基于認(rèn)知負(fù)荷理論的化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)評(píng)析研究

盧文靜

（華東師范大學(xué) 教師教育學(xué)院，上海 200062）

一、前言

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)這一概念是由弗吉尼亞大學(xué) (University of Virginia)的William Wulf教授在1989年最早提出的?；诂F(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality technology）的虛擬實(shí)驗(yàn)室（Virtual Laboratory）是模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)形成三維的虛擬環(huán)境，學(xué)習(xí)者可以訪(fǎng)問(wèn)虛擬空間模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，伴有真實(shí)的體驗(yàn)感，具有感知性、沉浸感、交互性，是一種新型認(rèn)知學(xué)習(xí)工具，是仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)等多種技術(shù)的集合體現(xiàn)。

近年來(lái)，虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外獲得非常大的關(guān)注，從最初的2DFlash交互式的虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建，到現(xiàn)在3D的基于Java、VRML、MATLab、QuickTime VR技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建，虛擬實(shí)驗(yàn)也引起教育界的廣泛關(guān)注，這跟其自身的優(yōu)勢(shì)具有密不可分的關(guān)系。虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)如下：（1）靈活性，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，經(jīng)常由于時(shí)間和地點(diǎn)的限制，實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)展會(huì)受阻，而虛擬實(shí)驗(yàn)則不受時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可以在家或者在學(xué)校進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。（2）節(jié)約性，傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)承﹥x器和藥品昂貴，實(shí)驗(yàn)無(wú)法普及，如果要進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，需要消耗大量藥品，成本高。虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，讓學(xué)生利用電腦等資源可以進(jìn)行無(wú)限次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，減少實(shí)驗(yàn)儀器和藥品的損耗。（3）安全性，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室的安全性難以保障，特別是使用到腐蝕性、劇毒性的藥品，這些化學(xué)實(shí)驗(yàn)存在一定的安全隱患。用虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)的操作以及現(xiàn)象，可以確保師生的生命安全。（4）效率高，學(xué)生在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以加快實(shí)驗(yàn)操作的步驟與減少實(shí)際反應(yīng)所需要的時(shí)間，并且能直接利用計(jì)算機(jī)，將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，是數(shù)據(jù)變得可視化，提高學(xué)習(xí)的效率，減輕教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)在正在嘗試將虛擬實(shí)驗(yàn)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)于其教學(xué)效果，不同的研究產(chǎn)生不同的結(jié)果，具有正面的作用或者反作用。因此，要想將虛擬實(shí)驗(yàn)切實(shí)推廣于真正的教學(xué)實(shí)踐中，并且滿(mǎn)足教學(xué)要求，需要理論指導(dǎo)虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及教學(xué)過(guò)程的實(shí)施。本研究將從認(rèn)知負(fù)荷的理論角度分析虛擬實(shí)驗(yàn)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的適用性，探討認(rèn)知負(fù)荷如何影響化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)。

（二）認(rèn)知負(fù)荷理論

澳大利亞Sweller等人根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷的來(lái)源，將認(rèn)知負(fù)荷分為內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷和關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷。內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷來(lái)源于學(xué)習(xí)內(nèi)容本質(zhì)與學(xué)習(xí)者專(zhuān)業(yè)水平之間的相互作用，不能被教學(xué)設(shè)計(jì)所改變。外部認(rèn)知負(fù)荷來(lái)源于教學(xué)設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的。認(rèn)知負(fù)荷理論認(rèn)為學(xué)習(xí)過(guò)程中所經(jīng)歷的總認(rèn)知負(fù)荷是由這三種負(fù)荷類(lèi)型疊加而成的，當(dāng)學(xué)習(xí)過(guò)程中這三種類(lèi)型的認(rèn)知負(fù)荷總和超過(guò)工作記憶的限制時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)認(rèn)知超載，學(xué)習(xí)將受到抑制。

虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的手段，其設(shè)計(jì)及應(yīng)用需要考慮學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷情況。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限，無(wú)法多次重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的認(rèn)知負(fù)荷較高。虛擬實(shí)驗(yàn)的視覺(jué)媒體技術(shù)教學(xué)是解決認(rèn)知問(wèn)題的一種切實(shí)可行的方法。有研究表明，使用影片指令等視覺(jué)化的途徑的虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，其知識(shí)保留率更高，也就是說(shuō)使用視覺(jué)化的指導(dǎo)可以減少學(xué)生的外部認(rèn)知負(fù)荷，增加了對(duì)知識(shí)的理解記憶。有研究利用多媒體增強(qiáng)互動(dòng)型虛擬實(shí)驗(yàn)室（MEIVLs）進(jìn)行研究，使用虛擬實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生的學(xué)業(yè)成就普遍比未使用的要高，這是因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)融合了視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、圖像以及互動(dòng)模式，因此學(xué)生對(duì)內(nèi)容的掌握更加容易，減少了認(rèn)知負(fù)荷。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)中的認(rèn)知負(fù)荷

從認(rèn)知負(fù)荷的角度分析虛擬實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)中的認(rèn)知負(fù)荷具有兩面性，一方面虛擬實(shí)驗(yàn)通過(guò)微觀(guān)過(guò)程可視化以及將化學(xué)抽象概念用動(dòng)畫(huà)、圖片等模擬出來(lái)，讓學(xué)生更易于理解化學(xué)的微觀(guān)過(guò)程和化學(xué)概念，并通過(guò)稱(chēng)量反應(yīng)過(guò)程的數(shù)據(jù)，運(yùn)用圖表定量曲線(xiàn)表征，從而讓學(xué)生更加直觀(guān)地理解化學(xué)規(guī)律變化，降低學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知負(fù)荷；另一方面，學(xué)生對(duì)于虛擬環(huán)境和進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的電腦操作過(guò)程的不熟悉以及實(shí)驗(yàn)仿真程度不夠，例如實(shí)驗(yàn)誤差，虛擬實(shí)驗(yàn)以及真實(shí)實(shí)驗(yàn)之間的差異會(huì)引起學(xué)生的抵觸情緒，從而增加學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。

圖1 宏觀(guān)—微觀(guān)—符號(hào)表征與虛擬實(shí)驗(yàn)的交互作用

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)如何減少認(rèn)知負(fù)荷

1.通過(guò)可視化減少認(rèn)知負(fù)荷

化學(xué)學(xué)習(xí)一般都會(huì)從三重表征的層面出發(fā)，宏觀(guān)—微觀(guān)—符號(hào)，而學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，宏觀(guān)表象可以通過(guò)感官直接體驗(yàn)，而抽象的微觀(guān)層面知識(shí)以及抽象的化學(xué)概念，例如微觀(guān)粒子組成與結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)過(guò)程及相互作用、反應(yīng)機(jī)理和原子、電子、化合物和分子等概念通常無(wú)法直觀(guān)體驗(yàn)，已經(jīng)超出學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生在認(rèn)知上存在一定困難，因?yàn)樗麄儫o(wú)法將它們與適當(dāng)?shù)男睦砟Ｐ完P(guān)聯(lián)匹配。這些微觀(guān)層面的概念本質(zhì)上的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷就比較大，而在傳統(tǒng)的教學(xué)當(dāng)中難以將微觀(guān)概念清楚地解釋清楚。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，將抽象的物質(zhì)如分子、原子、晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)利用圖片、視頻、動(dòng)畫(huà)等方式將其進(jìn)行可視化操作，這減少了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。國(guó)外許多實(shí)證研究證明使用虛擬實(shí)驗(yàn)室作為一種可視化教學(xué)工具，可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)，減少認(rèn)知負(fù)擔(dān)。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通?？梢詫?duì)一個(gè)概念進(jìn)行宏觀(guān)—微觀(guān)—符號(hào)三個(gè)層面的呈現(xiàn)（見(jiàn)圖1），也可以將化學(xué)概念理解、過(guò)程可視化和模擬三個(gè)層次有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從而提高化學(xué)教學(xué)質(zhì)量。

相對(duì)于傳統(tǒng)的圖片靜態(tài)的可視化，虛擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程本身可以看做是一種動(dòng)態(tài)的可視化，可以將宏觀(guān)世界與微觀(guān)世界動(dòng)態(tài)可視化展現(xiàn)出來(lái)。如在進(jìn)行《物質(zhì)性質(zhì)及其變化》教學(xué)時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)使用動(dòng)態(tài)模型過(guò)程，將微觀(guān)層面的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程動(dòng)態(tài)化地呈現(xiàn)，同時(shí)又展現(xiàn)宏觀(guān)現(xiàn)象，再加上符號(hào)表征，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)三個(gè)層面的可視化，可以促進(jìn)學(xué)生在微觀(guān)水平上心理模型的形成。虛擬實(shí)驗(yàn)將微觀(guān)抽象物質(zhì)與過(guò)程動(dòng)態(tài)可視化地展現(xiàn)，對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行模擬，降低了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，為抽象化學(xué)知識(shí)的理解與學(xué)習(xí)，提供了一種新的教育途徑。

2.通過(guò)曲線(xiàn)表征減少認(rèn)知負(fù)荷

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常需要測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)圖表顯示其實(shí)驗(yàn)規(guī)律，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作中對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象只能做宏觀(guān)的記錄，或者簡(jiǎn)單地記錄數(shù)據(jù)，但過(guò)程比較繁瑣。應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室，其系統(tǒng)的程序設(shè)定可以記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且將其以圖表的形式表示出來(lái)，通過(guò)圖像的曲線(xiàn)表征，學(xué)生可以直觀(guān)明了地觀(guān)測(cè)某一變量隨著另一變量的變化，以及理解其中蘊(yùn)含的化學(xué)規(guī)律，從而更好地理解抽象的數(shù)據(jù)。

例如：在中學(xué)化學(xué)研究化學(xué)反應(yīng)速率，利用鎂條與鹽酸反應(yīng)時(shí)，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室從屏幕菜單中選擇HCl溶液濃度和鎂金屬帶長(zhǎng)度來(lái)控制反應(yīng)條件，并通過(guò)控制溫度計(jì)選擇反應(yīng)溫度。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中通過(guò)屏幕截圖記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象?；瘜W(xué)反應(yīng)速率受多個(gè)因素影響，例如溫度、濃度、固體的表面積等，在本實(shí)驗(yàn)中可以探究溫度、濃度、固體的表面積等影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素，通過(guò)記錄收集的氫氣體積隨時(shí)間的變化的數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄不同實(shí)驗(yàn)條件，可以定量地畫(huà)出氣體體積與溫度、濃度在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的關(guān)系圖，學(xué)生可以直觀(guān)明了地理解溫度、反應(yīng)物的濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，學(xué)生易于接受，可減少學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)具有連貫性，可以同時(shí)探究不同的實(shí)驗(yàn)條件，可以從整體層面理解與把握化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素，形成較為系統(tǒng)的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而不是零碎化的知識(shí)。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)?shí)驗(yàn)中變化的物理量與時(shí)間關(guān)系的所有點(diǎn)的集合所構(gòu)成的曲線(xiàn)進(jìn)行表征。

3.通過(guò)個(gè)性化學(xué)習(xí)減少認(rèn)知負(fù)荷

虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，可以滿(mǎn)足不同層次學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)室要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，但是由于學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰λ讲煌?，不可能所有學(xué)生都能在同一時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)并且理解實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和現(xiàn)象，這對(duì)于總認(rèn)知負(fù)荷量較少的學(xué)生來(lái)說(shuō)，很容易超出他們的認(rèn)知負(fù)荷。虛擬實(shí)驗(yàn)由于不受時(shí)間和空間的限制，如果沒(méi)有得到滿(mǎn)意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果或者沒(méi)有理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生可以重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，甚至可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制在家利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。另外，虛擬實(shí)驗(yàn)室也可以作為預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)的工具，滿(mǎn)足不同層次學(xué)生的認(rèn)知需求。

（二）虛擬實(shí)驗(yàn)如何增加認(rèn)知負(fù)荷

認(rèn)知負(fù)荷是指學(xué)習(xí)的記憶容量是有限的，所以，學(xué)習(xí)者的記憶容量最好是針對(duì)學(xué)習(xí)的內(nèi)容，而不是被無(wú)關(guān)的內(nèi)容占據(jù)。虛擬實(shí)驗(yàn)界面設(shè)計(jì)不當(dāng)，或者引入過(guò)多的無(wú)關(guān)知識(shí)，會(huì)分散學(xué)生的注意力。當(dāng)使用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，不可避免地是學(xué)生必須學(xué)會(huì)如何操縱電腦或者虛擬軟件，學(xué)習(xí)如何使用虛擬實(shí)驗(yàn)，但是這通常與實(shí)驗(yàn)無(wú)關(guān)。這些操作增加了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，如果相關(guān)知識(shí)比較難掌握，則會(huì)容易使學(xué)生產(chǎn)生挫敗感，消退學(xué)習(xí)興趣。虛擬界面信息呈現(xiàn)的數(shù)量、活動(dòng)的復(fù)雜性和繁復(fù)的實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)可能會(huì)占用學(xué)習(xí)者寶貴的工作記憶資源，影響學(xué)習(xí)效果，從而阻礙更深層次的學(xué)習(xí)。

另外，虛擬實(shí)驗(yàn)自問(wèn)世以來(lái)，技術(shù)不斷發(fā)展提高，使得虛擬實(shí)驗(yàn)從二維走向三維層。目前，大多數(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室仍然停留在基于電腦和鼠標(biāo)操作的軟件式的虛擬實(shí)驗(yàn)，并不能真正地動(dòng)手操作，缺乏真實(shí)體驗(yàn)，這是相對(duì)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)的最大的認(rèn)知障礙。國(guó)外許多研究表明，可以通過(guò)增加一些程序性的輔助認(rèn)知工具以及通過(guò)技術(shù)改進(jìn)提高仿真性來(lái)避免增加學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。主要從下面兩個(gè)方面改進(jìn)。

1.通過(guò)程序指導(dǎo)避免增加認(rèn)知負(fù)荷

虛擬實(shí)驗(yàn)的界面越簡(jiǎn)單明了，指導(dǎo)性越強(qiáng)，越能夠降低學(xué)生的注意力分散，產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷越低。所以，在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)程序系統(tǒng)時(shí)，需要考慮用戶(hù)的信息技術(shù)水平，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)便明了、易于操作的系統(tǒng)。例如，可以在虛擬環(huán)境中提供各種認(rèn)知輔助工具（諸如顏色的改變，箭頭、有關(guān)任務(wù)過(guò)程的文本信息等）以幫助用戶(hù)完成任務(wù)，這些輔助工具可以提高用戶(hù)的性能，降低用戶(hù)的認(rèn)知負(fù)荷。另外，學(xué)習(xí)者在開(kāi)始使用虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的不熟悉會(huì)增加學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，所以，在使用虛擬實(shí)驗(yàn)室之前，必須進(jìn)行相關(guān)操作的培訓(xùn)指導(dǎo)。

2.通過(guò)技術(shù)支持避免增加認(rèn)知負(fù)荷

由于真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)之間實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)感的差異造成的認(rèn)知負(fù)荷差異可以通過(guò)技術(shù)的支持來(lái)解決。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的提升，使得虛擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感在不斷提升，國(guó)外開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)室使用自然用戶(hù)界面（Natural User Interfaces、NUI）、借助Leap motion控制器和手勢(shì)識(shí)別器，在實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程中可以根據(jù)手勢(shì)以及動(dòng)作就可以完成實(shí)驗(yàn)操作，模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)手操作過(guò)程，并且研究表明使用NUI界面或者Leap motion控制器的虛擬實(shí)驗(yàn)相對(duì)于其他傳統(tǒng)軟件式的虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)效果更好，實(shí)驗(yàn)自我效能以及實(shí)驗(yàn)意愿更強(qiáng)。在國(guó)外開(kāi)發(fā)得比較成熟的中學(xué)化學(xué)Second Life（SL）虛擬實(shí)驗(yàn)室中（如圖2），學(xué)生能夠在虛擬的空間擁有自己的實(shí)驗(yàn)空間資源，通過(guò)控制他們的化身來(lái)收集數(shù)據(jù)，并且能夠支持社交行為，如同真實(shí)世界中同伴之間的相互交流，增加了同伴共同學(xué)習(xí)交流的理念。

圖2 SL虛擬實(shí)驗(yàn)室截圖

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的提高，是通過(guò)以下四個(gè)方面來(lái)增加學(xué)生使用虛擬實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)感，從而避免增加學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。（1）確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果取決于學(xué)生的行為，跳過(guò)程序步驟將改變實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。如果某一步驟出現(xiàn)小錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)不會(huì)因此停止或失敗，但學(xué)生得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)不太準(zhǔn)確。（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是通過(guò)算法確定的，但計(jì)算機(jī)代碼會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)引入小的隨機(jī)誤差（±2%）。即使重復(fù)完全相同的初始條件的實(shí)驗(yàn)也可能產(chǎn)生不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種數(shù)據(jù)結(jié)果使得數(shù)據(jù)更加接近于真實(shí)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果。（3）實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)附近的化身可以參加實(shí)驗(yàn)，所以，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中一起做實(shí)驗(yàn)就像在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室里一樣。同一實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的化身只能看到位于同一實(shí)驗(yàn)室的其他化身，并且可以用語(yǔ)音聊天或者文字功能與之通信。（4）在虛擬實(shí)驗(yàn)室學(xué)生必須以與現(xiàn)實(shí)世界實(shí)驗(yàn)室學(xué)生相同的方式觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以選擇在實(shí)驗(yàn)室講義中記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算和分析結(jié)果。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室站點(diǎn)的重置按鈕允許學(xué)生在出錯(cuò)時(shí)重新開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。技術(shù)的提高，增加了虛擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)體驗(yàn)，也減少了因虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)之間的差異而引起的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)室的未來(lái)發(fā)展與建議

（一）提升技術(shù)，增加真實(shí)感，減少認(rèn)知負(fù)荷

當(dāng)前的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)仍然需要提高，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)使得虛擬實(shí)驗(yàn)室更加契合教學(xué)要求以及學(xué)生的認(rèn)知水平，減少認(rèn)知障礙，促進(jìn)學(xué)習(xí)。

虛擬實(shí)驗(yàn)“限制了學(xué)生犯錯(cuò)誤的能力”，同時(shí)虛擬環(huán)境也限制了他們識(shí)別錯(cuò)誤來(lái)源的能力。通常，學(xué)生將錯(cuò)誤來(lái)源歸結(jié)于所使用的技術(shù)而不是實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生在現(xiàn)實(shí)世界實(shí)驗(yàn)室中執(zhí)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生一些錯(cuò)誤，可能會(huì)出現(xiàn)許多意外的結(jié)果。雖然虛擬實(shí)驗(yàn)也引入了一些隨機(jī)誤差，但是對(duì)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作可能出現(xiàn)的結(jié)果，模擬得不盡完善，這仍然需要技術(shù)的提升與完善虛擬環(huán)境的真實(shí)性，增加學(xué)生“犯錯(cuò)誤”的機(jī)會(huì)。

對(duì)于教師來(lái)說(shuō)，在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，教師無(wú)法觀(guān)測(cè)到每個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)展的情況，無(wú)法了解學(xué)生犯錯(cuò)誤的情況，未來(lái)在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室時(shí)應(yīng)考慮這些問(wèn)題，使得教師能夠監(jiān)控每個(gè)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的情況，提供更加廣泛便捷的師生互動(dòng)交流方式，以及創(chuàng)建個(gè)人實(shí)驗(yàn)行動(dòng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，教師可以查看動(dòng)作列表，找到學(xué)生錯(cuò)誤執(zhí)行的步驟。通過(guò)技術(shù)提升，完善現(xiàn)在的虛擬實(shí)驗(yàn)室中可能增加學(xué)生認(rèn)知負(fù)擔(dān)的因素，增加虛擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感。

（二）兼顧虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)

隨著現(xiàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提高以及推廣應(yīng)用，導(dǎo)致真實(shí)實(shí)驗(yàn)的作用被忽視。虛擬實(shí)驗(yàn)不能代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)，但虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)苎a(bǔ)充真實(shí)實(shí)驗(yàn)不能涉及的地方。對(duì)于如何處理真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)系，必須認(rèn)清虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)之間的主次關(guān)系，將真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，相輔相成，形成混合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。學(xué)生預(yù)習(xí)時(shí)可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和操作演練，接著再進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，以確保真實(shí)實(shí)驗(yàn)的成功性，也節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間與成本。在課后復(fù)習(xí)時(shí)，學(xué)生也可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、原理、現(xiàn)象等方面的回顧?！罢鎸?shí)”與“虛擬”實(shí)驗(yàn)的使用需要遵循一定的原則，要根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)、知識(shí)順序、實(shí)驗(yàn)的類(lèi)型、實(shí)驗(yàn)的可操作性來(lái)整合真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，也可以結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作，模擬微觀(guān)現(xiàn)象，將虛擬實(shí)驗(yàn)當(dāng)作是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助手段，真正做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。信息技術(shù)的發(fā)展，在一定程度上改變了教學(xué)觀(guān)念，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)室有著不可替代的地位，技術(shù)只能融合到現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中，成為一種輔助手段，讓真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加地科學(xué)高效，同時(shí)也可以彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的不足之處。

總的來(lái)說(shuō)，本文從認(rèn)知負(fù)荷理論出發(fā)，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的適用價(jià)值進(jìn)行探討。虛擬實(shí)驗(yàn)中的認(rèn)知負(fù)荷具有兩面性：一方面，虛擬實(shí)驗(yàn)通過(guò)過(guò)程可視化和定量曲線(xiàn)表征降低學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知負(fù)荷；另一方面，對(duì)虛擬環(huán)境的不熟悉以及實(shí)驗(yàn)仿真程度不夠會(huì)增加學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。并探討了通過(guò)技術(shù)支持和增加程序性指導(dǎo)來(lái)改善此問(wèn)題，虛擬實(shí)驗(yàn)未來(lái)的發(fā)展還需要考慮學(xué)科特點(diǎn)以及用戶(hù)特點(diǎn)。