虛擬實(shí)驗(yàn)融入數(shù)字教材：現(xiàn)狀、策略與展望

謝明陽(yáng)

摘要：虛擬實(shí)驗(yàn)作為信息技術(shù)與教學(xué)深度融合的重點(diǎn)方向已經(jīng)展現(xiàn)出教學(xué)價(jià)值，但也暴露出設(shè)計(jì)適切性不足、使用限度不明等問(wèn)題。將虛擬實(shí)驗(yàn)融入數(shù)字教材，以教科書的課程設(shè)計(jì)脈絡(luò)為切入點(diǎn)，以虛實(shí)結(jié)合的方式開展教學(xué)活動(dòng)，是科學(xué)可行的應(yīng)對(duì)策略，同時(shí)應(yīng)堅(jiān)持虛擬實(shí)驗(yàn)的專精功能定位，虛實(shí)結(jié)合優(yōu)化問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，強(qiáng)化整體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)資源與功能的優(yōu)化匹配。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)；中學(xué)化學(xué)；數(shù)字教材；數(shù)字化教學(xué)

為深入實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略，黨的二十大報(bào)告明確提出“推進(jìn)教育數(shù)字化”“加快建設(shè)高質(zhì)量教育體系”的指導(dǎo)方針。2022年11月，教育部聯(lián)合五部委發(fā)布《虛擬現(xiàn)實(shí)與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022—2026年）》，將在中小學(xué)校、高等教育、職業(yè)學(xué)校建設(shè)一批虛擬現(xiàn)實(shí)課堂、教研室、實(shí)驗(yàn)室與虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地，推進(jìn)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)2.0”，繼續(xù)推動(dòng)教學(xué)模式向自主體驗(yàn)升級(jí)，旨在打造支持自主探究、協(xié)作學(xué)習(xí)的沉浸式新課堂。

早在2019年，教育部就已出臺(tái)《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》，倡導(dǎo)在教學(xué)中注重傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與新興科技的有機(jī)融合，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)呈現(xiàn)因危險(xiǎn)性、破壞性或不便觀察、控制而無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果。在基礎(chǔ)教育教學(xué)中合理應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)，一直是自然科學(xué)類學(xué)科數(shù)字化資源研發(fā)的重要方向。將虛擬實(shí)驗(yàn)融入數(shù)字教材，既有助于探索如何利用虛擬實(shí)驗(yàn)助力常態(tài)化教學(xué)，又便于以虛擬實(shí)驗(yàn)為抓手強(qiáng)化數(shù)字教材對(duì)教學(xué)的支撐，切實(shí)推進(jìn)教育數(shù)字化，提升教材資源質(zhì)量。

一、現(xiàn)狀

（一）關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)通常指利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬構(gòu)建的仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)者通過(guò)與各類終端交互進(jìn)行觀察或操作，完成模擬真實(shí)情境中的預(yù)定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以取得等值或優(yōu)于真實(shí)環(huán)境中的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練效果。

虛擬實(shí)驗(yàn)的研究與應(yīng)用在近十年取得了長(zhǎng)足發(fā)展。在國(guó)家政策的引導(dǎo)下，虛擬實(shí)驗(yàn)已廣泛應(yīng)用于大學(xué)及職業(yè)教育領(lǐng)域以支持大型儀器原理及操作的教學(xué)，解決危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)難以操作等問(wèn)題。國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)已建成3400余個(gè)實(shí)驗(yàn)中心，提供一萬(wàn)多期虛擬實(shí)驗(yàn)課程。在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，我國(guó)常見的虛擬實(shí)驗(yàn)包括并不限于NOBOOK等實(shí)驗(yàn)交互平臺(tái)、基于3D儀器建模的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、由Flash或Html5制作的實(shí)驗(yàn)交互探究動(dòng)畫、基于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)室等。

（二）教學(xué)價(jià)值

隨著實(shí)際應(yīng)用的展開，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性的研究也逐步豐富。在大學(xué)階段，對(duì)于流程較多、依賴操作的大實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)于預(yù)習(xí)有很好的支撐作用，能夠減少實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出錯(cuò)、混亂、預(yù)習(xí)效果不理想、實(shí)驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。在無(wú)法動(dòng)手操作精密儀器或大型化工設(shè)備的情況下，學(xué)生通過(guò)交互模擬的方式進(jìn)行演練，也能有效提升學(xué)習(xí)效果。對(duì)于中學(xué)階段的相關(guān)課程，教師合理利用虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴嗅槍?duì)性地有效輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升學(xué)生的參與感和自我效能，從而提高教學(xué)質(zhì)量和效果。

（三）現(xiàn)存問(wèn)題

雖然虛擬實(shí)驗(yàn)介入中學(xué)化學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)近十年，但其在教學(xué)中的使用普及率仍然不高，與成為常態(tài)化的教學(xué)輔助手段有較大差距。相關(guān)研究指出當(dāng)前虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中存在諸多問(wèn)題，筆者結(jié)合產(chǎn)品研發(fā)及教學(xué)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)，歸納為以下幾個(gè)方面。

1. 設(shè)計(jì)適切性不足

中學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)研磨和改進(jìn)，大多是方便教師快速演示、易于學(xué)生上手操作的短實(shí)驗(yàn)，具備簡(jiǎn)潔、快速、直觀等特點(diǎn)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的本身還包含對(duì)實(shí)際現(xiàn)象的觀察及實(shí)驗(yàn)操作的感性認(rèn)知。這從根本上決定了單純對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境或過(guò)程進(jìn)行模擬的虛擬實(shí)驗(yàn)很難在中學(xué)階段發(fā)揮作用。

2. 適用限度不明

技術(shù)介入教學(xué)的雙面影響一直是教育信息化發(fā)展中備受關(guān)注的問(wèn)題。虛擬實(shí)驗(yàn)作為新興、復(fù)雜的教學(xué)資源，其研發(fā)確實(shí)存在重技術(shù)實(shí)現(xiàn)而輕教學(xué)意義的問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用中，也存在虛擬實(shí)驗(yàn)被當(dāng)作噱頭，教學(xué)實(shí)現(xiàn)過(guò)度重視技術(shù)使用而忽視教學(xué)本身的情況，甚至不少虛擬實(shí)驗(yàn)變成“應(yīng)試教育”替代實(shí)際實(shí)驗(yàn)的習(xí)題講解工具。

3. 使用方式欠佳

虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種輔助教學(xué)資源，其合理使用離不開教師的精心引導(dǎo)。部分教師尚未具備合理利用數(shù)字化教學(xué)資源進(jìn)行知識(shí)構(gòu)建的認(rèn)知和能力，課堂上學(xué)生探究交互時(shí)也存在教師缺位問(wèn)題。使用方式欠佳影響虛擬實(shí)驗(yàn)的價(jià)值實(shí)現(xiàn)，很多情況下虛擬實(shí)驗(yàn)只能作為知識(shí)傳遞的淺層工具。

4. 獲取難度較大

當(dāng)前市面上具備規(guī)模的虛擬實(shí)驗(yàn)多是商業(yè)公司研發(fā)的軟件平臺(tái)，實(shí)際教學(xué)中使用起來(lái)存在收費(fèi)高、通用性差、課堂硬件及技術(shù)保障難等問(wèn)題。雖然示范課上也能見到教師使用虛擬實(shí)驗(yàn)作為亮點(diǎn)點(diǎn)綴，但多是教師與研發(fā)公司各取所需打磨的個(gè)例，或限時(shí)試用，難以在日常教學(xué)中普及。

二、策略

將虛擬實(shí)驗(yàn)融入數(shù)字教材，一方面可以利用數(shù)字教材平臺(tái)的通用性化解技術(shù)保障及教育公平性問(wèn)題，另一方面也能利用教科書的教學(xué)屬性改進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)類資源在當(dāng)前技術(shù)形態(tài)下存在的諸多問(wèn)題。如何將虛擬實(shí)驗(yàn)融入數(shù)字教材，可以采取以下三項(xiàng)策略。

（一）重視教學(xué)屬性，以教科書脈絡(luò)確定切入點(diǎn)，為教學(xué)目標(biāo)服務(wù)

教科書呈現(xiàn)了最常見的課堂教學(xué)實(shí)施路徑，數(shù)字教材是圍繞教科書教學(xué)脈絡(luò)構(gòu)建的基礎(chǔ)資源平臺(tái)。以教科書的課程設(shè)計(jì)脈絡(luò)為切入點(diǎn)開展教學(xué)，可讓虛擬實(shí)驗(yàn)更好地融入教學(xué)并實(shí)現(xiàn)其使用價(jià)值。數(shù)字教材對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適度改造，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行規(guī)范及優(yōu)化，使得虛擬實(shí)驗(yàn)與教材活動(dòng)更為貼合。例如，為了便于九年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)氧氣的實(shí)驗(yàn)室制法，數(shù)字教材在習(xí)題中引導(dǎo)學(xué)生利用儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，在單元復(fù)習(xí)中針對(duì)氧氣的實(shí)驗(yàn)室制法引入NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)。數(shù)字教材依據(jù)紙質(zhì)教材設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)選擇匹配的實(shí)驗(yàn)儀器及試劑，在學(xué)生學(xué)習(xí)完制取氧氣后，為他們提供對(duì)知識(shí)進(jìn)行遷移運(yùn)用的數(shù)字化探究情境，幫助他們建立化學(xué)觀念。同時(shí)，針對(duì)處于化學(xué)啟蒙階段的學(xué)生自主規(guī)劃實(shí)驗(yàn)、探究能力有限的特點(diǎn)，數(shù)字教材依據(jù)紙質(zhì)教材脈絡(luò)，在虛擬實(shí)驗(yàn)中補(bǔ)充提供實(shí)驗(yàn)?zāi)康男畔⒓皩?shí)驗(yàn)活動(dòng)任務(wù)支架，使學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)得以順利進(jìn)行。

（二）強(qiáng)化工具屬性，提供培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)探究思路與方法的數(shù)字化環(huán)境

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》加強(qiáng)了對(duì)于“化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的思路與方法”的要求，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中不僅要關(guān)注實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本身而且要逐步形成探究的思路與方法。在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，受課時(shí)、實(shí)驗(yàn)條件、安全風(fēng)險(xiǎn)等因素影響，部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究條件有限，難以充分施展。即使學(xué)校能支持學(xué)生完成必做實(shí)驗(yàn)，落實(shí)“化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的思路與方法”的目標(biāo)仍有較大難度。虛擬實(shí)驗(yàn)具備自主探究和人機(jī)交互的特性，可以作為數(shù)字化環(huán)境下的工具模擬實(shí)驗(yàn)流程，支撐探究過(guò)程的演繹，輔助探究活動(dòng)的開展。

在引入虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，數(shù)字教材弱化了其知識(shí)講解、現(xiàn)象展現(xiàn)等附加作用，重點(diǎn)利用其設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置、模擬研究探究過(guò)程的工具功能。以“不同價(jià)態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”教學(xué)為例，數(shù)字教材先設(shè)置自研交互動(dòng)畫輔助梳理含硫物質(zhì)價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化方案，再利用NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)這一具現(xiàn)化工具讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，引導(dǎo)他們按紙質(zhì)教材的指引逐步嘗試并確定探究實(shí)驗(yàn)的方案及流程（如圖1），化被動(dòng)輸入為主動(dòng)輸出，避免“照方抓藥”，降低本單元后續(xù)必做實(shí)驗(yàn)的實(shí)施難度。合理設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)工具有助于學(xué)生建立化學(xué)觀念，全面提升科學(xué)思維能力和探究能力。

（三）探索虛實(shí)結(jié)合、線上線下融通的教學(xué)模式

教育技術(shù)的使用限度是虛擬實(shí)驗(yàn)融入教學(xué)時(shí)需要格外注意的問(wèn)題。虛擬實(shí)驗(yàn)不能替代也不應(yīng)替代真實(shí)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的觀念已逐步形成共識(shí)。教師需要精心設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù)，以問(wèn)題為導(dǎo)向構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)活動(dòng)；同時(shí)，要注意在構(gòu)建以學(xué)生為主體的探究活動(dòng)時(shí)的教師缺位問(wèn)題，謹(jǐn)防過(guò)度虛擬化和形式化使實(shí)驗(yàn)活動(dòng)失去原本的育人價(jià)值。教師如何把握技術(shù)應(yīng)用的尺度，下面以“氯氣的實(shí)驗(yàn)室制法”教學(xué)為例介紹具體的教學(xué)策略（如圖2）。

教師在教學(xué)中利用數(shù)字教材教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)，整合使用情境視頻、虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)視頻等教學(xué)資源，以及師生終端切屏演示、習(xí)題統(tǒng)計(jì)等平臺(tái)功能，以虛實(shí)結(jié)合、線上線下融通的方式合理使用虛擬實(shí)驗(yàn)，高效開展了“氯氣的實(shí)驗(yàn)室制法”的教學(xué)活動(dòng)。教師分步驟讓學(xué)生在各自終端上利用虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制取氯氣的氣體發(fā)生、氣體收集及尾氣處理裝置，在學(xué)生依據(jù)已有信息自主嘗試后，提問(wèn)并切屏展示學(xué)生的設(shè)計(jì)結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生描述設(shè)計(jì)思路并進(jìn)行改進(jìn)，增添除雜裝置。借助虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自主設(shè)計(jì)及完善實(shí)驗(yàn)流程之后再動(dòng)手進(jìn)行氯氣實(shí)驗(yàn)室制取的實(shí)驗(yàn)。由于加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)室中制取氣體裝置設(shè)計(jì)的理解和對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的熟悉，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)井然有序，全部小組都迅速、成功地完成了氯氣的制取、收集及驗(yàn)證工作，并在以氨氣制取為情境的問(wèn)題中成功對(duì)氣體制取模型進(jìn)行應(yīng)用遷徙。

三、展望

隨著信息技術(shù)與教學(xué)深度融合進(jìn)程的加速，虛擬實(shí)驗(yàn)會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化也將提出更迫切的要求。經(jīng)過(guò)幾年的研究探索，筆者結(jié)合在數(shù)字教材中研發(fā)應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的后續(xù)研發(fā)提出以下建議。

（一）揚(yáng)長(zhǎng)避短，持續(xù)專精優(yōu)勢(shì)功能

目前，虛擬實(shí)驗(yàn)的操作性和現(xiàn)象的真實(shí)程度都遠(yuǎn)不能與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比，一味追求仿真性和操作性未必是當(dāng)前技術(shù)環(huán)境下的最優(yōu)解。應(yīng)合理利用虛擬實(shí)驗(yàn)的形態(tài)特征，找準(zhǔn)賽道揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)（如圖3）。例如，虛擬實(shí)驗(yàn)有助于在數(shù)字化環(huán)境下為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供支撐，可考慮在此基礎(chǔ)上研發(fā)專項(xiàng)設(shè)計(jì)工具，解決實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與模擬驗(yàn)證雜糅在一起影響探究流程的問(wèn)題。又如，研究證實(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)于陳述性知識(shí)的教學(xué)效果不如程序性知識(shí)，并在針對(duì)問(wèn)題解決進(jìn)行設(shè)計(jì)探究的過(guò)程中能對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極影響。這也證實(shí)了對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)當(dāng)前不宜過(guò)度地將重點(diǎn)放到對(duì)真實(shí)現(xiàn)象的模擬上，而應(yīng)當(dāng)持續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)流程的模擬操作進(jìn)行優(yōu)化，使其更為易用、好用。針對(duì)不同類型的教學(xué)主題，虛擬實(shí)驗(yàn)可針對(duì)教學(xué)目標(biāo)做好專精的交互設(shè)計(jì)。例如對(duì)于復(fù)雜長(zhǎng)流程的學(xué)生活動(dòng)可針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程提供記錄及反饋，提高學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)學(xué)習(xí)效果；而對(duì)于如原電池、化學(xué)平衡等涉及微觀原理難點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容，可考慮增加與操作聯(lián)動(dòng)的微觀視角的切換演示，幫助學(xué)生攻克思維上的難點(diǎn)。

（二）打破桎梏，創(chuàng)設(shè)虛實(shí)結(jié)合的問(wèn)題情境

虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)茉诖髮W(xué)階段得到應(yīng)用，其原因之一是大學(xué)實(shí)驗(yàn)通常涉及與實(shí)際生活關(guān)聯(lián)的大型精密儀器或是復(fù)雜工業(yè)流程。雖然中學(xué)實(shí)驗(yàn)通常經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，但是對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)的使用不必局限于課堂演示實(shí)驗(yàn)本身。中學(xué)階段的虛擬實(shí)驗(yàn)也可用于情境創(chuàng)設(shè)或情境模擬，例如參考高校虛擬實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)簡(jiǎn)化的自來(lái)水廠凈化、高爐煉鐵、車載電池、工業(yè)合成氨等情境，為知識(shí)的應(yīng)用與遷移提供支撐。雖然操作環(huán)境為假，但是數(shù)據(jù)采集的過(guò)程為真，學(xué)生的探究與思考為真。應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M解決真實(shí)問(wèn)題的情境，可以激發(fā)學(xué)生探究與實(shí)踐的樂(lè)趣，促進(jìn)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的涵育。

（三）強(qiáng)化整體設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌資源配置與平臺(tái)功能

虛擬實(shí)驗(yàn)與中學(xué)教學(xué)深度融合需要做好整體設(shè)計(jì)，而非單獨(dú)關(guān)注虛擬實(shí)驗(yàn)類資源自身。這種整體設(shè)計(jì)涉及教學(xué)流程的完整性、資源素材的整體配合以及技術(shù)功能對(duì)內(nèi)容的整體支撐。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)探究流程會(huì)在信息技術(shù)手段的作用下重構(gòu)，如利用延時(shí)及微距攝影創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境引出問(wèn)題、利用虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境輔助實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的呈現(xiàn)、利用數(shù)據(jù)圖表呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)論表達(dá)、提高數(shù)據(jù)處理效率等。虛擬實(shí)驗(yàn)的后續(xù)研發(fā)也要順應(yīng)這種趨勢(shì)，從輔助原有探究教學(xué)單一環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向靈活支撐技術(shù)賦能下學(xué)生的探究活動(dòng)。

注：本文系國(guó)家新聞出版署出版融合發(fā)展（人教社）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人民教育出版社人教數(shù)字教育研究院2021年重點(diǎn)課題“信息化教學(xué)環(huán)境下基于虛擬實(shí)驗(yàn)的化學(xué)學(xué)科工具對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力提升的研究”（課題編號(hào)：RJA0121011）的研究成果。

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（作者系人教數(shù)字出版有限公司高級(jí)編輯）

責(zé)任編輯：祝元志