現(xiàn)代教育技術(shù)在實驗空間環(huán)境設(shè)計中的應(yīng)用研究

張文增

摘 要 運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬實驗的全部過程，將它變成一套實驗的模擬，在進行實驗時只要應(yīng)用傳統(tǒng)實驗方法，設(shè)置實驗參數(shù)，就能在虛擬化的實驗環(huán)境中得到實驗結(jié)果。虛擬實驗教學(xué)是現(xiàn)代教育技術(shù)在實驗教學(xué)中的呈現(xiàn)，如果理科教師合理應(yīng)用虛擬實驗，可以為學(xué)生提供一個更為優(yōu)化的實驗教學(xué)空間環(huán)境。

關(guān)鍵詞 現(xiàn)代教育技術(shù)；虛擬實驗；傳統(tǒng)實驗；Stellarium

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）03-0024-03

1 引言

當前理科實驗分為傳統(tǒng)實驗與虛擬實驗兩種。傳統(tǒng)實驗存在一些弊端，如某些實驗對環(huán)境要求高、時間長，部分實驗參數(shù)不可控，操作失誤易造成器材損壞甚至危害人身安全、污染環(huán)境等。虛擬實驗是一種把傳統(tǒng)實驗的全部過程遷移到虛擬環(huán)境中，應(yīng)用虛擬環(huán)境呈現(xiàn)結(jié)果的實驗方式。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗應(yīng)用多元化的輸入、豐富的聲光效果、即時的互動回應(yīng)技術(shù)，創(chuàng)造一個接近于實體的空間，這一空間能讓人有身臨其境的感覺?，F(xiàn)代化的虛擬實驗可以優(yōu)化實驗空間環(huán)境，突破傳統(tǒng)實驗的限制。

虛擬實驗教學(xué)是對實驗教學(xué)的虛擬，是虛擬實驗在教學(xué)中的應(yīng)用。教師可以應(yīng)用虛擬實驗優(yōu)化實驗空間環(huán)境，增強實驗教學(xué)效果。當前虛擬實驗技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在教育領(lǐng)域中，科學(xué)技術(shù)人員開發(fā)出大量的虛擬實驗軟件，如Stellarium、NOBOOK、Flash、ChemLab等。

2 應(yīng)用虛擬空間呈現(xiàn)實驗情境

傳統(tǒng)的物理實驗對實驗空間有諸多要求，如果實驗環(huán)境不能達到需求，則或者不能進行實驗，或者實驗的數(shù)據(jù)難以被監(jiān)測。如以高中物理教師引導(dǎo)學(xué)生理解斜拋運動實驗為例，在傳統(tǒng)實驗環(huán)境中，學(xué)生很難開展斜拋運動實驗；在虛擬環(huán)境下，教師可以引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用虛擬實驗軟件的方法做實驗。在教師應(yīng)用虛擬實驗軟件引導(dǎo)學(xué)生做虛擬實驗時，學(xué)生可以調(diào)試發(fā)射的力度、斜拋的角度，通過調(diào)整實驗的因素來觀察實驗的結(jié)果，在反復(fù)實驗中找到影響實驗的因素。

虛擬技術(shù)，可以呈現(xiàn)出接近于真實世界的技術(shù)，人們和那個世界是互動的關(guān)系。即人們?nèi)绻谔摂M世界中做一個動作，虛擬世界就能回饋一個和真實世界一樣的結(jié)果。

虛擬實驗技術(shù)包含有數(shù)據(jù)傳感技術(shù)、自動化控制技術(shù)、交互技術(shù)、多媒體技術(shù)等，它是信息技術(shù)高度發(fā)展的呈現(xiàn)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和課程整合成果的不斷涌現(xiàn)，虛擬實驗對理科實驗產(chǎn)生越來越大的影響，虛擬實驗技術(shù)也越來越成熟、越來越真實，在真實空間不適合做實驗的時候，教師可以為學(xué)生開辟一個虛擬實驗空間，在傳統(tǒng)實驗環(huán)境下不能進行的實驗在虛擬環(huán)境下都能進行，為學(xué)生開展理科實驗帶來很多便利。

3 應(yīng)用虛擬空間優(yōu)化實驗情境

應(yīng)用虛擬實驗突破實驗空間限制 部分教師會認為，虛擬實驗就是假的實驗，假的實驗又如何能跟真實的實驗相比？在真實實驗中，學(xué)生能夠?qū)崒嵲谠诘刈鰧嶒?，觀察實驗變化，獲得實驗數(shù)據(jù)，雖然獲得實驗數(shù)據(jù)的過程可能非常艱難，甚至不精確，然而實驗的數(shù)據(jù)不是假的。虛擬實驗就是假的事物，學(xué)生如何能通過虛擬的實驗數(shù)據(jù)獲得科學(xué)知識？

為了說明虛擬實驗可突破空間的限制，且具有科學(xué)性，現(xiàn)應(yīng)用虛擬軟件Stellarium來說明。這款軟件可以真實地 模擬星空運行的情況，即它可虛擬出星空中所有行星及衛(wèi)星的運動。以應(yīng)用這款虛擬實驗軟軟件研究行星與行星間的引力及公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)的原理為例，它允許學(xué)生定義地球自轉(zhuǎn)的所有參數(shù)；允許學(xué)生自設(shè)一個人造衛(wèi)星，設(shè)定人造衛(wèi)星的所有參數(shù)；允許學(xué)生在發(fā)射人造衛(wèi)星以前設(shè)定初始自轉(zhuǎn)速度與公轉(zhuǎn)速度；允許學(xué)生設(shè)定初始的高度。當學(xué)生設(shè)定完所有的實驗參數(shù)據(jù)，按“發(fā)射”軟件，人造衛(wèi)星便按設(shè)定的參數(shù)發(fā)射出去，開始圍繞地球進行公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)。學(xué)生可以設(shè)定天體運行圖的比例、公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的時間比例。

虛擬軟件不是“假”的數(shù)據(jù)，是科學(xué)家在科學(xué)分析事物的基礎(chǔ)上模擬真實實驗情況，在獲得科學(xué)實驗?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上編寫的實驗軟件。虛擬實驗軟件給出的數(shù)據(jù)與真實的實驗數(shù)據(jù)極其相近。就像這一款虛擬應(yīng)用軟件，它的數(shù)據(jù)變化與天文臺監(jiān)測的天文數(shù)據(jù)極其相近。因為虛擬軟件具有真實性與科學(xué)性，虛擬軟件只是把實體軟件的實驗內(nèi)容轉(zhuǎn)移到虛擬的空間中，讓學(xué)生可以在虛擬的環(huán)境中做實驗，所以教師不必擔(dān)心虛擬軟件會給出虛假實驗的場景，更不必擔(dān)心會誤導(dǎo)學(xué)生。教師在教學(xué)中可以應(yīng)用虛擬軟件引導(dǎo)學(xué)生做實驗，突破空間限制，讓學(xué)生可以用做探索實驗的方法學(xué)習(xí)理科知識。

應(yīng)用虛擬實驗突破實驗時間限制 在傳統(tǒng)的實驗中，時間因素是不可控制的。部分實驗的因素時間變化速度太快，學(xué)生來不及計時；部分實驗的因素時間較難掌握，這就給學(xué)生探究實驗帶來不少障礙。虛擬實驗允許學(xué)生自動設(shè)定時間，能為學(xué)生記錄所有實驗數(shù)據(jù)，允許學(xué)生應(yīng)用回放的方式重新觀察時間。當學(xué)生能夠突破實驗時間的限制時，就能夠科學(xué)地分析因素與因素之間的關(guān)系。

以教師應(yīng)用虛擬軟件（如NOBOOK）學(xué)習(xí)“孟德爾的豌豆雜交實驗”為例，如果依照傳統(tǒng)的實驗方法，學(xué)生必須去種豌豆，了解豌豆雜交的成果；在虛擬實驗環(huán)境下，學(xué)生只需要選擇需要雜交的品種，就能迅速獲得實驗的結(jié)果。學(xué)生既可以選擇光滑的豌豆與皺皮豌豆雜交，也可以選擇紅色果蠅和白色果蠅雜交。只要是在軟件允許的范圍內(nèi)，學(xué)生都可以完成雜交實驗。虛擬軟件的雜交是在瞬間完成的，軟件運算雜交的結(jié)果只需要一兩秒鐘。學(xué)生可以根據(jù)需求重置以上所有參數(shù)，反復(fù)觀察實驗數(shù)據(jù)。

從這一則實驗的結(jié)果可以看到，學(xué)生可以把所有的時間因素控制在手中，可以加快或放慢實驗的時間，可根據(jù)需求重置實驗，可控制幾乎所有的實驗時間因素。

在傳統(tǒng)實驗中，學(xué)生因為受到時間因素的限制，出現(xiàn)種種實驗問題，如果不能克服時間因素的限制，就不能精確地觀察時間。虛擬實驗把時間控制的權(quán)力交到學(xué)生手中，學(xué)生可以加快、放慢實驗的時間，從而能更精確地觀察實驗的過程。虛擬軟件幫助學(xué)生突破了時間因素的限制，讓學(xué)生可以更從容地觀察理科實驗。

應(yīng)用虛擬實驗突破實驗因素限制 虛擬實驗軟件的特點是可以讓學(xué)生自由選擇所有實驗的因素，幫助學(xué)生記錄所有的實驗因素數(shù)據(jù)，記錄所有實驗生成結(jié)果的數(shù)據(jù)。因為虛擬實驗軟件實時記錄數(shù)據(jù)的能力很強，所以學(xué)生能排除一切不利于實驗的因素。

人教版《化學(xué)》（選修四）中“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”是高中化學(xué)的重要章節(jié)，高考會考的必考知識點。影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素有反應(yīng)物的濃度、氣體壓強、溫度、催化劑等。如何深入理解，鞏固知識，提高學(xué)習(xí)效率，是教師必須認真思考的問題。課堂講解、習(xí)題練習(xí)是常用方法，但是如果教師能為學(xué)生提供實驗操作，讓學(xué)生親自動手實驗感知“影響因素”，更勝于千題百練。

在教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)“濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響”，有一實驗：

2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4===K2SO4+2MnSO4+10CO2↑+8H2O

思考如何用不同濃度的草酸（H2C2O4）溶液參與該反應(yīng)，了解反應(yīng)物的濃度對實驗反應(yīng)速度的影響。

結(jié)合學(xué)習(xí)需求及虛擬軟件（如NOBOOK或ChemLab）的功能，學(xué)生在虛擬軟件中找到實驗道具，即試管+試管架、量筒等實驗用品。學(xué)生需要在實驗中設(shè)置實驗對象的形態(tài)、容量、濃度，針對某些因素進行實驗，了解因素的變化對實驗結(jié)果的影響；了解實驗的原理、目的、步驟，如實驗不能滿足研究的需求，需通過探討優(yōu)化實驗設(shè)計。

在“壓強對化學(xué)反應(yīng)速率的影響”的教學(xué)中有一經(jīng)典實驗反應(yīng)：N2+3H2===2NH3。在傳統(tǒng)的化學(xué)實驗環(huán)境中可能很難完成該實驗，但在虛擬實驗環(huán)境中，學(xué)生可以精確地控制反應(yīng)物的濃度、氣體壓強、溫度、催化劑等條件，改變實驗因素觀察實驗結(jié)果的變化。虛擬實驗的實驗控制結(jié)果是精確的，學(xué)生只要完成實驗設(shè)計，在虛擬環(huán)境中操作實驗過程，就能快速得到實驗結(jié)果；當學(xué)生需要反復(fù)進行同一個實驗，只需要調(diào)整其中某項實驗因素參數(shù)時，只要手動更改這一個因素參數(shù)，不需再反復(fù)地做實驗，就能得到實驗的結(jié)果。因為虛擬實驗可以精確地控制每一個實驗因素變量，所以能幫助學(xué)生節(jié)省大量的實驗操作，學(xué)生能把更多的時間用在分析數(shù)據(jù)、優(yōu)化實驗方案上。

傳統(tǒng)的實驗中，學(xué)生哪怕只需要更改一個實驗因素，就需要反復(fù)做實驗，在做實驗的過程中需要非常謹慎地控制實驗流程，避免因操作不嚴謹，導(dǎo)致實驗失敗而必須重復(fù)實驗的問題。在虛擬實驗環(huán)境中，學(xué)生可以復(fù)制自己的實驗流程，根據(jù)實驗需要只更改一些實驗因素參數(shù)，就能迅速得到實驗結(jié)果。虛擬實驗突破了實驗因素參素控制帶來的實驗障礙，提高了實驗效率，加大了實驗教學(xué)的容量，強化了學(xué)生對知識的理解與掌握。

4 應(yīng)用虛擬空間保證實驗安全

實驗探究是學(xué)生學(xué)習(xí)理科知識的重要途徑。在理科學(xué)習(xí)中，學(xué)生都需要通過觀察實驗→獲得數(shù)據(jù)→分析比較數(shù)據(jù)→觀察事物內(nèi)在的規(guī)律→得到結(jié)論驗證猜想。通過實驗，學(xué)生能自主地學(xué)到知識，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)。學(xué)生的實驗技能決定實驗的質(zhì)量，這些實驗技能有些是從書中得到的，有些是在實踐中得到的。

在傳統(tǒng)理科實驗中，教師出于種種因素的限制，有可能不愿意讓學(xué)生深入地開展實驗。比如：學(xué)生在開展傳統(tǒng)實驗時，可能會打破玻璃儀器，操作不當可能會損壞器材，造成實驗失敗，也可能會造成事故，甚至學(xué)生會故意破壞實驗儀器。教學(xué)器材有限，為了避免器材損失，有時教師會考慮少做實驗，改為講解實驗或是課堂演示實驗，避免實驗過程中人為事故的發(fā)生，保證學(xué)生在實驗教學(xué)中的人身安全。

有些實驗是具有高危性的，學(xué)生一旦操作失誤，可能會帶來嚴重后果。以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)“濃硫酸稀釋的操作方法”為例，如果教師直接告訴學(xué)生稀釋濃硫酸的方法只能是把濃硫酸沿著杯壁緩緩倒入水中，而不能把水直接倒入濃硫酸中，部分學(xué)生沒有真正理解，一旦實驗操作失誤，不僅他們可能會受到傷害，周圍的學(xué)生也可能會受到傷害。

在虛擬實驗環(huán)境中，實驗失敗了也不會有嚴重的后果，如教師可以引導(dǎo)學(xué)生用虛擬實驗軟件（如Flash）來了解將水直接倒入濃硫酸中造成的后果。通過虛擬實驗，學(xué)生會看到將水直接倒入濃硫酸中，濃硫酸四濺傷人的后果，直觀的多媒體動畫會給他們留下深刻的印象，知道絕不能把水直接倒入濃硫酸中。教師可引導(dǎo)學(xué)生思考：假設(shè)把濃硫酸緩緩倒入水中呢？或把濃硫酸迅速倒入水中呢？學(xué)生通過虛擬實驗可了解錯誤實驗方法帶來的后果，并思考以上實驗后果出現(xiàn)的原理。

教師可以應(yīng)用安全的虛擬實驗空間環(huán)境引導(dǎo)學(xué)生多做虛擬實驗，多思考理論知識，讓虛擬實驗成為培養(yǎng)學(xué)生實驗技能的重要利器。當具備了實驗技能以后，學(xué)生便能根據(jù)學(xué)習(xí)的需求自如地選擇做虛擬實驗或?qū)嶓w實驗，完成學(xué)習(xí)研究任務(wù)。

5 總結(jié)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)為實驗教學(xué)開辟了一個新的空間，在這個空間里，教師可以突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)的限制，彌補目前實驗教學(xué)的不足，優(yōu)化實驗教學(xué)氛圍。教師在開展實驗教學(xué)時，要針對教學(xué)的目的，仔細分析如何發(fā)揮虛擬實驗教學(xué)的優(yōu)勢，讓學(xué)生能夠更加高效地通過實驗來吸收知識、鞏固知識、提高學(xué)習(xí)效率。筆者相信，只要教師合理地應(yīng)用虛擬實驗這種現(xiàn)代教育技術(shù)，一定能優(yōu)化實驗教學(xué)的空間環(huán)境，提高實驗教學(xué)的效率。

參考文獻

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