虚拟仿真技术在化学实验教学中的国内外研究现状分析

吕向丽，刘春玲

(1.吉林师范大学 化学学院，内蒙古 赤峰 024000；2.吉林师范大学 化学学院，吉林 梨树 130600)

教育部2018年推出了《教育信息化2.0行动》，强调教育信息化。在教育上，遵循教育原则与规律，科学运用教育方法，从而切实提高学生的思想教育水平。传统教学中的“一人一黑板一粉笔”的教学模式，早已不适用现代培养人的要求。于此同时，随着5G时代、人工智能，以及新一轮科技革命的来临，如何更好地将科学技术与现代信息化建设应用到教育上，成为了有待解决的问题。

1 研究意义

1.1 理论意义

利用虚拟仿真技术让学生在化学实验中深度学习，既满足了学生自身发展的需求，又适应了时代的发展。通过虚拟仿真技术，在创建的化学实验情境中利用虚拟仿真技术让学生学以致用，促进知识的迁移与应用，从而达到培养学生合作能力、创新与创造能力的目的。利用虚拟仿真技术设计教学过程，构建学习由浅入深，由易到难的教学模式、流程与策略，培养学生的自主学习和实验探究能力。

1.2 实践意义

众所周知，任何研究的实践意义都是建立在理论研究的基础之上。由于部分化学实验操作复杂、危险系数高，因此在课堂上无法演示。将虚拟仿真技术运用到化学实验教学中，解决并完善了传统化学实验教学中的一些问题。例如，将虚拟仿真技术更好地融入化学实验教学中，可以给学生增加试错的机会，同时，也能对那些危险系数高、污染环境的实验进行虚拟仿真操作，实现学生的深度学习。

2 国内外研究成果

2.1 国内外研究现状

2.1.1 文献数量分析

随着时代的发展，教育也在不断地迎来新的方法与机遇。其中，虚拟仿真技术从20世纪80年代到今天，也实现了质的飞跃。尤其在理科实验教学中，虚拟仿真技术的意义十分重大，因此，关于虚拟仿真技术的研究也层出不穷，虚拟仿真技术也得到了更加完善的发展。

1)国内数据库文献数量分析

以“虚拟仿真教学”为关键词，在中国知网中进行检索，从2014年到2022年期间(截至2022年6月止)共发表文章2010篇。其中，学术期刊1715篇，学位论文95篇，相关会议39篇。笔者以横坐标为发表年份，以纵坐标为发文总数进行做图，如图1所示。由图1看出，从2014年到至今，关于虚拟仿真技术的文章一直呈现上升趋势。因此，虚拟仿真技术在教学中发挥着越来越重要的作用。

图1 国内虚拟仿真教学论文发表

近些年虚拟仿真教学分布如图2所示。可以发现，虚拟仿真教学在各个领域均有涉及，虚拟仿真教学适用于高等教育、中等教育等。

图2 国内虚拟仿真教学论文发表学科分布

2)国外数据库文献数量分析

同样，对近些年的外文文献进行研究发现，外文文献中虚拟仿真教学更多的涉及医学、技术工程等方面。虚拟仿真教学是在一些理论的支撑下发展起来的，比如认知理论、构建主义理论、操作学习理论、STEAM学习理论等等。

2.1.2 文献内容分析

1) 国内研究现状

虚拟仿真(Virtual Reality)，也就是虚拟现实，也称模拟技术，就是用虚拟的环境模仿真实的环境，并且可以十分逼真。通过现实环境与虚拟环境之间的相互作用，使学生从中获得真实的体验和感受，从而达到预期的教学与学习效果，为教育带来明显价值。虚拟仿真技术能够打破时间和场地的限制，使学生置身于十分逼真的场景中，去探索和交流化学实验中的奇妙变化。王春提出，化学实验是以反应现象为基础，而传统化学实验教学操作危险、费时费力，很多教师不得已将实验教学转变为语言文字传输给学生，导致学生对实验过程不理解，不利于学生的思维和实践能力的发展；对于一些实验时间较长，控制变量较多的实验，课堂操作是不可能实现的，而利用虚拟仿真技术，可以省去实验过程中的等待时间，较好的控制变量，跨越时间的限制，从而提高了课堂效率[1]。虚拟仿真技术能够提高学生对化学的浓厚兴趣，大多数学生是在互联网的陪伴下成长起来的，因此以互联网为基础的虚拟仿真教学更能够让他们收获快乐，实现寓教于乐。焦爽等设计了一个基于 B/S(Brower/Server：浏览器/服务器)与 C/S(Client/Server：客户端/服务器)架构结合的初中化学实验模块，并以此对两个班级的学生以“对化学的喜爱程度”为题展开实验。结果表明，把虚拟仿真实验引入化学实验教学的实验组的学生对化学的喜爱程度由原来的51.34%上升到实验后的61.46%，而对照组则由原来的50.82%上升到50.86%，并无太大变化，因此嵌入虚拟仿真技术更能提高学生对于化学的学习兴趣[2]。

将虚拟仿真技术嵌入化学实验教学，可以大大减少实验过程中的危险系数。化学学科离不开大量的实验，但对于初学者来说，有些仪器操作起来具有诸多风险。化学实验旨在培养学生的动手操作和实验探究能力，在做化学实验的过程中必须要严格遵守实验步骤，谨记实验过程中的注意事项，稍有差错，就会造成不可挽回的后果，虚拟仿真的技术的出现，为学生学习化学实验增加了“试错”的机会。比如,田菊香等在利用酒精灯的使用、空气中氧气含量的测定、加热高锰酸钾制取氧气等相关实验，鼓励学生“试错”，在培养学生实验过程中安全意识的同时又能培养学生的创新思维[3]。

随着时代的发展，互联网的兴起为人们的生产生活都带来了极大的便利。基于互联网背景下，虚拟仿真技术从高等教育走向中等教育，渗透于各个学科。不同领域都对虚拟仿真技术展开了深入研究，包括医学教育与医学边缘学科、教育学、职业教育、计算机软件与计算机应用等等。化学实验注重培养学生的创新能力和动手操作能力，在利用虚拟仿真技术实验教学的过程中，教师既可以很好的完成理论教学，同时又能培养学生的自主探究能力，促进学生多方面的发展。将虚拟仿真技术嵌入中学化学实验教学，能够充分满足学生的个性和需求，丰富课堂实验教学形式，提高课堂效率。但将虚拟仿真技术嵌入中学化学实验并不意味着用虚拟仿真实验去代替传统传统教学，虚拟仿真实验在教学过程中只是起到辅助的作用。郭志强等认为，虚拟仿真实验教学要采用“内容区分”策略，在利用虚拟仿真实验教学时，学生要提高的不仅是实践能力，同时必须掌握知识，因此在实验前，教师必须先明确虚拟仿真技术是否适用于某一个实验。例如，胶体制备、酸碱中和反应，这样操作简单、现象明显的实操贯通类实验，需运用传统实验教学方法，从培养学生的动手操作能力。对于实验步骤繁琐、注意事项要求较多的虚实融合类实验，如喷泉实验、乙酸乙酯的制备与提纯实验，以及一些危险系数高，较难成功的虚拟贯穿类实验，如氯气的实验室制取、浓硫酸三大特性的验证等，则适合采用虚拟仿真实验教学的方法[4]。这些研究成果都为继续研究虚拟仿真实验教学提供了论据，并且，随着科技水平的提高，虚拟仿真实验教学会越来越受欢迎。因此虚拟仿真技术对于中学化学实验教学具有十分重大的意义。

2)国外研究现状分析

虚拟仿真技术于美国兴起，英国、日本等在虚拟仿真技术上的开发研究和应用也处于领先地位，也使虚拟仿真技术在教育方面彰显了巨大的价值。国际上把美国新媒体联盟(NMC,New Media Consortium)发布的《国际教育信息化地平线报告》作为教育信息化建设与发展的指向标。该报告表明，虚拟仿真技术将作为今后教育改革的重要领域之一[5]。表1系国外虚拟仿真技术实验教学的主要形式及平台[6]。

表1 国外虚拟仿真技术实验教学的主要形式及平台

文献[7]给出了关于国外虚拟仿真实验教学的几点建议，主要包括:

1) 加快促进信息技术在教育教学方面的应用；

2) 将现代教育技术结合于混合式教学、在线教学和合作学习之中；

3) 促进学生由课程的单一消费者向设计者和实施者转变；

4) 推动建设虚拟实验室建设和重视数字化学习条件。

3 关于虚拟仿真技术在化学实验教学中的思考

3.1 善于利用各种教学资源，完善虚拟仿真技术平台

由于部分化学实验不易实施、实验器材不完善、实验室开放时间短、评价试验的方法过于单一，在传统的实验教学中，许多教师常常运用多媒体播放演示，但这样的教学方法往往难以让学生加深印象，而利用虚拟仿真技术，如No Book化学实验室这样的教学平台，让每一个学生都亲自去做实验验证，观察实验的现象，从而提高了学生对化学学习的乐趣。教师更应该注重利用各种教学资源，完善虚拟仿真平台，不断提高自己的信息素养，紧跟时代的步伐，摒弃守旧老派的观念，对各种虚拟仿真平台进行利用与开发，设计自己的实验，开发课后作业等模块。

3.2 注重教学以传统教学为主，以虚拟仿真技术为辅

应注重以传统教学为主，以虚拟仿真技术为辅。在科技发展的今天，虚拟仿真技术的各种平台在网络上应有尽有，但是在实际的教学中，仍然不能用虚拟仿真技术去代替真正的传统教学，应该让虚拟仿真技术成为传统的教学的助手，目的是更好地培养学生。在实际教学中，会出现各种各样难以想象的实验现象，而虚拟仿真技术是处在一个理想的实验环境中，并不能真正的启发学生的思考，所以应该发挥虚拟仿真技术的优势，补充传统实验中的不足。

4 总结

虚拟仿真技术在化学实验教学中的作用举足轻重，特别是疫情期间的线上教学，虚拟仿真平台为化学实验教学实践提供了保障，能够在疫情期间为学生提供一个良好的实践平台，从而解决线上教学无法开展化学实验教学的困境。但是教师在使用过程中不能做拿来主义，应该不断提高专业水平，在虚拟仿真平台上建立自己的试验，改进实验装置。如赵丽娜等用玻璃罩或漏斗等制造半密闭环境[8]，或者积极开发与更新虚拟仿真平台的练习题环节，并不断更新自己的知识结构，为教育贡献自己的力量。