虚拟实验融入数字教材：现状、策略与展望

谢明阳

摘要：虚拟实验作为信息技术与教学深度融合的重点方向已经展现出教學价值，但也暴露出设计适切性不足、使用限度不明等问题。将虚拟实验融入数字教材，以教科书的课程设计脉络为切入点，以虚实结合的方式开展教学活动，是科学可行的应对策略，同时应坚持虚拟实验的专精功能定位，虚实结合优化问题情境的创设，强化整体设计，实现资源与功能的优化匹配。

关键词：虚拟实验；中学化学；数字教材；数字化教学

为深入实施科教兴国战略，党的二十大报告明确提出“推进教育数字化”“加快建设高质量教育体系”的指导方针。2022年11月，教育部联合五部委发布《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》，将在中小学校、高等教育、职业学校建设一批虚拟现实课堂、教研室、实验室与虚拟仿真实训基地，推进“虚拟仿真实验教学2.0”，继续推动教学模式向自主体验升级，旨在打造支持自主探究、协作学习的沉浸式新课堂。

早在2019年，教育部就已出台《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，倡导在教学中注重传统实验教学与新兴科技的有机融合，利用虚拟现实技术呈现因危险性、破坏性或不便观察、控制而无法进行的实验，提高实验教学的质量和效果。在基础教育教学中合理应用虚拟实验，一直是自然科学类学科数字化资源研发的重要方向。将虚拟实验融入数字教材，既有助于探索如何利用虚拟实验助力常态化教学，又便于以虚拟实验为抓手强化数字教材对教学的支撑，切实推进教育数字化，提升教材资源质量。

一、现状

（一）关于虚拟实验

虚拟实验通常指利用计算机系统模拟构建的仿真实验。实验者通过与各类终端交互进行观察或操作，完成模拟真实情境中的预定实验项目，以取得等值或优于真实环境中的学习和训练效果。

虚拟实验的研究与应用在近十年取得了长足发展。在国家政策的引导下，虚拟实验已广泛应用于大学及职业教育领域以支持大型仪器原理及操作的教学，解决危险实验难以操作等问题。国家虚拟仿真实验教学课程共享平台已建成3400余个实验中心，提供一万多期虚拟实验课程。在基础教育领域，我国常见的虚拟实验包括并不限于NOBOOK等实验交互平台、基于3D仪器建模的仿真实验平台、由Flash或Html5制作的实验交互探究动画、基于虚拟现实（VR）技术的仿真实验室等。

（二）教学价值

随着实际应用的展开，虚拟实验教学有效性的研究也逐步丰富。在大学阶段，对于流程较多、依赖操作的大实验，虚拟实验对于预习有很好的支撑作用，能够减少实际实验过程中出错、混乱、预习效果不理想、实验安全风险等问题。在无法动手操作精密仪器或大型化工设备的情况下，学生通过交互模拟的方式进行演练，也能有效提升学习效果。对于中学阶段的相关课程，教师合理利用虚拟实验能够有针对性地有效辅助实验教学，提升学生的参与感和自我效能，从而提高教学质量和效果。

（三）现存问题

虽然虚拟实验介入中学化学领域已经近十年，但其在教学中的使用普及率仍然不高，与成为常态化的教学辅助手段有较大差距。相关研究指出当前虚拟实验应用中存在诸多问题，笔者结合产品研发及教学实践中的经验，归纳为以下几个方面。

1. 设计适切性不足

中学实验经过多年的教学研磨和改进，大多是方便教师快速演示、易于学生上手操作的短实验，具备简洁、快速、直观等特点。同时，实验教学目的本身还包含对实际现象的观察及实验操作的感性认知。这从根本上决定了单纯对实验环境或过程进行模拟的虚拟实验很难在中学阶段发挥作用。

2. 适用限度不明

技术介入教学的双面影响一直是教育信息化发展中备受关注的问题。虚拟实验作为新兴、复杂的教学资源，其研发确实存在重技术实现而轻教学意义的问题。实际应用中，也存在虚拟实验被当作噱头，教学实现过度重视技术使用而忽视教学本身的情况，甚至不少虚拟实验变成“应试教育”替代实际实验的习题讲解工具。

3. 使用方式欠佳

虚拟实验作为一种辅助教学资源，其合理使用离不开教师的精心引导。部分教师尚未具备合理利用数字化教学资源进行知识构建的认知和能力，课堂上学生探究交互时也存在教师缺位问题。使用方式欠佳影响虚拟实验的价值实现，很多情况下虚拟实验只能作为知识传递的浅层工具。

4. 获取难度较大

当前市面上具备规模的虚拟实验多是商业公司研发的软件平台，实际教学中使用起来存在收费高、通用性差、课堂硬件及技术保障难等问题。虽然示范课上也能见到教师使用虚拟实验作为亮点点缀，但多是教师与研发公司各取所需打磨的个例，或限时试用，难以在日常教学中普及。

二、策略

将虚拟实验融入数字教材，一方面可以利用数字教材平台的通用性化解技术保障及教育公平性问题，另一方面也能利用教科书的教学属性改进虚拟实验类资源在当前技术形态下存在的诸多问题。如何将虚拟实验融入数字教材，可以采取以下三项策略。

（一）重视教学属性，以教科书脉络确定切入点，为教学目标服务

教科书呈现了最常见的课堂教学实施路径，数字教材是围绕教科书教学脉络构建的基础资源平台。以教科书的课程设计脉络为切入点开展教学，可让虚拟实验更好地融入教学并实现其使用价值。数字教材对虚拟实验进行适度改造，对虚拟实验的内容进行规范及优化，使得虚拟实验与教材活动更为贴合。例如，为了便于九年级学生学习氧气的实验室制法，数字教材在习题中引导学生利用仪器进行实验探究，在单元复习中针对氧气的实验室制法引入NOBOOK虚拟实验。数字教材依据纸质教材设计的环节选择匹配的实验仪器及试剂，在学生学习完制取氧气后，为他们提供对知识进行迁移运用的数字化探究情境，帮助他们建立化学观念。同时，针对处于化学启蒙阶段的学生自主规划实验、探究能力有限的特点，数字教材依据纸质教材脉络，在虚拟实验中补充提供实验目的信息及实验活动任务支架，使学生的学习活动得以顺利进行。

（二）强化工具属性，提供培养实验探究思路与方法的数字化环境

《义务教育化学课程标准（2022年版）》加强了对于“化学实验探究的思路与方法”的要求，强调学生在化学实验探究中不仅要关注实验内容本身而且要逐步形成探究的思路与方法。在中学化学教学中，受课时、实验条件、安全风险等因素影响，部分学生实验探究条件有限，难以充分施展。即使学校能支持学生完成必做实验，落实“化学实验探究的思路与方法”的目标仍有较大难度。虚拟实验具备自主探究和人机交互的特性，可以作为数字化环境下的工具模拟实验流程，支撑探究过程的演绎，辅助探究活动的开展。

在引入虚拟实验时，数字教材弱化了其知识讲解、现象展现等附加作用，重点利用其设计实验装置、模拟研究探究过程的工具功能。以“不同价态含硫物质的转化”教学为例，数字教材先设置自研交互动画辅助梳理含硫物质价态转化方案，再利用NOBOOK虚拟实验这一具现化工具让学生实现设计方案，引导他们按纸质教材的指引逐步尝试并确定探究实验的方案及流程（如图1），化被动输入为主动输出，避免“照方抓药”，降低本单元后续必做实验的实施难度。合理设计虚拟实验工具有助于学生建立化学观念，全面提升科学思维能力和探究能力。

（三）探索虚实结合、线上线下融通的教学模式

教育技术的使用限度是虚拟实验融入教学时需要格外注意的问题。虚拟实验不能替代也不应替代真实动手实验的观念已逐步形成共识。教师需要精心设计教学任务，以问题为导向构建虚实结合的教学活动；同时，要注意在构建以学生为主体的探究活动时的教师缺位问题，谨防过度虚拟化和形式化使实验活动失去原本的育人价值。教师如何把握技术应用的尺度，下面以“氯气的实验室制法”教学为例介绍具体的教学策略（如图2）。

教师在教学中利用数字教材教学平台进行教学，整合使用情境视频、虚拟实验、实验视频等教学资源，以及师生终端切屏演示、习题统计等平台功能，以虚实结合、线上线下融通的方式合理使用虚拟实验，高效开展了“氯气的实验室制法”的教学活动。教师分步骤让学生在各自终端上利用虚拟实验设计制取氯气的气体发生、气体收集及尾气处理装置，在学生依据已有信息自主尝试后，提问并切屏展示学生的设计结果，引导学生描述设计思路并进行改进，增添除杂装置。借助虚拟实验，学生自主设计及完善实验流程之后再动手进行氯气实验室制取的实验。由于加深了对实验室中制取气体装置设计的理解和对实验过程的熟悉，学生的实验井然有序，全部小组都迅速、成功地完成了氯气的制取、收集及验证工作，并在以氨气制取为情境的问题中成功对气体制取模型进行应用迁徙。

三、展望

隨着信息技术与教学深度融合进程的加速，虚拟实验会得到更加广泛的应用，对虚拟实验的优化也将提出更迫切的要求。经过几年的研究探索，笔者结合在数字教材中研发应用虚拟实验的经验，对虚拟实验的后续研发提出以下建议。

（一）扬长避短，持续专精优势功能

目前，虚拟实验的操作性和现象的真实程度都远不能与真实实验相比，一味追求仿真性和操作性未必是当前技术环境下的最优解。应合理利用虚拟实验的形态特征，找准赛道扬长避短，发挥虚拟实验的优势（如图3）。例如，虚拟实验有助于在数字化环境下为实验设计提供支撑，可考虑在此基础上研发专项设计工具，解决实验设计与模拟验证杂糅在一起影响探究流程的问题。又如，研究证实，虚拟实验对于陈述性知识的教学效果不如程序性知识，并在针对问题解决进行设计探究的过程中能对学生学习产生积极影响。这也证实了对于虚拟实验当前不宜过度地将重点放到对真实现象的模拟上，而应当持续对实验流程的模拟操作进行优化，使其更为易用、好用。针对不同类型的教学主题，虚拟实验可针对教学目标做好专精的交互设计。例如对于复杂长流程的学生活动可针对实验过程提供记录及反馈，提高学生对于实验操作要点学习效果；而对于如原电池、化学平衡等涉及微观原理难点的教学内容，可考虑增加与操作联动的微观视角的切换演示，帮助学生攻克思维上的难点。

（二）打破桎梏，创设虚实结合的问题情境

虚拟实验能在大学阶段得到应用，其原因之一是大学实验通常涉及与实际生活关联的大型精密仪器或是复杂工业流程。虽然中学实验通常经过简化设计，但是对于虚拟实验的使用不必局限于课堂演示实验本身。中学阶段的虚拟实验也可用于情境创设或情境模拟，例如参考高校虚拟实验创设简化的自来水厂净化、高炉炼铁、车载电池、工业合成氨等情境，为知识的应用与迁移提供支撑。虽然操作环境为假，但是数据采集的过程为真，学生的探究与思考为真。应用虚拟实验模拟解决真实问题的情境，可以激发学生探究与实践的乐趣，促进科学态度与责任的涵育。

（三）强化整体设计，统筹资源配置与平台功能

虚拟实验与中学教学深度融合需要做好整体设计，而非单独关注虚拟实验类资源自身。这种整体设计涉及教学流程的完整性、资源素材的整体配合以及技术功能对内容的整体支撑。传统的实验探究流程会在信息技术手段的作用下重构，如利用延时及微距摄影创设真实情境引出问题、利用虚拟实验环境辅助实验设计的呈现、利用数据图表呈现实验结论表达、提高数据处理效率等。虚拟实验的后续研发也要顺应这种趋势，从辅助原有探究教学单一环节的实现，转向灵活支撑技术赋能下学生的探究活动。

注：本文系国家新闻出版署出版融合发展（人教社）重点实验室、人民教育出版社人教数字教育研究院2021年重点课题“信息化教学环境下基于虚拟实验的化学学科工具对学生科学探究能力提升的研究”（课题编号：RJA0121011）的研究成果。

参考文献

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（作者系人教数字出版有限公司高级编辑）

责任编辑：祝元志