虚拟现实技术在中学化学 实验教学中的应用
班级：化学1001班 姓名：代有来
学号：2010254030107虚拟现实技术在中学化学实验教学中的应用
摘要：化学式自然科学的重要组成部分，着重研究物质的组成、结构和性质的关系，以及物质转化的规律和调控手段。化学课程可以帮助学生从化学的视角去认识科学技术和社会生活方面的问题，在基础教育阶段，化学课程的教学呈现出“通过实验学化学”的发展趋势，将实验贯穿整个化学课程实施。目前，中学化学课程中探究性试验占有重要地位，是学生积极主动的获取化学知识、认识和解决化学问题的重要实践活动，也是构建化学基础知识和提高学生素质的需要。随着信息技术的发展和课程整合成果的不断涌现，将虚拟实验系统引入中学课程教学，成为教育工作者关注的热点。在化学学科教学过程中合理运用虚拟现实技术，将虚拟实验室与化学学科实验课程有机整合，根据虚拟实验室特有的优势，应用虚拟实验室进行探究性试验教学。
关键词：虚拟现实；实验教学；探究实验 正文：
一、中学化学实验的分类
化学是一门比较成熟的基础自然科学，实验是化学事实的重要组成部分，也是化学 基本理论和观点的重要支撑点，化学科学领域的任何一项重大突破，无一例外地都要经 过化学实验这一环节，化学实验是化学科学赖以形成和发展的基础，因此，化学实验也 是化学教学的重要内容。
中学化学实验是根据培养目标和教学任务，遵循学生认知规律，体现化学学科发展
特点而精选的基础实验，其内容丰富，形式多样。为了研究方便，按照不同的分类维度， 对中学化学实验有不同的分类方法。
按照实验的主体不同，可将实验划分为：演示实验、学生实验、实验习题、家庭小 实验；按照实验内容分类，可分为：化学基本操作实验、元素化合物性质和制备实验、阐明化学概念和基础理论的实验、化学反应应用于化工生产中的实验、解释日常现象或 解答化学问题的实验、趣味实验；按照实验中质与量的关系分类可分为定性实验和定量 实验。
以上分类标准是按照不同的研究目的、不同的研究方法等对化学实验进行的不同维 度分类，在这里我们按照建构主义思想，从学生的认识出发，按照实验在认识过程中的 作用分类，将中学化学实验分为：验证型实验、探究型实验、模拟型实验和对照型实验。 验证型实验：验证型实验是为检验化学理论、验证化学假设、提供实验事实而进行 的一种实验。验证实验是科学的研究方法和科学的研究态度的重要组成部分，在化学研 究中没有被验证的理论、假说或者事实都被认为是不确定的。在化学课程的教学过程中， 验证型实验通常用来验证或证实所学的化学知识。这种类型的实验在中学化学中如：碘 升华实验、完全燃烧和不完全燃烧等。
探究型实验：探究，是指围绕问题展开的活动，是逐步分析和解决问题的过程。探 究学习是指运用探究的方式进行的学习活动和过程，亦即学生在教师的指导下，主动发 现问题，以一种类似科学研究的方法对问题进行分析和研究，从而达到问题解决和知识 获得的过程与活动¨。通过以上对于探究学习的研究可知，探究型实验是指围绕某一化 学研究对象，在观察和总结研究实验现象和实验数据的基础上，归纳总结出结论的一种 学习模式。探究型实验以实验作为基础，启发引导学生独立的探索知识，是学生了解知 识的产生和发现过程，让学生通过自身的努力，通过积极的思维活动，概括得出有关的 结论，并进行科学探究过程和探究方法的系统训练。新的化学课程标准中指出“化学实 验是进行科学探究的主要方式，教师应改变传统的实验教学，精心设计各种探究型实验， 促使学生主动的学习，逐步学会探究”通过这种教学方式，既激发学生学习兴趣，使学 生掌握实验技能，又能够改变学生传统的学习方式，是学生主动学习、自主探究，逐步 形成科学探究的能力。我们这里将详细探讨探究型实验在中学化学实验中的应用。 模拟型实验：由于受到实验条件限制、安全性制约、常规环境下反应现象不明显等 因素的约束，通常教师借助模拟的方法，选定替代物对实验进行模拟。这种实验在中学 化学实验中如实验室里用模拟接触法制硫酸等。
对照型实验：这种实验通过对比或对照来研究物质的某种属性的一种实验。这种实 验要设计两个或两个以上的对比组实验，一个作为标准组；另一个为实验组，通过对比 实验对比、对照判定实验组是否有相同或类似的性质。
二、虚拟环境下的教学模式选择
教学模式这一概念最早是由美国学提出，它是指在一定的教育思想、教育理念指导 下，结合大量的教学经验，将教学四要素有机的组织起来，形成相对稳定的教学活动框 架。也就是在相应的教育思想、教育理论、学习理论的指导下，结合一线教师的实践经 验，将教师、学生、教学媒体、教学内容有效组织起来。教学设计的过程模式可以作为 学校和委托教学培训机构的沟通手段，还可以作为管理教学系统设计活动的指南，以及 作为整个教学设计过程的依据。
为了更好的分析中学化学的教学情况，从而总结归纳出实践性好并且符合学生认知 规律的中学化学实验课程的教学模式及教学设计过程，我观察并分析了2007年、2008 年和2009年全国中学信息技术与课程整合优质课大赛(化学部分)的视频、音频、幻 灯片及说课稿等资源，其中涉及来自全国12个省市的45名中学教师，从中总结出信息 技术支持下探究型教学模式的教学设计过程和学生探究学习流程。首先对教师教学模式 的选择和教学的支撑环境情况进行分析
多数教师在教学过程中采用探究型的教学，其中在分析
的45节获奖课程中，有27节应用的探究型教学模式。义务教育阶段，化学课程中的探 究型实验教学，是一种重要的学习方式，也是义务教育阶段化学课程的重要内容，对发 展学生的科学素养、化学基础知识和技能的培养具有不可替代的作用。多数一线教师已 经意识到信息技术在教学过程中的重要作用，大多采用多媒体环境下的教学，少数教师 结合网络平台开展探究教学活动。
与探究活动的一般过程相同，中学化学的探究型教学过程仍然在教师和学生两个方 面研究教学过程。所不同的是，中学化学的探究过程首先是教师的教学准备阶段，这一 阶段无学生参与，教学准备阶段由教学分析阶段、探究准备阶段和设置并说明问题阶段 组成。教学分析阶段又包括学习者特征分析、学习任务分析、解决问题可行性分析、三 维教学目标分析阶段等；探究准备阶段是教师为学生的学习过程提供必要的前提，包括 先行组织者的准备、探究平台准备、探究工具准备等；学生的探究学习是在教师预先设 定的范围内开展探究活动，在学生探究活动开始前，教师要设置探究问题，并对探究主 题作简要说明。
进入教学过程阶段，这一阶段分为教师活动和学生活动两个方面进行，这两个方面 是同一教学过程下的两个方面，而不是分开的教学过程。教学过程方面，教师在探究活 动开始前对学生学习进行启发、引导。教师在整个教学过程中引导、监控整个学习过程， 并适时的组织讨论，并对实验现象作出解释，最后教师对整个虚拟探究过程进行总结， 对探究活动进行总体说明，讲虚拟实验回归真实实验，促进学生知识的拓展和迁移，促 使学生能力的提高。
学生方面，由于是在虚拟环境下开展的学习活动，首先进行虚拟仪器的使用练习和 对于先行组织者的学习，然后是整个探究学习过程，在学习过程结束后与同伴交流，并 反思探究过程，最后进行自我评价和教师评价，对学习结果升华。
我们将在此教学模式的指导下，运用相关教学设计思想，从教师和学生两个方面设 计探究过程：
三、虚拟环境下学与教的教学系统化设计过程
在这种教学模式下，对于教学过程的系统化设计也与传统的教学设计流程有较大的 差异。在建构主义思想和新课程理念及素质教育思想的指导下，我们根据我国一线教师 的教学经验，并结合“主导一主体”的教学设计思想，以“学教并重’’理念为指导设 计出适合虚拟环境下中学化学探究型实验教学的教学系统化设计流程。
对教学过程进行分析可以反映出中学化学实验课程教学的基本情况，最终目的是要 得出出在初中化学教学中教学设计过程和学生自主探究流程。由此我们选择了观察法、数据统计法、内容分析等方法对优质课大赛资源进行分析。根据教学过程中探究活动的 开展情况，再结合科学的教学理论和新课程及素质教育理念，归纳出适合于探究型实验 教学的教学模式和教学设计流程。我们分别在教学分析阶段、教学目标分析、教学准备、教学指导、平台利用、评价反思等几个方面进行了分析。
对于信息技术与课程整合大赛中的资源进行分析，我们得出，在教师方面探究过程 基本包含以下基本环节：学习者分析、教学内容分析、学习目标分析、学习指导、教学 媒体设计、数字化学习资源的利用、教学评价和教学反思等。对以上问题的对研究虚拟 环境下中学化学课程探究实验的过程和步骤提供了良好的依据。
通过教师教学过程表的分析，可以看出一线教师在教学过程中，着重对学习者分析、教学内容分析、学习目标分析、学习指导、教学媒体设计、和教学反思等；多数教师在 教学过程中涉及数字化学习资源的利用、教学评价；较少教师在教学过程中使用先行组 织者策略；几乎没有教师对解决问题的可行性分析进行分析。然而在实际的教学中先行 组织者策略和解决问题的可行性分析是教学过程中的重要内容，尤其是在虚拟环境下的 探究实验中，这两方面显得格外重要。
其中，先行组织者策略是能促进有意义学习的发生和保持的最有效策略，是利用适 当的引导性材料传递当前所学的新内容加以定向与引导。这些引导性材料通常和新知识 间存在着包容性、概括性、和抽象性上的联系，便于新旧知识间建立联系，从而促进新 知识的学习。这种策略尤其适合探究型学习，在学生进行探究学习前，将先行组织者呈 现给学生，便于学生探究学习的进行。
解决问题的可行性分析，在处理教学中遇到的问题时，分析造成这种问题的原因是 什么，这种问题是什么性质的，运用虚拟环境下的探究实验以及教学系统化设计是否能 解决这一问题，这一步骤在教学过程中是极为重要的一步。然而，通过分析我们得知， 在实际的教学中，教师很少考虑这一问题，造成了人力及资源的浪费。
对于虚拟环境下的探究型教学实验，与以往的教学方式有很大差异，教师在整个实 验过程中起到引导和辅助学生学习的作用，由此，教学设计环节也较传统的教学设计有 很大差异，下面我们从教师角度探讨一下虚拟环境下中学化学实验课程的教学设计流 程：
整个教学设计环节分为三个阶段进行，其中包括教学分析阶段、教学目标确定阶段、准备阶段、指导阶段和探究型实验的总结性评价阶段。
教学分析阶段包括学习者分析、学习任务分析和解决问题的可行性分析。
学习者分析：教学的最终目的是为了有效促进学生的学习，学生的原有认知结构和 认知风格对学习的结果起到至关重要的作用，对教学设计起到重要作用的心理因素进行 分析，为后续的教学系统设计步骤提供依据。
学习任务分析：探究型教学是以学习任务为基础的，教师在探究活动开始前对学习任务进行分析，找出其中的重难点及学生难以解决的问题，在探究活动开始前向学生说 明。 探究问题的可行性分析：了解并掌握学生已有的知识同本次探究活动的相关性以及 学生对以往知识的掌握情况，判断学生探究活动的可行性。
教学目标分析阶段，新课程标准下，将学习过程的目标分为三个维度：知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观目标。教学无论是探究型的实验教学还是其他形式的教 学，其目标都是促使学习者朝着目标所规定的方向发生变化，在教学的系统化设计中， 教学目标是否明确、规范、具体，直接影响到学习活动能否沿着正确的方向进行，它是 纵贯整个学习、探究活动的整个过程的一种指导思想，是对教学活动的一种原则性规定。 准备阶段：是教师对于学生探究活动的准备，其中包括准备并提供给学生探究新知 识的先行组织者、实验平台的提供、探究工具的提供。尽管这一过程是在虚拟环境下完 成，但这些步骤仍必不可少，尤其是虚拟环境下探究平台的准备和探究工具的提供，是 学生在虚拟环境中进行探究的必要前提。
提供先行组织者：先行组织者是利用适当的引导性材料对当前所学的新内容加以引 导，这类引导性材料与当前所学新内容之间存在包容性、概括性和抽象性符合同化理论 的要求。
探究平台的准备：在虚拟实验室中完成探究实验，实验平台是完成探究过程的必要 前提。虚拟实验同实物的操作实验相同，需要教师做大量的准备工作，包括实验虚拟实 验平台的使用和调试等。
探究工具的准备：探究工具包括相关资料的搜索工具，实验记录工具、数据处理工 具以及实验过程的协作交流工具等。这些工具在虚拟环境的探究实验中显得尤为重要， 也是探究过程必不可少的条件之一。
指导阶段：这一阶段是学生实施探究活动的过程，也就是课堂教学过程。在这一阶 段教师的教学功能已经转变为指导、辅助功能，教师在这个过程中回答学生的疑问，对 所有同学都遇到的共性问题做及时的纠正。真正做到“以学生为中心"的教学，所有虚 拟资源和非虚拟资源都是为了支持学生的“学”，而非教师的“教”，教学的中心已经从 教师向学生转变。逐渐形成以教师为“主导”，学生为“主体”的新型教学结构，以适 应新型教学环境，实现信息技术与学科教学的深层次整合，实验教育改革的跨越式发展， 最终实现培养创新型人才的目标。
探究的成果评价：对于探究学习过程的评价要基于三维教学目标，从多个角度出发， 尤其是实验课程的探究过程，涉及到各种实验过程、步骤的规范性、探究过程的态度、协作交流情况等涉及到所有探究过程的环节。对于课堂教学的评价通常是总结性评价， 总结学生探究过程的不足。将学生学习过程中的表现即时的反馈给学生，供学生修正自 己的探究模式，便于学生更好地进行以后的学习。
教师是整个探究活动的指导者和促进者，涉及到给学习者指定方向，通过各种手段 提升学习者的兴趣；为学生解释任务和对实验资源的基本操作做出解释；对整个探究过 程作基本的描述，使学生不至于漫无边际的探究，为学生提供完成探究所需的所有策略、步骤等；最终在同学问完成评价后，教师对整个探究过程做最后的总结性评价。 学生是整个探究式学习活动的主体，一切问题的出发点和归宿都是促进学生学习， 学生的探究学习过程可参照科学探究的一般过程：发现或提出问题、提出猜想和假设、制定研究计划与设计实验、进行实验搜索证据和分析数据得出结论。与一般的探究活动 所不同的是，学生的所有探究活动都是在教师的指导和监控下进行的；学生的探究活动 不同于科学探究，其目的在于通过探究活动获取知识，学习过程要在教师设定的总体目 标下进行，进行探究活动前，学生要仔细阅读教师对探究活动的总体要求；鉴于学生探 究活动的学习目的，在完成探究活动后要进行小组或组间的交流协作，教师对整个探究 活动给予评价反馈，最终实现学生学习目标的实现。 总体说明：学生在教师的指导下进行探究活动，根据三维教学目标，并且结合多数 学生的认知特点和思维习惯，分析学习任务，给学生探究实验指定方向，通过各种手段 提升学习者的兴趣。并向学生提供先行组织者，使学生掌握与新的知识相关或相近的知 识；对实验的目标作概括性的描述，必要时要向学生说明该实验的注意事项，把实验的 难度控制在合理的范围内，既激发了学生探究知识的兴趣，又不至于是学生由于无法完 成实验而产生挫折感。
猜想与假设：学生根据已掌握的知识和技能，对新问题提出假设。这一过程中可以 和同伴或教师交流，以优化自己的假设，为自己下一步设计实验奠定基础。
设计实验：根据上一步自己的假设，设计自己实验步骤和过程，其中包括仪器的连 接、药品的选取等。
实验过程：这一步是进行实验的过程，学生独立或者小组跟组设计的实验步骤实施 实验方案。在虚拟环境下的实验，可以充分满足学生的探索欲望，适当扩大学生药品的 使用范围和仪器数量，在实验过程中学生要认知观察实验现象。
收集数据：实验过程中不断的对实验现象和实验数据进行记录，这一过程培养学生 对待科学的态度，绝不错过任何一个实验现象，也绝不漏掉任何一个实验数据，为之后 的实验分析打下良好的基础，进一步培养自己科学探究的能力。
验证假设并解释结论：通过对收集到的数据和实验现象的认真分析，得出自己的结 论，并回头验证自己的假设。这是一个反复的过程，学生可以根据得到的数据修正自己 的实验过程重新设计自己的实验。同时，这一阶段完成后可以和同伴交流，并且形成最 终的汇报，将最终的结果反馈给教师，作为教师评定探究过程的一项依据。
反思与评价：整个实验过程结束，学生对自己的实验过程反思，总结自己在探究过 程中的得失同时进行自身评价、小组间的评价和教师的总结性评价。
表达与交流；这一环节是总结与提高的过程，同学间通过不同的假设与步骤，通过 不同的途径，探究完成了实验任务。通过表达与交流可以取长补短，为以后的实验学习和科学研究奠定良好的基础。
形成性评价：这一过程由教师完成，教师在观察分析整个实验组的探究过程后，对 实验进行相对性评价，总结学生探究过程的不足。将学生学习过程中的表现即时的反馈 给学生，供学生修证自己的探究模式。
在实际的探究学习过程中，并不是所有的探究虚席活动都完全遵照以上探究过程， 进行探究实验的目的主要是使学生模仿科学家在进行科学探究过程中的过程，完成教学 目标，学习科学探究的各种技能，提高学生的科学探索素养。在整个探究过程中，学生 的探究活动表现为：学生是整个探究活动的主体；利用虚拟环境为学生提供尽可能多的 探究条件和实践探究思想的机会；充分发挥学生探究活动的主观能动性。
