培养化学实验技能的虚拟实验设计

☆ 张如静 杨化刚

（1．聊城大学传媒技术学院，山东聊城252059； 2．聊城大学教育科学学院 山东聊城 252059）

前言

化学是一门以实验为基础的科学，从新元素的发现，新化合物的合成，到化学反应规律的研究，各种假设、理论的证实都离不开化学实验；同时，实验亦是自然科学研究问题的最重要最基本的方法之一。然而，在“化学以实验为基础” 的教学观已普遍为大家所接受的同时，人们对“以实验为基础”及“化学实验技能的形成”的理解还没有完全上升到理性的高度，实验教学仍是中学化学教学中最薄弱的环节。在化学实验中引进计算机仿真技术，设计出的虚拟化学实验室，在增强学生感性认识、培养学生动手能力、提高实验效率、避免人身伤害和节约费用等方面有着传统手段不可比拟的优势，对学生实验技能的培养和造就创造性人才，有着十分重要的意义。

一、虚拟实验概述

虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等于甚至优于在真实环境中所取得的效果。[1]

虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、想象性等特征，在实验教学方面有以下优点:[2]

1．吸引学生参与实验，调动学生学习化学的积极性

在虚拟实验室里，学生可以按自己的想法做任何化学实验，通过自己的参与来认识化学现象，了解物质的属性，以获得对课本知识的感性认识，由此，化学不再是枯燥的只强调死记硬背的学科，学生通过做实验在实践中学习新知识、复习旧知识，有利于培养学生对化学的学习兴趣，调动他们学习化学的积极性。

2．有利于避免真实实验带来的各种危险

由于化学自身的学科特性，相当一部分实验有一定的危险性，在虚拟实验室中这些实验仍旧可以通过虚拟操作进行。虚拟的化学实验可以避免腐蚀性物品带来的危险，也可以避免化学反应引发的燃烧、爆炸等现象对人身或实验室造成损失。

3．打破现实实验所受的时空限制

传统的实验室由于受时间和空间的限制，一部分教学内容无法以生动的形象呈现给学生。而在虚拟实验室中，虚拟现实技术可以打破这种限制。例如：要认识化学分子的结构，学生可以进入到化学分子的内部，分析各种物品分子结构有何不同。有些化学反应需要较长时间才能观察出结果，在传统实验室中这种实验结果不容易得到，而在虚拟实验室可以在很短的时间内由学生自主发现。

4．避免材料磨损

学生在虚拟实验室中通过操作虚拟仪器以及虚拟物品来观察、参与化学实验，不会耗费现实实验材料。另外，虚拟实验室不会出现任何磨损、破坏，可反复使用。学生可多次进入虚拟实验室练习实验以训练其实验操作技能。既满足了教学需求，又提高了教学效益，同时减少实验损耗。

5．可有效地提高学生的动手能力

虚拟实验允许学生按自己的设想动手，参与或从事实验研究，允许学生失败、允许犯错误，允许仪器设备“损坏”或“灾难性事故”的发生并通过正、反两方面增加和培养学生的想象力和创造力。

二、传统化学实验教学模式

化学实验教学模式是在一定的教学思想指导下，围绕着教学活动中某一主题而形成的相对稳定的、系统化的、理论化的方案，是教学理论和教学实践活动的桥梁和中介，也是一种化学实验教学范型。[3]图1 所示为传统的化学实验教学模式。

图1 传统的化学实验教学模式[4]

传统实验教学的不足在于：

（1）实验环节多是以教师为主，学生按部就班，处于被动学习的地位，即“填鸭式”的教学，往往是教师讲、学生做，以得到数据或观察实验结果为目的。

（2）不能调动学生学习化学的积极性和主动性，不利于学生创造性思维能力的培养。

（3）正是因为以得到数据或观察实验结果为目的，忽略了对学生实验技能的培养，不利于学生形成较强的动手能力，也难以使学生形成科学探究的学习习惯。

三、虚拟化学实验教学模式

利用虚拟实验进行化学实验教学时，要以培养学生实验技能为目的，就必须注意学生的认知规律，即认知阶段、联系形成阶段和自动化阶段。[5]一些学者提出了化学实验操作技能的培养策略：教师启发讲授、教师示范、有指导的学生实验、学生独立实验等。[6]

因此，利用虚拟实验室进行教学包含如下过程：用虚拟实验给学生演示示范实验操作及实验过程，待学生基本理解实验内容时，给学生一定的交互进行适当的模仿操作，在进入学生技能学习的联系阶段时，让学生进入实物实验阶段，将原来在虚拟实验环境中学习到的化学知识以及一长串分开的实验操作向现实实验操作迁移转化。随着实物实验的多次练习，学生的实验动作由最初的呆板到协调、灵活，并逐步将学习到的化学知识内化到自身知识结构中，并进入到实验技能形成的自动化阶段。

根据学生实验技能的形成过程，提出如图2 所示的实验教学模式。

图2 虚拟实验在教学中的应用模式图

图2 中的模式是先做虚拟实验，虚拟实验又分为操作示范和分步操作两个阶段，让学生在初步了解所需掌握实验技能的情况下再进行模仿操作，并将需要掌握的实验技能尽可能地细化、分解动作，以加深学生对技能的理解、提高学生学习技能的效率。在学生逐步了解该化学实验并对所需掌握的技能有了一定的内化认识之后再加入实物实验，以促进学生头脑中对所要学习的技能的认识向现实中的实验技能迁移。多次进行实物操作实验直至学生掌握实验技能。

最后，在应用计算机虚拟技术进行实验教学的过程中，在肯定虚拟技术在实验教学方面有效性的同时还要处理好虚拟实验与传统实验的关系。明确虚拟实验是传统实验方法的辅助和深化，并不能完全代替传统的实际实验，要将虚拟实验与传统实验有机结合起来，提高学生的动手能力、培养学生的实验技能并促进学生形成科学探索精神。

四、培养实验技能的虚拟实验设计模型

培养中学生实验技能的虚拟实验教学过程是基于一般的实验教学活动过程、对实验内容进行教学设计并通过虚拟现实技术来实现。因此，可利用教学设计的一些理论和方法指导虚拟实验的设计。

图3 是乌美娜于1994 年归纳出的教学设计过程的一般模型。[7]

图3 教学设计的一般模型

分析教学设计模型，包含的基本要素有四个：学习者分析、教学目标、教学策略（如何进行教学）、教学评价。因此，在设计培养中学生实验技能的虚拟实验时可从前期分析（学习者分析、教学目标、教学内容分析等），场景设计，总结与评价三个方面入手。而虚拟实验的实现还要有虚拟现实技术的支持。这是在设计以培养中学生实验技能为目的的虚拟实验时应该考虑的四个方面。

培养中学生实验技能的虚拟实验教学过程是基于一般的实验教学活动过程、对实验内容进行教学设计并通过虚拟现实技术实现的，因此，借鉴教学设计模型并根据技能形成的教学理论，笔者提出了培养中学生实验技能的虚拟实验设计模型（如图4 所示）。

图4 培养中学生实验技能的虚拟实验设计模型

1．前期分析

以实验技能的培养为导向的虚拟实验是基于一般的实验教学活动过程，设计时也应遵循虚拟实验设计的科学性原则，首先，需要了解要设计的化学实验的实验目标、实验内容、实验步骤等。根据实验目标才能确定该虚拟实验所要传授的是什么样的化学知识、意在培养学生的哪种实验技能（如使用某种仪器的技能、药品取用的技能等等）。根据教学设计理论应先了解学生已有的化学知识结构以及学生已掌握的实验中包含的技能，尽可能避免在开发过程中浪费物力、人力。

2．场景设计

根据化学实验技能的培养策略将场景分为自动演示、实验说明、分步操作三个部分。自动演示用于向学生演示整个化学实验的过程以及发生的实验现象；实验说明用于向学生说明该实验的步骤和化学反应方程式；这两个部分起到教师示范的作用，对应于学生学习化学实验操作技能的认知期心理特征。分步操作部分根据化学实验的具体步骤以及该实验的实验目标再确定虚拟实验中要实现的虚拟实验操作，并赋予合适的实验效果。

3．技术实现

技术实现即用虚拟现实技术开发虚拟实验，由于虚拟现实硬件设备过于昂贵，在化学实验教学中应用的虚拟现实形式大多是桌面虚拟现实。整个开发过程主要包括实物建模、添加交互、作品发布三个步骤。实物建模主要是对虚拟实验中所涉及到的实验物品、实验环境模拟，根据实验成本以及实验目标所占比重可选择适合的虚拟技术或建模软件，也就是虚拟实验设计的适宜化原则。添加交互是在虚拟场景中给物品与物品之间及用户操作达到某种效果添加交互以给学生一定的反馈，并保证反馈的科学性。作品发布包括单机发布以及发布到互联网上两种，发布到互联网上更能突破时间、空间的束缚，使更多的人能使用该虚拟实验。

4．修改与评价

根据前三个阶段所做的工作或请教化学教师检验开发出的虚拟实验是否设计合理、科学，并做出适当修改，根据学生的基本能力（化学概念的掌握、所授化学知识是否理解）掌握程度，在学生进行实际实验操作后检验其在虚拟实验中所学是否迁移到现实实验中，以评价该虚拟实验在培养中学生实验技能方面是否有效。

从图4 中我们也可看出，这四个组成部分是缺一不可的，前期分析是进行培养实验技能的虚拟实验设计的基础，只有做了前期分析才能进行下面的工作，而场景设计又是技术实现的基础，正是基于这三个步骤才能对开发出的虚拟实验进行修改与评价，以保证其科学性和有效性。

五、总结

虚拟实验不仅能避免真实化学实验所带来的各种危险，还能打破时空限制实时实地地给学生提供实验条件，同时，还能调动学生学习的积极主动性，有效提高学生动手能力。本文结合操作技能培养教学理论，参考传统化学实验教学模式，提出虚拟实验教学模式，并提出以培养实验技能为导向的虚拟化学实验设计开发模型，在未来研究中有待进一步实践，并对实验效果与传统实验教学进行比较，以验证该设计理论的科学性并加以推广。

[1] 单美贤,李艺．虚拟实验原理与教学应用[M]．北京:教育科学出版社,2005:23－24．

[2] 瞿 ．网上虚拟实验的研究与教学[J]．开放教育研究,2004,(4):62－64．

[3] 熊言林．化学实验教学论[M]．合肥:安徽大学出版社,2004:32－34．

[4] 张靖方．虚拟技术及其在实验教学中的应用[J]．吉林工程师范学院学报(工程技术版),2004,(6):44－46．

[5] 邵瑞珍等．学与教的心理学[M]．上海:华东师范大学出版社,1990:10．

[6] 麻昌爱．中学化学实验操作技能学习策略初探[J]．中学化学教学参考,2001,(4):32－33．

[7] 乌美娜．教学设计[M]．北京:高等教育出版社,1994:11－12．