基于5G网络环境下高中化学虚拟实验教学的思考

常永侠 韦 宏 马家伍

（亳州市第三完全中学，安徽 亳州236800）

1 问题的提出

化学从课标到教材突出了化学学科的实验特征，更好地发挥化学实验的教育功能，强调化学实验对全面提高学生的化学学科素养的重要作用[1]。为了改变高中化学实验教学的现状，优化化学实验教学的效果，虚拟实验室应运而生[2-5]。

我国的教育专家和一线教师针对虚拟实验做了丰富的科学研究和实践，目前我国对虚拟实验的开发应用已经到了迅速发展阶段。浙江大学的虚拟化学实验室，是基于Web的虚拟实验，以VRML为基础构筑虚拟实验环境，并利用Java技术来实现虚拟实验场景的人机交互。众多公司适时推出的虚拟实验软件也丰富了应用范围，Chemist虚拟化学实验室，是一款手机化学实验模拟助手应用，软件可以让用户在手机上真实模拟体验做化学实验，绝对安全还可以一键生成实验报告。NOBOOK虚拟化学实验也是一款为中学教师打造的化学实验操作与演示的工具，目前笔者就利用该虚拟化学实验室软件进行化学实验教学活动。

2 4 G网络环境下利用虚拟实验室进行化学实验教学及评价

虚拟实验室是一种基于Web技术、VR虚拟现实技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。在虚拟实验室中，学生既可以在虚拟实验台上动手操作，又可自主设计实验，可进行超越传统实物的实验，使微观实验、危险性实验、高成本实验等成为可能。有利于培养学生的操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。笔者通过在4G网络下使用虚拟实验进行化学教学实践中发现，利用虚拟实验可以完成高中化学实验的教学，使学生掌握相关化学知识，可以帮助学生建构完整的知识体系，使学生形成化学学科素养。与真实实验相比，虚拟实验节约实验资源，对人体和自然环境无害，体现化学实验的绿色化思想。通过生动的虚拟实验情景还可以让学生熟悉在化学实验中不当操作或者药品选择不恰当导致的后果，并分析问题想办法解决问题，避免实际操作时造成不必要的伤害。在新型冠状病毒肺炎疫情期间，笔者利用虚拟实验完成了实验教学，诠释了虚拟实验的跨区域的灵活性。所以，使用虚拟实验有利于学生逻辑思维的形成，多个性质实验的组合更有利于学生思维的发散，实验资源方便使用。

但由于4G网速的限制，许多复杂的教学资源因无法及时传输而难以实现实时交互，教与学的体验均不佳[6]。同时目前虚拟实验教学资源总体水平不高、教学设备成本高、管理维护烦琐、教学时空受限及学生参与程度低并且不同专业的教学设备存在着重复或者无法融合应用，导致教学设备的利用率不高。利用虚拟实验进行化学教学的过程中，学生缺少一种嗅觉、触觉等感官体验。比如学生不能闻到虚拟实验制取的氯气的气味，这在一定程度上会降低学生完成的积极性。而且4G网络下的互动软件教师与学生之间、学生与学生之间的互动性较弱，不利于彼此之间的协同作业或实验。

3 5 G网络环境下高中化学虚拟实验教学的思考

党的“十九大”是教育信息化1.0转向教育信息化2.0的分水岭，目前正处于教育信息化2.0时代的初级阶段，5G的到来，将加速教育信息化2.0的进程[7]。很多5G关联技术都在影响并提高着人们生活的质量，同时也影响着课堂的教学模式，特别是虚拟现实技术（VR及AR）在5G网络下的逐步普及和完善，使沉浸式课堂教学得以实现，5G的多项特征与化学虚拟实验教学结合后会带来哪些机遇与挑战呢？

5G具有超高数据速率、大规模连接、低时延、高可靠性等特征，与虚拟实验结合后将能提供超高清、低时延、大容量的实验视频、教学资源的传输，例如，可实现实验现象细节化，局部的小变化都能察觉，消除目前视频的模糊感，实时传输教师的教学素材等，这些变化需要教师引导学生学会观察，学会利用资源，发展学生的自我探究学习的能力。5G就像动车组可以快捷的速度到达目的地，教师要做的就是让学生能合理规划乘车时间，安排好行程，接收大容量知识的输入与学习。

互动性是实验教学的魅力之一，不管是教与学的互动，实验药品、器材与使用者的互动也是真实实验教学中的乐趣。互动性与人们的感知不能分离，5G网络下基于虚拟现实技术化学实验教学可以实现学生的感官（视觉、听觉、触觉）的互动，3D虚拟现实、环绕立体声、触觉传感器及温度传感器等使用，使学生具有较全面的感知体验，并能产生真实的机体互动，在实验过程中，抽象的内容可触摸，可以畅游原子核，在电子轨道上奔驰；原电池的得失电子历历在目，钠遇水后也可雷电交加等。有这些强互动、真感知的体验定会增加学习的趣味性和参与度，当然这些体验的创作需要发挥师生的想象及技术人员的努力。

5G网络可让学生有身临其境的感觉，化学的发展是一个个实验做出来的，化学史讲解是培养学生化学学习兴趣的很好方式，通过5G网络，将一个个化学家的事迹以VR形势完美呈现，让学生穿越历史长河、沉浸式地体验化学学科的发展与坎坷，相信比一遍遍讲述更能激发学生兴趣，记牢知识，理解科学的真谛。有了5G网络的优势可以让整个教学环境迅速多时空转换，还原真实的历史。这样的教学环境需要教师具备较高的综合素质及融合性思维，学科的发展是多方面的、交叉的，同时对学生的学习要求也是融合性的、交叉的。化学实验不仅仅是化学也可以有物理、生物、历史、地理，等等学科的融合，5G时代让实验教学充满灵性与历史的厚重感。

今年的网课教学，全国上下体验了跨地域教育，同时也暴露了4G时代的不足，相信5G普及后，网络可以随时进行教与学，不受地域的阻碍开展线上的合作实验，问答讨论，海量的教学资源就在咫尺，为不同学生的自我学习提供更加便捷舒服的学习环境，有利于激发学生学习兴趣与潜能，提供了有力的技术支撑[7]。

5G引发的化学虚拟实验教学变革将是全方位的，教师、学生、学习资源、学习环境等教育场景要素的变革，将对教师的教育理念、教学方式产生颠覆性变化；对学习的内容和学习方式也会有重大转变，“无限”“随时”“高速”是无与伦比的新体验，探究性学习、深度学习、精准化学习将会成为发展新方向。

4 结语

5G技术的应用，无疑是虚拟教学强大助推器，为5G万物互联时代的学生布置了场景化、探究性与互动性的学习乐园，营造舒适的环境，为合作学习、创客学习、探究学习等的开展提供空间，能够充分发挥学生的主动性，激发好奇心与乐趣，为培养学生发现、分析和解决问题、团队协作、创新意识等能力提供了新的教学支持，以上是笔者结合目前经历的化学虚拟实验教学现状及5G的特点做出的思考。时代的进步，技术的迭代升级总会产生意想不到的变革，未来不可预知，不论是商业还是教育，共同见证身边时时刻刻的变化，然而不变的是教与学的初心和探索未来的热情，有了这些，相信在5G全面普及之时，定能够轻松驾驭该技术，迎接机遇与挑战。