基于5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下高中化學(xué)虛擬實驗教學(xué)的思考

常永俠 韋 宏 馬家伍

（亳州市第三完全中學(xué)，安徽 亳州236800）

1 問題的提出

化學(xué)從課標(biāo)到教材突出了化學(xué)學(xué)科的實驗特征，更好地發(fā)揮化學(xué)實驗的教育功能，強調(diào)化學(xué)實驗對全面提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的重要作用[1]。為了改變高中化學(xué)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，優(yōu)化化學(xué)實驗教學(xué)的效果，虛擬實驗室應(yīng)運而生[2-5]。

我國的教育專家和一線教師針對虛擬實驗做了豐富的科學(xué)研究和實踐，目前我國對虛擬實驗的開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)到了迅速發(fā)展階段。浙江大學(xué)的虛擬化學(xué)實驗室，是基于Web的虛擬實驗，以VRML為基礎(chǔ)構(gòu)筑虛擬實驗環(huán)境，并利用Java技術(shù)來實現(xiàn)虛擬實驗場景的人機交互。眾多公司適時推出的虛擬實驗軟件也豐富了應(yīng)用范圍，Chemist虛擬化學(xué)實驗室，是一款手機化學(xué)實驗?zāi)M助手應(yīng)用，軟件可以讓用戶在手機上真實模擬體驗做化學(xué)實驗，絕對安全還可以一鍵生成實驗報告。NOBOOK虛擬化學(xué)實驗也是一款為中學(xué)教師打造的化學(xué)實驗操作與演示的工具，目前筆者就利用該虛擬化學(xué)實驗室軟件進行化學(xué)實驗教學(xué)活動。

2 4 G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下利用虛擬實驗室進行化學(xué)實驗教學(xué)及評價

虛擬實驗室是一種基于Web技術(shù)、VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學(xué)實驗室的數(shù)字化和虛擬化。在虛擬實驗室中，學(xué)生既可以在虛擬實驗臺上動手操作，又可自主設(shè)計實驗，可進行超越傳統(tǒng)實物的實驗，使微觀實驗、危險性實驗、高成本實驗等成為可能。有利于培養(yǎng)學(xué)生的操作能力、分析診斷能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新意識。筆者通過在4G網(wǎng)絡(luò)下使用虛擬實驗進行化學(xué)教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，利用虛擬實驗可以完成高中化學(xué)實驗的教學(xué)，使學(xué)生掌握相關(guān)化學(xué)知識，可以幫助學(xué)生建構(gòu)完整的知識體系，使學(xué)生形成化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。與真實實驗相比，虛擬實驗節(jié)約實驗資源，對人體和自然環(huán)境無害，體現(xiàn)化學(xué)實驗的綠色化思想。通過生動的虛擬實驗情景還可以讓學(xué)生熟悉在化學(xué)實驗中不當(dāng)操作或者藥品選擇不恰當(dāng)導(dǎo)致的后果，并分析問題想辦法解決問題，避免實際操作時造成不必要的傷害。在新型冠狀病毒肺炎疫情期間，筆者利用虛擬實驗完成了實驗教學(xué)，詮釋了虛擬實驗的跨區(qū)域的靈活性。所以，使用虛擬實驗有利于學(xué)生邏輯思維的形成，多個性質(zhì)實驗的組合更有利于學(xué)生思維的發(fā)散，實驗資源方便使用。

但由于4G網(wǎng)速的限制，許多復(fù)雜的教學(xué)資源因無法及時傳輸而難以實現(xiàn)實時交互，教與學(xué)的體驗均不佳[6]。同時目前虛擬實驗教學(xué)資源總體水平不高、教學(xué)設(shè)備成本高、管理維護煩瑣、教學(xué)時空受限及學(xué)生參與程度低并且不同專業(yè)的教學(xué)設(shè)備存在著重復(fù)或者無法融合應(yīng)用，導(dǎo)致教學(xué)設(shè)備的利用率不高。利用虛擬實驗進行化學(xué)教學(xué)的過程中，學(xué)生缺少一種嗅覺、觸覺等感官體驗。比如學(xué)生不能聞到虛擬實驗制取的氯氣的氣味，這在一定程度上會降低學(xué)生完成的積極性。而且4G網(wǎng)絡(luò)下的互動軟件教師與學(xué)生之間、學(xué)生與學(xué)生之間的互動性較弱，不利于彼此之間的協(xié)同作業(yè)或?qū)嶒灐?/p>

3 5 G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下高中化學(xué)虛擬實驗教學(xué)的思考

黨的“十九大”是教育信息化1.0轉(zhuǎn)向教育信息化2.0的分水嶺，目前正處于教育信息化2.0時代的初級階段，5G的到來，將加速教育信息化2.0的進程[7]。很多5G關(guān)聯(lián)技術(shù)都在影響并提高著人們生活的質(zhì)量，同時也影響著課堂的教學(xué)模式，特別是虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR及AR）在5G網(wǎng)絡(luò)下的逐步普及和完善，使沉浸式課堂教學(xué)得以實現(xiàn)，5G的多項特征與化學(xué)虛擬實驗教學(xué)結(jié)合后會帶來哪些機遇與挑戰(zhàn)呢？

5G具有超高數(shù)據(jù)速率、大規(guī)模連接、低時延、高可靠性等特征，與虛擬實驗結(jié)合后將能提供超高清、低時延、大容量的實驗視頻、教學(xué)資源的傳輸，例如，可實現(xiàn)實驗現(xiàn)象細節(jié)化，局部的小變化都能察覺，消除目前視頻的模糊感，實時傳輸教師的教學(xué)素材等，這些變化需要教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會觀察，學(xué)會利用資源，發(fā)展學(xué)生的自我探究學(xué)習(xí)的能力。5G就像動車組可以快捷的速度到達目的地，教師要做的就是讓學(xué)生能合理規(guī)劃乘車時間，安排好行程，接收大容量知識的輸入與學(xué)習(xí)。

互動性是實驗教學(xué)的魅力之一，不管是教與學(xué)的互動，實驗藥品、器材與使用者的互動也是真實實驗教學(xué)中的樂趣?；有耘c人們的感知不能分離，5G網(wǎng)絡(luò)下基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)化學(xué)實驗教學(xué)可以實現(xiàn)學(xué)生的感官（視覺、聽覺、觸覺）的互動，3D虛擬現(xiàn)實、環(huán)繞立體聲、觸覺傳感器及溫度傳感器等使用，使學(xué)生具有較全面的感知體驗，并能產(chǎn)生真實的機體互動，在實驗過程中，抽象的內(nèi)容可觸摸，可以暢游原子核，在電子軌道上奔馳；原電池的得失電子歷歷在目，鈉遇水后也可雷電交加等。有這些強互動、真感知的體驗定會增加學(xué)習(xí)的趣味性和參與度，當(dāng)然這些體驗的創(chuàng)作需要發(fā)揮師生的想象及技術(shù)人員的努力。

5G網(wǎng)絡(luò)可讓學(xué)生有身臨其境的感覺，化學(xué)的發(fā)展是一個個實驗做出來的，化學(xué)史講解是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)興趣的很好方式，通過5G網(wǎng)絡(luò)，將一個個化學(xué)家的事跡以VR形勢完美呈現(xiàn)，讓學(xué)生穿越歷史長河、沉浸式地體驗化學(xué)學(xué)科的發(fā)展與坎坷，相信比一遍遍講述更能激發(fā)學(xué)生興趣，記牢知識，理解科學(xué)的真諦。有了5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢可以讓整個教學(xué)環(huán)境迅速多時空轉(zhuǎn)換，還原真實的歷史。這樣的教學(xué)環(huán)境需要教師具備較高的綜合素質(zhì)及融合性思維，學(xué)科的發(fā)展是多方面的、交叉的，同時對學(xué)生的學(xué)習(xí)要求也是融合性的、交叉的?；瘜W(xué)實驗不僅僅是化學(xué)也可以有物理、生物、歷史、地理，等等學(xué)科的融合，5G時代讓實驗教學(xué)充滿靈性與歷史的厚重感。

今年的網(wǎng)課教學(xué)，全國上下體驗了跨地域教育，同時也暴露了4G時代的不足，相信5G普及后，網(wǎng)絡(luò)可以隨時進行教與學(xué)，不受地域的阻礙開展線上的合作實驗，問答討論，海量的教學(xué)資源就在咫尺，為不同學(xué)生的自我學(xué)習(xí)提供更加便捷舒服的學(xué)習(xí)環(huán)境，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與潛能，提供了有力的技術(shù)支撐[7]。

5G引發(fā)的化學(xué)虛擬實驗教學(xué)變革將是全方位的，教師、學(xué)生、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)環(huán)境等教育場景要素的變革，將對教師的教育理念、教學(xué)方式產(chǎn)生顛覆性變化；對學(xué)習(xí)的內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式也會有重大轉(zhuǎn)變，“無限”“隨時”“高速”是無與倫比的新體驗，探究性學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、精準(zhǔn)化學(xué)習(xí)將會成為發(fā)展新方向。

4 結(jié)語

5G技術(shù)的應(yīng)用，無疑是虛擬教學(xué)強大助推器，為5G萬物互聯(lián)時代的學(xué)生布置了場景化、探究性與互動性的學(xué)習(xí)樂園，營造舒適的環(huán)境，為合作學(xué)習(xí)、創(chuàng)客學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)等的開展提供空間，能夠充分發(fā)揮學(xué)生的主動性，激發(fā)好奇心與樂趣，為培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題、團隊協(xié)作、創(chuàng)新意識等能力提供了新的教學(xué)支持，以上是筆者結(jié)合目前經(jīng)歷的化學(xué)虛擬實驗教學(xué)現(xiàn)狀及5G的特點做出的思考。時代的進步，技術(shù)的迭代升級總會產(chǎn)生意想不到的變革，未來不可預(yù)知，不論是商業(yè)還是教育，共同見證身邊時時刻刻的變化，然而不變的是教與學(xué)的初心和探索未來的熱情，有了這些，相信在5G全面普及之時，定能夠輕松駕馭該技術(shù)，迎接機遇與挑戰(zhàn)。