謝明陽

摘要：虛擬實驗作為信息技術(shù)與教學(xué)深度融合的重點方向已經(jīng)展現(xiàn)出教學(xué)價值，但也暴露出設(shè)計適切性不足、使用限度不明等問題。將虛擬實驗融入數(shù)字教材，以教科書的課程設(shè)計脈絡(luò)為切入點，以虛實結(jié)合的方式開展教學(xué)活動，是科學(xué)可行的應(yīng)對策略，同時應(yīng)堅持虛擬實驗的專精功能定位，虛實結(jié)合優(yōu)化問題情境的創(chuàng)設(shè)，強化整體設(shè)計，實現(xiàn)資源與功能的優(yōu)化匹配。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗；中學(xué)化學(xué)；數(shù)字教材；數(shù)字化教學(xué)

為深入實施科教興國戰(zhàn)略，黨的二十大報告明確提出“推進教育數(shù)字化”“加快建設(shè)高質(zhì)量教育體系”的指導(dǎo)方針。2022年11月，教育部聯(lián)合五部委發(fā)布《虛擬現(xiàn)實與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動計劃（2022—2026年）》，將在中小學(xué)校、高等教育、職業(yè)學(xué)校建設(shè)一批虛擬現(xiàn)實課堂、教研室、實驗室與虛擬仿真實訓(xùn)基地，推進“虛擬仿真實驗教學(xué)2.0”，繼續(xù)推動教學(xué)模式向自主體驗升級，旨在打造支持自主探究、協(xié)作學(xué)習(xí)的沉浸式新課堂。

早在2019年，教育部就已出臺《關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》，倡導(dǎo)在教學(xué)中注重傳統(tǒng)實驗教學(xué)與新興科技的有機融合，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)呈現(xiàn)因危險性、破壞性或不便觀察、控制而無法進行的實驗，提高實驗教學(xué)的質(zhì)量和效果。在基礎(chǔ)教育教學(xué)中合理應(yīng)用虛擬實驗，一直是自然科學(xué)類學(xué)科數(shù)字化資源研發(fā)的重要方向。將虛擬實驗融入數(shù)字教材，既有助于探索如何利用虛擬實驗助力常態(tài)化教學(xué)，又便于以虛擬實驗為抓手強化數(shù)字教材對教學(xué)的支撐，切實推進教育數(shù)字化，提升教材資源質(zhì)量。

一、現(xiàn)狀

（一）關(guān)于虛擬實驗

虛擬實驗通常指利用計算機系統(tǒng)模擬構(gòu)建的仿真實驗。實驗者通過與各類終端交互進行觀察或操作，完成模擬真實情境中的預(yù)定實驗項目，以取得等值或優(yōu)于真實環(huán)境中的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練效果。

虛擬實驗的研究與應(yīng)用在近十年取得了長足發(fā)展。在國家政策的引導(dǎo)下，虛擬實驗已廣泛應(yīng)用于大學(xué)及職業(yè)教育領(lǐng)域以支持大型儀器原理及操作的教學(xué)，解決危險實驗難以操作等問題。國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺已建成3400余個實驗中心，提供一萬多期虛擬實驗課程。在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，我國常見的虛擬實驗包括并不限于NOBOOK等實驗交互平臺、基于3D儀器建模的仿真實驗平臺、由Flash或Html5制作的實驗交互探究動畫、基于虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的仿真實驗室等。

（二）教學(xué)價值

隨著實際應(yīng)用的展開，虛擬實驗教學(xué)有效性的研究也逐步豐富。在大學(xué)階段，對于流程較多、依賴操作的大實驗，虛擬實驗對于預(yù)習(xí)有很好的支撐作用，能夠減少實際實驗過程中出錯、混亂、預(yù)習(xí)效果不理想、實驗安全風(fēng)險等問題。在無法動手操作精密儀器或大型化工設(shè)備的情況下，學(xué)生通過交互模擬的方式進行演練，也能有效提升學(xué)習(xí)效果。對于中學(xué)階段的相關(guān)課程，教師合理利用虛擬實驗?zāi)軌蛴嗅槍π缘赜行лo助實驗教學(xué)，提升學(xué)生的參與感和自我效能，從而提高教學(xué)質(zhì)量和效果。

（三）現(xiàn)存問題

雖然虛擬實驗介入中學(xué)化學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)近十年，但其在教學(xué)中的使用普及率仍然不高，與成為常態(tài)化的教學(xué)輔助手段有較大差距。相關(guān)研究指出當(dāng)前虛擬實驗應(yīng)用中存在諸多問題，筆者結(jié)合產(chǎn)品研發(fā)及教學(xué)實踐中的經(jīng)驗，歸納為以下幾個方面。

1. 設(shè)計適切性不足

中學(xué)實驗經(jīng)過多年的教學(xué)研磨和改進，大多是方便教師快速演示、易于學(xué)生上手操作的短實驗，具備簡潔、快速、直觀等特點。同時，實驗教學(xué)目的本身還包含對實際現(xiàn)象的觀察及實驗操作的感性認(rèn)知。這從根本上決定了單純對實驗環(huán)境或過程進行模擬的虛擬實驗很難在中學(xué)階段發(fā)揮作用。

2. 適用限度不明

技術(shù)介入教學(xué)的雙面影響一直是教育信息化發(fā)展中備受關(guān)注的問題。虛擬實驗作為新興、復(fù)雜的教學(xué)資源，其研發(fā)確實存在重技術(shù)實現(xiàn)而輕教學(xué)意義的問題。實際應(yīng)用中，也存在虛擬實驗被當(dāng)作噱頭，教學(xué)實現(xiàn)過度重視技術(shù)使用而忽視教學(xué)本身的情況，甚至不少虛擬實驗變成“應(yīng)試教育”替代實際實驗的習(xí)題講解工具。

3. 使用方式欠佳

虛擬實驗作為一種輔助教學(xué)資源，其合理使用離不開教師的精心引導(dǎo)。部分教師尚未具備合理利用數(shù)字化教學(xué)資源進行知識構(gòu)建的認(rèn)知和能力，課堂上學(xué)生探究交互時也存在教師缺位問題。使用方式欠佳影響虛擬實驗的價值實現(xiàn)，很多情況下虛擬實驗只能作為知識傳遞的淺層工具。

4. 獲取難度較大

當(dāng)前市面上具備規(guī)模的虛擬實驗多是商業(yè)公司研發(fā)的軟件平臺，實際教學(xué)中使用起來存在收費高、通用性差、課堂硬件及技術(shù)保障難等問題。雖然示范課上也能見到教師使用虛擬實驗作為亮點點綴，但多是教師與研發(fā)公司各取所需打磨的個例，或限時試用，難以在日常教學(xué)中普及。

二、策略

將虛擬實驗融入數(shù)字教材，一方面可以利用數(shù)字教材平臺的通用性化解技術(shù)保障及教育公平性問題，另一方面也能利用教科書的教學(xué)屬性改進虛擬實驗類資源在當(dāng)前技術(shù)形態(tài)下存在的諸多問題。如何將虛擬實驗融入數(shù)字教材，可以采取以下三項策略。

（一）重視教學(xué)屬性，以教科書脈絡(luò)確定切入點，為教學(xué)目標(biāo)服務(wù)

教科書呈現(xiàn)了最常見的課堂教學(xué)實施路徑，數(shù)字教材是圍繞教科書教學(xué)脈絡(luò)構(gòu)建的基礎(chǔ)資源平臺。以教科書的課程設(shè)計脈絡(luò)為切入點開展教學(xué)，可讓虛擬實驗更好地融入教學(xué)并實現(xiàn)其使用價值。數(shù)字教材對虛擬實驗進行適度改造，對虛擬實驗的內(nèi)容進行規(guī)范及優(yōu)化，使得虛擬實驗與教材活動更為貼合。例如，為了便于九年級學(xué)生學(xué)習(xí)氧氣的實驗室制法，數(shù)字教材在習(xí)題中引導(dǎo)學(xué)生利用儀器進行實驗探究，在單元復(fù)習(xí)中針對氧氣的實驗室制法引入NOBOOK虛擬實驗。數(shù)字教材依據(jù)紙質(zhì)教材設(shè)計的環(huán)節(jié)選擇匹配的實驗儀器及試劑，在學(xué)生學(xué)習(xí)完制取氧氣后，為他們提供對知識進行遷移運用的數(shù)字化探究情境，幫助他們建立化學(xué)觀念。同時，針對處于化學(xué)啟蒙階段的學(xué)生自主規(guī)劃實驗、探究能力有限的特點，數(shù)字教材依據(jù)紙質(zhì)教材脈絡(luò)，在虛擬實驗中補充提供實驗?zāi)康男畔⒓皩嶒灮顒尤蝿?wù)支架，使學(xué)生的學(xué)習(xí)活動得以順利進行。

（二）強化工具屬性，提供培養(yǎng)實驗探究思路與方法的數(shù)字化環(huán)境

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》加強了對于“化學(xué)實驗探究的思路與方法”的要求，強調(diào)學(xué)生在化學(xué)實驗探究中不僅要關(guān)注實驗內(nèi)容本身而且要逐步形成探究的思路與方法。在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，受課時、實驗條件、安全風(fēng)險等因素影響，部分學(xué)生實驗探究條件有限，難以充分施展。即使學(xué)校能支持學(xué)生完成必做實驗，落實“化學(xué)實驗探究的思路與方法”的目標(biāo)仍有較大難度。虛擬實驗具備自主探究和人機交互的特性，可以作為數(shù)字化環(huán)境下的工具模擬實驗流程，支撐探究過程的演繹，輔助探究活動的開展。

在引入虛擬實驗時，數(shù)字教材弱化了其知識講解、現(xiàn)象展現(xiàn)等附加作用，重點利用其設(shè)計實驗裝置、模擬研究探究過程的工具功能。以“不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”教學(xué)為例，數(shù)字教材先設(shè)置自研交互動畫輔助梳理含硫物質(zhì)價態(tài)轉(zhuǎn)化方案，再利用NOBOOK虛擬實驗這一具現(xiàn)化工具讓學(xué)生實現(xiàn)設(shè)計方案，引導(dǎo)他們按紙質(zhì)教材的指引逐步嘗試并確定探究實驗的方案及流程（如圖1），化被動輸入為主動輸出，避免“照方抓藥”，降低本單元后續(xù)必做實驗的實施難度。合理設(shè)計虛擬實驗工具有助于學(xué)生建立化學(xué)觀念，全面提升科學(xué)思維能力和探究能力。

（三）探索虛實結(jié)合、線上線下融通的教學(xué)模式

教育技術(shù)的使用限度是虛擬實驗融入教學(xué)時需要格外注意的問題。虛擬實驗不能替代也不應(yīng)替代真實動手實驗的觀念已逐步形成共識。教師需要精心設(shè)計教學(xué)任務(wù)，以問題為導(dǎo)向構(gòu)建虛實結(jié)合的教學(xué)活動；同時，要注意在構(gòu)建以學(xué)生為主體的探究活動時的教師缺位問題，謹(jǐn)防過度虛擬化和形式化使實驗活動失去原本的育人價值。教師如何把握技術(shù)應(yīng)用的尺度，下面以“氯氣的實驗室制法”教學(xué)為例介紹具體的教學(xué)策略（如圖2）。

教師在教學(xué)中利用數(shù)字教材教學(xué)平臺進行教學(xué)，整合使用情境視頻、虛擬實驗、實驗視頻等教學(xué)資源，以及師生終端切屏演示、習(xí)題統(tǒng)計等平臺功能，以虛實結(jié)合、線上線下融通的方式合理使用虛擬實驗，高效開展了“氯氣的實驗室制法”的教學(xué)活動。教師分步驟讓學(xué)生在各自終端上利用虛擬實驗設(shè)計制取氯氣的氣體發(fā)生、氣體收集及尾氣處理裝置，在學(xué)生依據(jù)已有信息自主嘗試后，提問并切屏展示學(xué)生的設(shè)計結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生描述設(shè)計思路并進行改進，增添除雜裝置。借助虛擬實驗，學(xué)生自主設(shè)計及完善實驗流程之后再動手進行氯氣實驗室制取的實驗。由于加深了對實驗室中制取氣體裝置設(shè)計的理解和對實驗過程的熟悉，學(xué)生的實驗井然有序，全部小組都迅速、成功地完成了氯氣的制取、收集及驗證工作，并在以氨氣制取為情境的問題中成功對氣體制取模型進行應(yīng)用遷徙。

三、展望

隨著信息技術(shù)與教學(xué)深度融合進程的加速，虛擬實驗會得到更加廣泛的應(yīng)用，對虛擬實驗的優(yōu)化也將提出更迫切的要求。經(jīng)過幾年的研究探索，筆者結(jié)合在數(shù)字教材中研發(fā)應(yīng)用虛擬實驗的經(jīng)驗，對虛擬實驗的后續(xù)研發(fā)提出以下建議。

（一）揚長避短，持續(xù)專精優(yōu)勢功能

目前，虛擬實驗的操作性和現(xiàn)象的真實程度都遠不能與真實實驗相比，一味追求仿真性和操作性未必是當(dāng)前技術(shù)環(huán)境下的最優(yōu)解。應(yīng)合理利用虛擬實驗的形態(tài)特征，找準(zhǔn)賽道揚長避短，發(fā)揮虛擬實驗的優(yōu)勢（如圖3）。例如，虛擬實驗有助于在數(shù)字化環(huán)境下為實驗設(shè)計提供支撐，可考慮在此基礎(chǔ)上研發(fā)專項設(shè)計工具，解決實驗設(shè)計與模擬驗證雜糅在一起影響探究流程的問題。又如，研究證實，虛擬實驗對于陳述性知識的教學(xué)效果不如程序性知識，并在針對問題解決進行設(shè)計探究的過程中能對學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極影響。這也證實了對于虛擬實驗當(dāng)前不宜過度地將重點放到對真實現(xiàn)象的模擬上，而應(yīng)當(dāng)持續(xù)對實驗流程的模擬操作進行優(yōu)化，使其更為易用、好用。針對不同類型的教學(xué)主題，虛擬實驗可針對教學(xué)目標(biāo)做好專精的交互設(shè)計。例如對于復(fù)雜長流程的學(xué)生活動可針對實驗過程提供記錄及反饋，提高學(xué)生對于實驗操作要點學(xué)習(xí)效果；而對于如原電池、化學(xué)平衡等涉及微觀原理難點的教學(xué)內(nèi)容，可考慮增加與操作聯(lián)動的微觀視角的切換演示，幫助學(xué)生攻克思維上的難點。

（二）打破桎梏，創(chuàng)設(shè)虛實結(jié)合的問題情境

虛擬實驗?zāi)茉诖髮W(xué)階段得到應(yīng)用，其原因之一是大學(xué)實驗通常涉及與實際生活關(guān)聯(lián)的大型精密儀器或是復(fù)雜工業(yè)流程。雖然中學(xué)實驗通常經(jīng)過簡化設(shè)計，但是對于虛擬實驗的使用不必局限于課堂演示實驗本身。中學(xué)階段的虛擬實驗也可用于情境創(chuàng)設(shè)或情境模擬，例如參考高校虛擬實驗創(chuàng)設(shè)簡化的自來水廠凈化、高爐煉鐵、車載電池、工業(yè)合成氨等情境，為知識的應(yīng)用與遷移提供支撐。雖然操作環(huán)境為假，但是數(shù)據(jù)采集的過程為真，學(xué)生的探究與思考為真。應(yīng)用虛擬實驗?zāi)M解決真實問題的情境，可以激發(fā)學(xué)生探究與實踐的樂趣，促進科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的涵育。

（三）強化整體設(shè)計，統(tǒng)籌資源配置與平臺功能

虛擬實驗與中學(xué)教學(xué)深度融合需要做好整體設(shè)計，而非單獨關(guān)注虛擬實驗類資源自身。這種整體設(shè)計涉及教學(xué)流程的完整性、資源素材的整體配合以及技術(shù)功能對內(nèi)容的整體支撐。傳統(tǒng)的實驗探究流程會在信息技術(shù)手段的作用下重構(gòu)，如利用延時及微距攝影創(chuàng)設(shè)真實情境引出問題、利用虛擬實驗環(huán)境輔助實驗設(shè)計的呈現(xiàn)、利用數(shù)據(jù)圖表呈現(xiàn)實驗結(jié)論表達、提高數(shù)據(jù)處理效率等。虛擬實驗的后續(xù)研發(fā)也要順應(yīng)這種趨勢，從輔助原有探究教學(xué)單一環(huán)節(jié)的實現(xiàn)，轉(zhuǎn)向靈活支撐技術(shù)賦能下學(xué)生的探究活動。

注：本文系國家新聞出版署出版融合發(fā)展（人教社）重點實驗室、人民教育出版社人教數(shù)字教育研究院2021年重點課題“信息化教學(xué)環(huán)境下基于虛擬實驗的化學(xué)學(xué)科工具對學(xué)生科學(xué)探究能力提升的研究”（課題編號：RJA0121011）的研究成果。

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（作者系人教數(shù)字出版有限公司高級編輯）

責(zé)任編輯：祝元志