习，还关注化学与其他学科的紧密联系，注重拓宽学生视野。

三、JCE 中有关中学化学“虚拟仿真实验”的实验教学方法分析

JCE 上10个有关中学化学“虚拟仿真实验”实验教学方法的关键词（见表2）中，“Computer- Based Learning（基于计算机的学习）”“Internet/Web-Based Learning（互联网/网络学习）”“Multimedia- Based Learning（基于多媒体的学习）”的引用频率都较高。这是因为虚拟仿真实验是通过多媒体技术、网络技术以及虚拟现实技术等在计算机或其他多媒体设备终端上营造出一种虚拟的实验环境，让实验者可以通过与设备的交互，仿佛身处真实的实验环境中去完成各种实验项目[2，3]，这些关键词体现了该教育技术在国外虚拟仿真实验教学的应用。此外，关键词“Distance Learning/Self Instruction（远程学习/自学）”，体现了国外开发虚拟仿真实验平台的目的之一就是进行远程教育，在便捷地进行线上的实验教学的同时也加强对学生自学能力的培养;关键词“Inquiry-Based/Discov? ery Learning（基于探究/发现的学习）”，说明国外注重建构学生自主学习的环境，以学生为主体，让学生自主地探索未知的知识，从而培养学生的创新精神和实践能力。

四、文献内容分析

所选38篇文献的内容主要聚焦于中学化学虚拟仿真实验教学、虚拟仿真平台的介绍和设计、虚拟仿真实验相关理论研究、虚拟仿真实验现状分析这4个主题（见图2）。

1.虚拟仿真实验教学

有53%的文献探讨了“虚拟仿真实验教学”，涉及分析化学、结构化学、无机化学、有机化学等实验。例如，“MEL Chemistry”课程是通过虚拟仿真技术提供以小于分子的尺度（即原子及其结构）下的可视化，有助于学生克服将宏观和微观世界联系起来的困难，发展学生宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。通过该课程，学生可以与虚拟原子相互作用，探索和改变它们的组成，將它们旋转360°，同时看到相应的电子分布的轨道图（如图3所示）。

有研究表明，涉及原子结构、元素周期性的沉浸式虚拟仿真实验的实施可以极大地影响学生的学习结果[4，5]。因此，虚拟仿真实验可以被视为增强学生对化学概念的理解的有用工具。通过在沉浸式虚拟仿真实验中可视化粒子、原子核、原子轨道和原子的相互作用可以促进难以理解化学概念的学习过程，可以将其应用在中学化学物质结构专题的教学，有助于学生对物质微观结构的理解[6]。

2.虚拟仿真实验相关理论研究

24%的文献对虚拟仿真实验相关理论进行了研究，包括虚拟仿真实验对学生能力提升的研究和对比评估了虚拟仿真实验和真实实验下学生的认知差别及其教学效果。随着虚拟仿真实验室使用的增加，衡量虚拟实验环境和传统动手环境下实验之间存在的差异越发重要。有不少研究发现，化学虚拟实验和传统动手实验情境下的学生在认知领域和动作技能领域能力的评估结果没有明显差异[7～9]。Hensen C等[10]使用修改过的化学实验室情感量表[11，12]考察虚拟实验和传统动手实验下学生的情感差异时，发现教师和助教的不同会导致两组学生在情感领域存在差異。因此，在虚拟实验教学中，教师和助教是影响学生实验体验的重要因素。

3.虚拟仿真实验现状分析

因新冠疫情来势汹汹，许多学校只能临时采取虚拟仿真实验的方式来教授化学实验，这其中也有不少的困难和问题需要引起关注，对此有13%的文献就这些问题进行了分析。

Numan Ali[13]将现有的化学虚拟实验室划分为2D、3D 和基于视频系统的化学虚拟仿真实验室（见图4），并介绍了这些化学虚拟仿真实验室的特点与不足。例如：一些2D 仿真实验室缺乏逼真度;基于3D 环境的虚拟仿真实验是通过菜单和控制框提供与对象的交互，和真实实验环境的体验还有较大差距;大多数现有的虚拟实验室没有提供步骤指导，导致学生无法完成虚拟实验;现有虚拟仿真实验室主要提供的是静态信息且无法根据学生的水平进行更新。考虑到这些问题和局限性，未来化学虚拟仿真实验室的改进方案可以有：（1）以动画的形式生动地指导说明每个步骤和任务的数量和顺序，使学生更感兴趣并更轻松地进行实验;（2）通过动态加载或显示仅在当前实验中需要的对象，来降低学生在大量药品、设备中进行选择所造成的认知负荷;（3）允许用户加入新化学物质、设备和程序来产生新的化学反应，改变传统虚拟实验仅仅提供预定化学反应的静态模式。

4.虚拟仿真实验平台介绍和设计

由于虚拟仿真的实验环境与真实实验环境还存在较大差异，且虚拟仿真实验平台人机界面友好、操作界面的人性与否直接影响了其教学效果，因此有10%的相关研究着眼于尽可能弥补这方面的缺陷，开发出更加接近真实情景的虚拟仿真实验平台，打造拥有多样化的表现形式，操作更为直观、有趣，界面也更加友好的虚拟仿真实验平台[14，15]。

VR2E2C（化学虚拟实验远程教育系统）是一个面向中小学生、大学生以及研究型大学、研究所甚至工业研究人员的化学教育平台。该虚拟现实实验室的设计比例与真实实验室相同（如图3所示），它为用户提供了三种模式：在手动模式下，用户可以在虚拟环境中控制机器人手臂和其他分析仪器和试剂，单击并拖动场景中的项目可以控制所有项目;在自动模式下，用户在列表中选择他们想要在实验中使用的试剂和仪器，系统将搜索内置数据库，然后列出所有可能的过程供用户选择一个可能的过程来开始实验。在自定义模式下，则由用户设计整个实验思路、选择实验设备逐步完成他们选择的模块规划。

作者以纳米金的合成实验为例，记录100名学生的反馈信息，发现虚拟远程教育系统能够达到预期的教学效果。该系统能为安全和高容错实验主题提供远程教育，并展示了最新的虚拟现实和机器人技术对传统化学教育有哪些益处，为后续虚拟仿真化学实验的应用提供了一种新的思路[16]。

五、结语

21世纪以来，随着新课程和教育评价体系的改革，我国发布了《普通高中化学课程标准》（以下简称新课标）。新课标明确规定了学生必做实验，标志着化学实验已从规范上被确立为化学日常课堂教学中的基本环节。针对化学实验教学的特点，将虚拟仿真技术引入中学化学实验教学中，能有效解决现实中某些化学实验难以展开的问题。作为新兴的教育技术手段，虚拟仿真技术在化学实验教学领域的价值被越来越多的国际教育工作者所认可，而先驱者们所提出的问题和研究方向也是化学教育者和教育技术研发者应着重去思考和探索的。

参考文献

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