虚拟化学实验室管理-化学实验室管理

一、虚拟化化学实验室构建概述

（一）概述

1.互联网+

“互联网+”最早于2012年11月在易观第五届移动互联网博览会上被于扬提出，“互联网+”就是“互联网+各个传统行业”，是经济社会发展的一种新形态。然而，两者并不是简单的相加，它依托互联网信息技术的创新成果来实现互联网与传统产业的深度交融，以优化生产要素、更新业务体系、重构商业模式等途径来完成经济转型和升级。利用“互联网+”的创新驱动特点，构建化学虚拟实验教学平台和模式是此研究的突破点。

2.多媒体技术

媒体是信息的载体。多媒体技术是指为了达到某种目的，利用计算机信息技术将文字、图像、动作、声音等多种媒体有机组合成特定效果，并通过计算机输出器传递给用户，实现人机交互、虚实交互的技术。

3.虚拟仿真技术

虚拟仿真技术属于一款集成性信息技术，它将计算机技术、文字图像处理技术、多媒体技术、仿真技术、显示技术等有机结合，由计算机生成全方位、多维度模拟系统。在化学实验上，它高仿实验对象及过程，营造出近乎全真的实验场景，具有人所具有的一切感知功能，如“视、听、说、写、算”等，将抽象的、危险的、再现性差的、实验条件复杂的实验具体化、可视化、低耗化、便捷化，克服化学实验教学“少、难、险”等问题，让学生不用进化学实验室就身临其境，弥补了真实实验教学的诸多不足，具有巨大的开发和应用前景。

（二）理论依据

1.建构主义学习理论与虚拟实验

建构主义（constructivism）学习理论，也译作结构主义学习理论，最早是由瑞士心理学家皮亚杰（J.Piaget）提出的。他认为学习者的知识不是通过教师直接传授的，而是先与客观的外部知识结构和问题情景交互，再根据自身的认知背景和经验对获得的信息进行加工、处理、内化成为有意义的、长期储存在大脑中的认知结构，其强调了利用“情境”“协助”“会话”“意义建构”对激发学习者求知欲和创造性建构知识的重要性。建构主义学习理论即是指在学生具备一定知识经验的基础上，通过教师的引导以及同学之间的协作展开对新问题的探讨，对获得的新信息进行自我加工，从而内化成为自己新的知识储备。

有些化学实验的情境创设条件复杂，危险性大，影响因素多、难以开展分组实验。这类情况下化学虚拟实验就很好地起到了媒介作用，即学生需要借助化学实验才能获得的新知识，可以通过化学虚拟实验来获得。在此过程中化学虚拟实验作为数字化的教学媒介，不受外部因素限制，可呈现多元、逼真、形象的实验信息，对学习者的听觉、嗅觉、视觉等感知造成刺激，促进学习者利用原有知识、讨论结果和外界环境等信息对计算机等多媒体设备上的交互部件进行操控，以获取、思考、转换、简化、加工实验信息，建构新知。化学虚拟实验是保障学生建构性学习化学、体验化学、掌握化学的重要教学手段，是建构主义学习理论的实践产物。

2.自主学习理论与虚拟实验

自主学习理论强调学习活动中元认知、动机及求知行为等方面自我协调策略能力的形成，重视学习的主动性、创造性和协调性。自主学习理论的“自主性”具体表现为“自立”“自为”“自律”三个特性。自主学习即要通过激发学生的学习兴趣和动机，让其积极主动、独立自觉、能动地学习，而不是被迫学习。每一个学习者都有自身所具有的自主认知系统，一般情况下他们是不会无故自我运行的，即自我学习是需要外部环境和认知内容对学习者造成刺激，进而产生的学习动机促使他们完成搜集、选择、加工信息的学习过程。

素质教育的大背景下，凸显了自主学习的必要性。教师为主导，学生为主体，培养学生自主学习和自主发展成为当今课堂教学的重要任务之一。把学生自主学习和自我发展作为教学的根本目标，需要创新传统的教育模式，丰富实验教学媒体，化学虚拟实验作为一种新型的教学媒介便应时而生，其在自主学习能力的培养中起着关键作用。教师依托“互联网+”虚拟实验平台，营造“真实”的实验情境，可以激发学生自我激励、自我探究、自我监督、自主实验、自主构建，在完全无外力施压的情况下自愿自觉地进行化学实验学习，体现了自主学习理论的本质。

3.多元智能理论与虚拟实验

多元智能理论最终是被哈佛大学加德纳所确定的，他定义智能是人在特定情景中解决问题并有所创造的能力。他认为我们每个人都拥有八种主要智能，包括语言智能、逻辑—数理智能、空间智能、运动智能、音乐智能、人际交往智能、内省智能、自然观察智能。不同的学习者在不同的问题情景和学习条件激发下，能表现出不同的智能水平。

虚拟化学实验通过图片、动作、声音等创设生动形象的实验情境，对学习者的各种感官形成刺激，有利于激活他们各方面智能，符合教学形式、学习素材、师生交互的多元化要求。因为在教育之中多元智能理论的运用，体现于不同的教育条件和环境背景下，学习者获取新知的方式以及取得的成果存在差异。而且学习者的创造性也直接受制于不同的教育背景和教育形态。所以，在传统的化学学科授课模式下，某些不易通过实体化学实验教授的新知识，便很好的借助了虚拟化学实验的便利性、易操作性及直观性，呈现出应有的形、动、声、色等，使在实验条件有限的情况下，学习者能在相似的教学条件下获取和感知实验信息。

4.探究性学习理论与虚拟实验

探究性学习是指学生在学习某科目或生活经历中选取某个问题作为突破点，通过质疑、发现问题；调查研究、剖析研讨，解决问题；表达与交流等探究学习活动，获得知识，激发情趣，掌握程序与方法的学习过程。

探究性学习理论的运用，可以使传统的教学模式实现根本性的转变。学生获取化学知识的方式丰富多样，并且学习者新知识的获取不仅来源于教师的讲授、教材的理论，而且来源于更为直观、生动的化学实验。因为学生在化学实验开展之初便带着对实验过程的好奇心和准确得出实验结果的任务，而开展探究实验的过程正是充分发挥和检验学习者自主探究学习能力的好时机，所以借助化学虚拟实验的灵活性和丰富性，开展多样化的探究性实验，可以帮助学习者获得知识、提升技能。化学虚拟实验教学便是在教学过程中强调学生的主体性，给学生提供了运用已有的经验和知识，自己发现问题、做出假设、设计方案、开展调研、进行实验、得出结论，最后以自己的方式获取知识并纳入自己认知结构的实践机会。这一学习理论让学生成为实践的主体，在资源共享、自由创新的学习氛围中，大胆质疑，独立解决问题，体验求知过程，充分发挥自主创新思维和探究能力。

（三）“互联网+”的化学虚拟实验构建原则

1.虚拟与真实结合原则

虚拟实验教学必须在真实实验难以开展或无法实现的前提下被采用，以实现实验教学效果最优化为目的。换句话说，虚拟实验教学必须遵循“以实为本、虚实结合”的原则，实践上虚拟实验教学是对真实实验教学的完善，恰好填补真实实验的“缺陷”。要保证虚拟实验教学的辅助效益，选对辅助对象、时机、地点是关键。虚拟实验教学辅助的是危险性大、操作难度大、污染严重、现象模糊等实验教学，通过使用三维高仿真实实验的器材、动作、现象，尽可能逼真地显现真实实验的没能达到的环境和效果。只有坚持虚实结合，把握好虚拟实验的适应性，才能有效防止教学信息冗余而学习者的认知量超载，浪费学生的精力和时间，造成教学效果适得其反。

这就要求教育者必须学会在同一实验以两种教学手段呈现时，根据学习者不同的行为反应，推测不同实验手段带来的激励效应，进一步对比分析虚拟与真实实验的利弊关系，根据不同的实验和教学对象，科学统筹虚实实验，形成个性化的、以学生为中心的实验教学模式，因材施教。

2.系统化与智能化原则

化学虚拟实验是承载化学知识的重要媒介，是实践教学内容的主要呈现手段。依托互联网，一方面，学习者可以通过虚拟实验软件进行探究性实验，“脱离”教师的引导和教学，既给学生足够时间思考，又给学生进行实验时提供启发性提示，保证学习活动的有序进行；另一方面，系统存储了包括实验现象、数据和结论等理论结果，无论用户如何不规范操作，系统会在给出定量评价之后给出准确的实验结果，具有很强的适应性。

简言之，虚拟实验内容精湛全面，成套成集，完成交叉实验之间的衔接和拓展，是系统化、智能化的虚拟实验教学体系。此外，其还担负课外第二课堂教学任务，具备自动提示和打分的智能评价和监管体系，通过网络传送学习者的实践成果给教师，方便教师及时掌握学生学习动态和实时答疑，集练习、测试、评价和监管为一体，确保贯穿校内校外、线上线下的虚拟实验教学切实高效地进行。

3.交互性与易维护原则

为了让学习者可以单独在化学实验中获取新知识，虚拟实验平台的交互功能发挥着重要作用。交互性指学习者存在感的产生和虚拟实验的多感知能力相联系，越强的感知能力可以使学习者产生越逼真的存在感。虚拟实验学习中，学习者用鼠标单击或拖拽就可以到达一个新的界面或完成某个实验动作，控制计算机系统随着自己的意愿完成任务，同时计算机在界面上自动反馈信息给学习者，输入与输出交替，具有很强的情感交互和信息交互功能。因此，只有学习者通过自我实践、自我体会，达到感性认识与理性认识相渗透，这样更容易产生思维碰撞，激发学习者的综合实验能力和创新意识。总而言之，学习者身临其境所获得的直接经验在学习者的头脑中具有很强的记忆性，有利于他们理解和长久记忆，进而转化为解决实际问题的能力。

除此之外，学习者持久的求知欲以及网络虚拟实验平台的畅通运行，是保障实验教学活动有序进行的前提。因此，必须创设生动有趣的虚拟情境、和谐的交互界面来激发学习兴趣，保证学习者保持感性和理性学习。平台的图像、声音及动画等要采用标准格式，网络应用程序也采用跨平台设计方案，以保证其正常、稳定地运行。

4.安全性与可靠性原则

互联网及系统运行应具备安全性与可靠性，一般情况下要求互联网系统24小时开放使用，学生根据需要随时随地可以使用，从而不受地域和时间的限制，使得实验教学不再局限于课堂，轻松进行课前预实验、课后练实验。此外，有了稳定的网络保障，跨地域学校之间可实时进行教学评估、经验交流和资源共享，通过对网络虚拟实验教学的规范监管，教学活动的开放性和灵活性得以充分彰显，有利于其可持续发展。

同时还要求用户与用户之间的交互信息必须真实准确，以免造成误导，确保实验教学质量达标。因为学生、教师及学校教务人员都是以其真实身份登记注册，所以网络安全监管必须到位，以维护每一位使用者的合法权益。此外，对平台的数据、应用程序和教学资源等需要设置使用权限，安排网络监管员对系统安全和知识产权进行定时跟踪和维护，以便系统地安全运行。

（四）“互联网+”对教育的影响

在“互联网+教育”时代，互联网已成为信息与知识的主要载体，碎片化的阅读方式使得信息与知识的存在形式多种多样，它也将成为教与学的主要场所，未来的一切教学活动，不管是教师授课与学生学习，还是信息流动与知识成型，都将围绕互联网进行。同时，线下的活动将成为线上活动的补充与拓展，与当下的主流教学形式大相径庭。“互联网+教育”下的人机交互和人工智能的发展，不仅革新了教育技术，更影响了教学理论、学习环境、课程形态、学习方式和教学评价，具体体现在以下几个方面。

1.教学理论创新化

“互联网+”时代下的人们，面对复杂的生存环境、快速的生活节奏和爆炸式增长的信息，认知方式已经在无形中发生了改变。部分旧的教学理论不再适用于当前社会，需要补充和拓展新的教学理论，并对教育活动进行指引。例如，关联主义和新建构主义就是数字化时代的新学习理论。

关联主义（又译为连通主义）理论由加拿大学者蒙斯提出，他主张在学习领域用网络思维来思考学习的过程和本质，即“信息”是节点，“知识”是连接，“理解”是网络的实现特征，学习者不再亲身经历而习得知识，学习能力来自各种连接的建立。而新建构主义理论认为，学习最重要的是建构新的个人知识体系，根据自己的兴趣和需要在知识流中进行选择，创造性地学习，并将知识应用于实践。两种理论是一种互补关系，前者的关注点是学习的外部过程，后者的关注点则是学习的内部过程。

2.学习环境智慧化

“三尺讲台迎冬夏，一支粉笔写春秋”的教学环境将逐渐消失，在智慧学习环境中，各种数字化技术与教育的深度融合将使得未来教室更具开放性、交互性和灵活性。学生可在网络空间中参与课程设计并交流讨论，利用在线资源开展学习活动。虚拟现实交互技术的发展促进网络世界与现实世界重叠，未来虚拟课堂将可能基本达到实体空间的育人功能，解决当下网络课堂缺乏情境刺激，缺乏学习体验和缺乏师生情感沟通的弊端。

3.课程形态数字化

“互联网+教育”背景下，课程的内涵不能只是作为学科，作为目标或计划，以及作为经验或体验，更应强调显性课程与隐形课程并重，即“实际课程”与“空无课程”并重以及学校课程与校外课程的整合。课程意识的深层变革推进了课程形态呈现数字化发展趋势，在线课程成为教学常态。比如，微课、慕课、翻转课堂和云朵课堂等新课程的实施，提供了一个开放及时的平台，满足学生个性化的需求，体现了以学生为中心的教学思想。

4.学习方式多样化

“互联网+”教学模式中，学生可以作为知识的拥有者、教学活动的发起者和组织者，也可以在任何时间任何地点，以任何方式从任何人那里学习，促使学生的学习从被动到自主学习，而教师的教学从灌输到互动的转变。例如，学习方式也由学生单一地坐在教室听教师讲授向多样化过渡，项目化学习、游戏化学习、仿真化学习已成为主流趋势，而课堂的研发与应用让师生的互动更为频繁。

5.教学评价数据化

随着“互联网+教育”大数据的应用，使得教师、家长和学校可以从数据中认识学生，全面掌握学生特点、学习行为、学习过程，并进行有针对性的教学与教育活动，摆脱过去仅仅用成绩评价学生的不足，利用大数据将学生的情感因素、心理倾向和实践能力等列入评价范围，真正做到因材施教，提高学生的学习质量和效率。例如，在教学过程中可利用脸部表情识别，结合微表情心理学，辨别出学生的真实情绪和内心感受，并通过现代教育技术手段将其结果反馈给教师，便于教师及时对教学活动进行调整。

（五）“互联网+”的化学实验教学模式

化学是一门以实验为基础的科学，常见的实验教学模式有演示讲授模式、实验归纳模式、实验演绎模式和实验探究模式等。这些传统实验模式在教学实践中存在以下问题：学术化倾向严重、过分孤立强调操作技能的训练、脱离社会生活与实际、过于重视实验的认知性结果而忽略学生的过程性体验以及被动接受多而主动探究少等现象。随着现代教育技术的发展，“互联网+教育”将引领化学实验教学改革新方向，重塑实验教学环境，开拓移动化、虚拟化、游戏化和项目化的实验教学模式，具体描述为以下内容。

1.实验教学移动化

在“互联网+教育”背景下，教学实践表明智能手机在教学活动中有着非常广阔的应用前景，不可将其拒之门外。在教育教学活动中，学生可以利用移动手机进行阅读，记录与存储，通信与交流，完成学习活动，搜索与查询，创新与创造等学习活动。同时由于移动智能手机的发展速度快得令人难以想象，在未来化学实验教学中，它或许可以“身兼数职”，开辟实验教学的新路径。例如，将手持技术（又称为掌上实验室）应用于化学实验教学过程中，便携的移动智能手机既能作为数据采集器，又能作为传感器，还能发挥计算机的功能，达到“一机多用”的效果，供师生随时随地进行探究活动，测量实验数据，并及时将实验过程与结果储存。

2.实验教学虚拟化

“互联网+教育”的跨界融合，不仅催生了线上线下一体化的个性化教学模式，更衍生出虚实融合的教育服务，虚拟实验室的出现和应用充分说明了这一点。虚拟实验室是指借助现代科技工具与手段，利用虚拟实验室软件系统，在虚拟空间中模拟实验的过程与结果，让学生通过声音、文字、图像等直观展示进行的一种实验过程。它可以实现微观世界宏观化，有效避免传统实验操作带来的各种危险，有助于教师直观化教学和学生个性化练习。常见的化学虚拟实验软件有Chem Sketch、Chem Office、仿真化学实验室和NOBOOK化学实验室等，其中在中小学应用较多的虚拟实验软件有NOBOOK化学实验室和仿真化学实验室。在化学实验教学中引入虚拟实验室，是教学发展的需要，对于提升学生的化学核心素养也有着重要的作用。但当下虚拟实验室与客观现实世界仍有一定差距，甚至有时会给学习者带来不适感。因此，未来虚拟实验室的发展将更加关注互动性的教学体验，打破时空界限，使得互联网与化学实验教学密切融合，真正融为一体；可以将虚拟实验室打造成一个公开的社交平台或者虚拟教学社区，设置人物互动，类似于抖音、淘宝和微博等APP，从而使得学生的每一个实验操作过程经数据化处理后能以虚拟作品的形式保存并公开上传，记录虚拟实验室主人的实验历程；还可以供其他学习者体验和评价，为化学实验学术交流提供了便捷的方式。

3.实验教学游戏化

“互联网+”时代下，网络游戏已经成为人们生活的一部分，尤其是在学生群体中，玩游戏已经成为一种不可阻挡的潮流。“互联网+教育”背景下的化学实验教学，更应借此机会开发教育类网络游戏，帮助学生实现快乐的“体验式学习”。目前，国内已有众多游戏厂商不断开发教育网游，试图找到有效的推广模式，为学习者创设游戏化的学习情境。随着“互联网+教育”的深入推进，相信在不久的将来会实现教育网游百家争鸣，游戏教学遍地开花的景象。在化学实验教学过程中，利用现代教育技术将实验技能融入游戏情境中，并将学生的角色定位为玩家，采用奖励和竞争机制极大调动学生的学习兴趣，可以激发学生学习动力，增强实验学习的自主性。

4.实验教学项目化

由于互联网的普遍应用让教学资源从封闭走向开放，实验教学的场所不再局限于课堂和实验室，灵活的时间和地点选择使得项目化教学在化学实验中风靡。项目化教学的主要特点是根据课程培养目标可将教学任务拆分为多个项目完成，这些项目与社会实践息息相关，目标明确，资源限定，由学生自主或合作完成，教师只起到指导作用。“互联网+教育”时代下，实验教学项目化既适应了“以用户为中心”的思维方式，又构建了“以学习者为中心”的教育理念模式。随着未来科技的发展，互联网的使用将彻底打破“以教师为中心”的观念，转变为在项目化教学中培养学生探究合作能力和高级思维能力。目前，英特尔未来教育正顺势而为，尝试解决互联网时代教学问题，在其公司未来教室宣传片中，课堂教学以“设计一座坚固的桥”为项目，综合应用了3D打印、远程互动、移动学习、虚拟实验和多屏互动等多种先进技术，学生在此项目探究过程中，突破了教室空间限制，即可随时上网获取学习资源，与师生互动反馈。

二、虚拟化学实验室的特点

（一）机动性强

传统实验室有相应的规章管理制度，实验仪器有相应的使用条款，不可能让学生随时随地的进行实验操作学习。虚拟实验室不受时间和空间的限制，学生可以通过安装虚拟实验软件，随时在学校和家里利用计算机进行相应的模拟实验、实验分析记录，最大程度满足同学们的学习需求，大大提高了实验教学的整体效率。

（二）节省实验投入

在传统实验中，由于实验本身的特质，一方面，实验药品不能进行重复利用，从而浪费了大量的药品和水资源；另一方面，实验器材昂贵，学校需要投入大量资金进行仪器的购买，而且各种仪器随着使用会有消耗和损坏，这就加大了学校的负担。然而在虚拟实验室中，同学们可以利用仿真的仪器和药品进行无限次的循环实验操作，解决现实中一次性药品及实验仪器价格昂贵带来的成本问题。

（三）安全性强

化学实验中大多数实验试剂具有易燃、剧毒、腐蚀等危险性，当学生进行实验时，由于自身的操作失误、实验仪器的长期消耗等问题都可能造成实验的失败，不仅威胁学生的人身安全还会造成实验仪器的损坏，产生不必要的损失。而应用虚拟实验室进行模拟实验时，可以通过图像、声音相结合的形式，形象的模拟出整个实验过程以及现象，从而使学生在充分了解实验原理的同时，避免了人身和设备的安全隐患。

（四）开放灵活性强

在传统实验室中，为了避免产生危险，在学生进行实验时不能随意对仪器和药品进行搭配组装。但在虚拟实验室中，同学们可以根据自己的兴趣爱好充分发挥其创造能力。学生可以灵活的选择实验仪器、实验药品，在短时间内重组进行新的实验探索。一旦遇到问题还可以及时进行仪器的更换、条件的重新选择，而无须消耗太多的时间和精力。

（五）实验效率高

学生利用虚拟实验室进行实验的过程中，可以随时随地的应用虚拟实验室中的药品、器材，而无须同传统实验一样为实验前准备实验仪器花费大量的时间，而且虚拟实验室在设计实验时，针对“观察实验结果”的实验，省略了同学们进行实验仪器组装的过程，避免了无意义的操作过程，可以直接进行实验结果的演示，很大程度上提高了实验效率。

三、虚拟化学实验的优点分析

虚拟实验作为科学技术发展的新型实验形式，它与传统实验相比有如下优点。

（一）实验成本低

要想完成一个完整的实验需要很多硬件设备，如实验器材、实验场地等。因此，筑建一个化学实验室的成本巨大，很多学校可能无力承担，导致学生实验学习受限。不仅如此，由于化学实验药品不能重复使用，导致每一次化学实验都会造成不同程度的浪费，而虚拟实验却只需要一台含有相应软件的计算机就能完成一个完整的化学实验。除此之外，实验者还可以重复进行实验，不会造成实验药品的浪费。这就减少了筑建化学实验室的空间成本和硬件设施成本，为更多地区学校进行实验教学创造了有利条件。

（二）安全性高

传统实验通常在教师的指导和监督下由学生独立完成。然而实验者往往会因为安全意识不足和操作失误致使实验存在一定的危险性，对于化学实验来说更是如此。因为化学实验本身就具有一定的危险性，大部分实验药品都是有毒的或是具有腐蚀性。这一化学认知使得实验者对于未知实验会具有恐惧心理，加大了实验进行的不安全系数，从而难以保证实验的顺利完成。虚拟实验却因其独特的实验方式避免了实验者直接接触实验药品与仪器，实验者只需要在计算机中完成实验的相应步骤便可以达到学习实验的目的；不会因为实验者的操作失误带来严重后果，从而提高了实验的安全系数。

（三）灵活性强

相对于传统实验来说，虚拟实验的灵活性更强，主要体现在以下两个方面。一方面，空间的灵活性强。传统的实验通常是在实验室进行，即使是教师的演示实验也局限于教室和实验室。而虚拟实验却打破了这个传统，它可以在教室、实验室、微机房甚至是拥有计算机的学生家里进行实验。这表明虚拟实验只要有一台计算机就能完成学生对实验内容的学习。另一方面，时间的灵活性强。传统的实验教学中学校往往会根据教师的教学安排而对教学有时间限制，学生只能在固定的时间进行学习，虚拟实验却允许学生根据自己的时间来安排实验学习。不仅如此，由于虚拟实验可以进行重复操作，学生还可以根据自己的学习情况和领悟能力进行及时的复习，加强对实验内容的学习。这都是传统实验不能满足的。

（四）环保系数高

由于虚拟实验是在计算机中进行，它降低了实验污染，但对于真实的化学实验而言，进行化学实验的过程中会产生大量的有害物质，而很多实验对于有害产物的处理因为处理方法的局限性会造成对自然环境不同程度的污染。虚拟实验在计算机中进行实验的全过程，因此学生能观察到实验过程的全部现象，不用担心实验过程中所带来的不良影响。这样就不会违背21世纪所倡导的低碳环保行为准则。

（五）实验视角全面

在传统实验的实验过程中，我们只能观察到肉眼能够观察到的宏观现象，而对于实验的微观变化实验者却难以理解。化学实验更是如此，许多化学实验发生的条件极其苛刻，从而导致进行化学实验时实验现象不明显，误导实验者总结出错误的实验结论。此外，对于很多高中有机化学实验，化学实验者也难以理解其反应机理。而虚拟实验却不会存在实验现象不明显的情况。它可以利用软件设备去创造一个虚拟微观世界，让实验者从微观视角加深对实验机理和实验原理的理解。

四、NOBOOK虚拟实验室与混合式教学概述

（一）NOBOOK虚拟实验室的特点

NOBOOK虚拟实验室软件是由北京乐步教育科技有限公司（原北京亚泰盛世科技发展有限公司）研发的，其中化学虚拟实验室于2016年12月正式上线，该教育产品采用HTMLS技术研发，支持多终端跨平台访问。NOBOOK化学虚拟实验室软件涵盖了高校化学两百余种实验药品，百余种实验器材，具有以下特点。

1.仿真性强，增强教学效果

NOBOOK虚拟实验室以现代化信息技术为基础，依托虚拟现实、人机交互、云端数据库等技术，构建出高度仿真的实验对象和虚拟的实验操作环境。当学生在虚拟环境中开展化学实验探究时，NOBOOK化学虚拟实验软件界面中呈现出高度仿真的实验现象，通过逼真的实验图像与声音相结合，以达到教学大纲所要求的教学效果。

2.进行个性化学习

NOBOOK虚拟化学实验自主研发了重力引擎、拼装引擎、热力学引擎、粒子引擎、速率系统、化学平衡系统、压强系统等多个模块，真正意义上实现在化学虚拟实验室中自主DIY。与传统实验室相比较，DIY实验室里没有器材和药品的限制、可进行宏观实验的微观探析、完成教科书中没有的实验，学习者可以灵活使用各种实验器材去探究化学实验的相关理论知识。同时实验者的安全得到保障，极大地增强了学生对化学实验的学习兴趣和自主探究的欲望。除此之外，NOBOOK虚拟实验室的开放性实现了使用者在电子设备硬件和软件条件许可下，不受时空限制地完成实验的探究过程，这样不仅有助于学生的个性化发展，也为化学实验的远程教学提供了技术支持。

3.资源丰富，跨平台共享

NOBOOK虚拟实验室涵盖了初高中化学的155个相关实验，因此在前期的备课阶段，教师只需按照本节课要讲解的实验题目进行检索，在软件中找到实验所对应的模块，即可展开化学实验教学，而无须准备大量实验器材，不仅节省了教师的备课时间，还极大地提高了教学效率。在课堂教学部分，NOBOOK虚拟实验室软件已经实现了PPT和虚拟实验软件之间的无缝切换，教学的流畅性得到极大的优化，使学生获得了较好的实验体验感。同时NOBOOK虚拟实验室软件账号在不同设备和系统上登录使用时，支持数据云端储存，资源自动实现同步，教师可随时随地进行实验资源的管理，即可针对课后反馈和思考在原实验的基础上不断进行改进，实现教学效果的螺旋式上升。

（二）混合式教学特点

传统主义者认为面授课堂是最有效的教学形式，而激进主义者则认为纯粹的电子教学将是现代社会最有效的教学形式。面对两种极端认识，我们的自然反应就是去寻找一个折中点，混合式学习应运而生。

1.一体化教学环境，提高学习效率

线上—线下学习，是混合式教学中混合的浅层含义，即打破线上与线下教学之间的隔阂，实现网络教学和传统课堂教学之间的结合。而混合式教学则是在此基础上充分结合传统课堂教学和网络教学之间的优势，即线上以互联网为传播介质展开教学，线下则侧重以“黑板+粉笔”的形式进行教学，以此形成一体化教学环境开展混合式教学。通过混合式教学，线上与线下教学之间实现无缝衔接，在线上教学环节，学生在自主学习任务清单的引导下结合教师所开发的线上学习资源自主学习；在课堂教学环节，教师以学生在线学习后的反馈结果有针对性的备课，对于所反映的普遍性疑问，采取集中讲授的教学方法展开教学；对于本节课中的重难点知识，以线下传统课堂有效的教学方式，如探究式教学、小组合作探究学习等形式展开教学，通过混合式教学可以促进学习效率大幅度提高。

2.教学资源混合，有利于资源的传播与共享

教学资源的混合包含资源内容的混合、资源呈现方式的混合、资源的优化与整合三方面。

首先，资源内容的混合。通过混合式教学，学习者接受的将是一种既有条理性又有发散性的知识体系，而不再是单一的学科知识；其次，资源呈现方式的混合。在传统课堂教学中，虽然“黑板+粉笔”对知识的呈现方式有利于学生进行系统性的学习，并形成知识体系，但是知识大多数以文字的形式在书本中呈现，就会造成呈现方式单调，且知识的流通性受到极大的限制，不利于资源的传播与共享。而混合式教学中的现代教育技术，可以有效地弥补以上不足之处。通过混合式教学，知识的呈现方式多元化，从而实现知识的流通，真正满足学习者进行个性化学习的需求，实现其个性化发展；最后，资源的优化与整合。如今，得到知识已经变得非常容易，但是当庞大的“知识库”形成时，我们的需求将不再是资源的数量而是资源的质量，因此对资源的优化整合是十分必要的。通过混合式教学，教师不断对资源进行整合，同时编写出优质的教学资源，学生随时随地获取知识，最终提高自己的综合素养。

3.教学方式的混合，实现个性化发展

传统课堂教学的缺点是过于重视学生的统一性，而忽略了学生的个性化发展。但通过混合式教学模式，可实现学生个性化发展。其原因在于：首先，线上教学平台教学资源丰富，优质资源的呈现方式丰富多彩，可以满足不同学生的学习需求，实现学生个性化发展；其次，由于混合式教学模式的开放性，微信群、QQ群、留言板、贴吧等交流工具为学生建立了交流互助的平台，因而当学生在学习上遇到困难时，师生或生生之间可以交流互助，在这个过程中思维发生“化学碰撞”，极有可能产生知识的“火花”。在混合式教学模式下，教师也应不断吸收先进的教学理念，突破自身传统观念限制，提高自身科学素养，以终身学习型的姿态主动融入教学模式的新变化。基于此，混合式教学不仅有利于学生自主学习能力的培养，促进学生个性化发展，也有利于强化教师的信息素养，拓展教师成长的专业空间。

（三）NOBOOK虚拟实验室应用于混合式教学对化学教学的作用

化学实验是化学学科的灵魂。由于化学实验教学是中学生掌握化学基础知识和实验技能的有效手段。学生完成化学实验的过程，本质上是将所学的化学理论知识应用于实践的过程。因此，中学化学实验教学在高中化学学科中处于非常重要的位置。

基于NOBOOK虚拟实验室进行混合式教学，不仅是一场技术革命，更是一场教育革命。借助NOBOOK虚拟实验室软件进行中学化学实验混合式教学，不但可以有效地弥补传统化学实验教学中所存在的主要问题，而且对打破传统授课和在线授课之间的壁垒具有举足轻重的作用。

1.弥补传统实验的不足，改善实验教学条件

在教育现代化的背景下，虚拟实验室因其强大的仿真性和易于维护的特点不断地走进化学实验课堂。首先，在虚拟实验室中可以精确地控制实验反应条件，如温度、气压等，为化学实验的开展奠定基础，同时虚拟实验室可以满足化学实验中较为苛刻的反应条件，与生产生活实际密切联系，极大地丰富实验项目内容；其次，虚拟实验室不需要考虑化学实验室中难于存放和维护的药品，因为虚拟实验室有完备的实验药品和器材提供给使用者，如碱金属分别与水进行反应，学生可以随时随地展开探究，同时虚拟实验室具有强大的安全性，学习者在虚拟实验室中可以模拟具有危及人身安全的实验，如有毒气体的实验室制备、爆炸且有破坏性的实验，并且均可展现出逼真的实验效果，极大的激发学生对化学实验的兴趣、补充了知识理论体系，从而使学生对化学实验有了更加本质的认识。

2.对NOBOOK虚拟实验室进行拓展，发挥其在化学实验中的最大效能

虚拟实验室在辅助化学实验教学的过程中，如果没有相对应的教学指导，极易误导那些没有深入理解概念的学生。因而混合式教学模式要求教师课前将化学实验的讲解视频和拓展资料上传至微信公众平台，使得学生在微信公众号进行学习后，对化学实验有了初步的理解，再在NOBOOK虚拟实验室进行化学实验的操作，这种教学模式不仅可以突破实验操作中遇到的部分困难，还可以发挥虚拟实验室对化学实验教学的最大效能。与此同时，如果学生在实验操作过程中遇到瓶颈时，微信公众平台为教师和学生之间搭建了一对一指导的平台，教师通过微信公众号可以及时获取学生的学习反馈，及时调整备课重难点，从而激发教学动态的形成。由于虚拟实验并非具有真实的手感操作，不利于学生实验严谨度的培养。然而通过与混合式教学模式的结合，学生课前已经在虚拟实验室中对本节课所要讲解的实验进行了模拟操作，那么在课堂教学过程中，如果实验室条件允许，学生可以进行真实的实验，这样不仅可以使实验的成功率大大提高，还可以获得对有关仪器、药品、实验现象等最真实的感受，不但有利于学生内部知识体系的建构，而且培养了学生的实验严谨度。

3.推动教师教学与技术专业化发展

化学教师的专业素养是指教师化学知识系统化，教育理论的先进性，以及应变能力的灵活性。在教学中，部分教师存在专业素质有限、教学形式单一等问题，如化学必修一中氯气的制备和性质的探究，由于氯气毒性较强，在实验室中较难制得，所以部分教师默认实验条件达不到制备要求，直接让学生看书上所描述的实验现象和图片或者播放演示视频，这对培养学生的化学兴趣是极为不利的。在教育现代化的背景下，互联网与教育的结合在一定程度上促进了教师教学与技术的双向发展，同时在NOBOOK虚拟实验室基础上实行混合式教学，对教师的专业素养提出了更高的挑战。首先，线上教学中需要教师利用虚拟实验室录制实验的讲解视频并上传至微信公众平台进行排版和发布，课程资源思维导图的制作均要求教师不但有良好的知识储备，而且对教师的技术专业化也有一定的要求；其次，教师的角色与职责将发生相应程度的转变，在新型教学模式下，需要教师根据具体的学习情景选择最佳的教育角色。

4.打破时空限制，实现化学实验教学资源共享

因为互联网的出现，从大规模在线开放课程MOOC（Massive Open Online Course）到各式各样的在线教学平台，如网易公开课、学而思网校、新东方在线等，各种在线课程井喷式地出现，但是互联网上化学实验资源却寥寥无几。到目前为止，调查发现化学实验资源的传播方式仅限于教师在各视频客户端上传实验室实体操作来供学生观看，而虚拟仿真实验室的出现为大规模在线化学实验课程的开发提供了有效途径。“NOBOOK虚拟实验室”与“微信公众平台”的组合极大地推动了化学实验教学资源的开发与共享。通过在微信公众平台上传实验讲解视频和配套课程资源的思维导图，以及必要的图片、文字等说明性资料，极大地丰富了互联网上化学实验的资源。学生在微信公众平台中进行化学实验教学资源学习，并结合NOBOOK虚拟实验室进行独立操作试验，同时微信公众平台的对话窗口为异地学习者提供了与教师进行一对一交流的技术支持，实现了教学过程的双向互动，由此实现化学实验教学资源不再受时空限制而进行大规模的开发与传播共享。

五、虚拟化化学实验的构建

（一）计算机信息技术的支撑

1.Swish Max4

Swish Max是一套操作相当容易的动画制作软件，如Flash一个小时要做的事，Swish Max只要5分钟。Swish Max4主要被用来绘制实验素材、拼接、设置动画、场景渲染等方面。用其绘制高仿的立体实验器材、药品和实验环境，可以给虚拟实验平台的组建提供充足的情境素材，如图5—5所示。

图5—5　虚拟实验素材绘制界面

其主要优点在于操作起来相当简单便捷，对使用者的计算机能力水平要求不高，也容易在短时间内轻松上手，且效果不亚于flash，适合广大教师群体使用。在文件类型方面，文件可以转化为多种格式，包括SWF、AVI、GIF、PNG等，兼容性和适应性良好。

用Swish Max4画图主要分为五步进行，具体描述如下。

第一步：渲染场景，点击“版面：场景_1”的“属性”一栏，单击“影片属性”，如图5—6所示，根据实验情境需要，设置场景规格、颜色等，再点击“确定”。若要导出整个场景，可根据需要调整“导出影片设置”中的相关格式和数据。

图5—6　影片属性设置

第二步：选择形状接近目标图形的“元素材”，如最常使用“椭圆工具”或“矩形工具”，在其原有基础上，通过“子选工具”进行拉拽、调节，得到需要的产品形状。另外，还可以将几个图相互嵌套、重叠，形成新的图形，如图5—7、图5—8所示。

(www.xing528.com)

图5—7　选择图形素材

图5—8　用“子选工具”变形

第三步：修饰“粗品”（如图5—9所示）。选择修饰对象，并双击，再回到“属性”一栏，调节对象的轮廓线条类型、粗细、颜色等，填充图像的颜色，将其调节到最接近实物的状态，如图5—10所示。

图5—9　设置“粗品”属性

图5—10　成品示例

第四步：设置动画，选中对象，点击“添加效果”（如图5—11所示），常用“滑动”中的十几个动作效果，根据实验需要选定。效果的持续时间可以通过调节“时间轴”控制，并点击“预览帧”预览。当然，如果不要某个效果，也可点击“删除效果”去除。值得提醒的是，Swish Max中的图层复制到其他软件上会出现“倒置”，可在绘制时先调节各图层的覆盖顺序。

图5—11　添加部件动作效果

第五步：取用。

方法1：利用“选择工具”，用鼠标“扫描”要复制的局部区域，待出现矩形方框，右击鼠标点击“复制对象”，再粘贴到目标位置，如图5—12所示。

方法2：点击“文件”中的“导出”，选择要导出的文件类型，再保存到目标文件夹中，导出整个场景，如图5—13所示。

图5—12　复制“器材”图

图5—13　导出整个场景

2.Microsoft PowerPoint 2010

此软件可以创建基本的实验动作，设置交互链接、插入仿真音频，做成动态文稿甚至视频短片，大大增加了平面图像的可视性和真实感。其主要被用于虚拟实验平台整体框架、仪器库、药品库的搭建，为虚拟实验提供最基本的实验素材，营造虚拟实验情境。

其优势在于操作简单、普及性强、用户涉及年龄层次和职业范围广等。因此，教师能快速制作出规范的虚拟实验动作，在最短时间内完成虚拟实验的教学设计。此外，PPT的动画设置操作简单，容易修改和维护，适合教师根据教学情况实时更新。虚拟实验主界面如图5—14所示。

图5—14　虚拟实验场景界面

PPT的使用相当广泛，其在虚拟实验平台的搭建中主要有以下几个功能发挥作用。

功能1：交互跳转，部件与界面的链接、部件与部件的链接、界面与界面的链接，都可通过超链接来实现。教师可以根据教学需要进行设置，操作简单。

功能2：动作触发，实验操作过程的交互性依托设置各动画触发器来体现。遵循化学反应规律，设置反应速率，即“期间”（时间），利用动画路径呈现物质移动路径和状态，动作的发生与否由“触发器”绑定的对象决定和控制，实现界面交互效果，如图5—15所示。

图5—15　绑定触发对象

功能3：实验配音，用户可以下载或录制实验操作和反应发生时真实存在的各种声响音频，通过“音频”插入，并将其设置为与某动作同时发生，增加虚拟实验的仿真效果，如图5—16所示。

图5—16　实验动作配音

3.Camtasia Studio 8

Camtasia Studio 8既可以捕捉屏幕的影音，又能编辑视频，裁剪屏幕的动作、声音、图像，甚至记录鼠标的移动轨迹，再重新设计和组合视频、设置专场效果等的一种软件。它可即时播放、编辑和输出，且能转成GIF动画或AVI等格式，满足虚拟实验教学的技术需求。

其优势在于录制的视频像素高、画面感强、兼容性好，使用起来极其方便，容易删减和增加片段，包括配音及插图等可以随时更改。更重要的是灵活性强，可以随时播放、暂停、选播、重放等，满足各个教学环节的需要。其操作流程分以下几步进行。

第一步：点击“录制屏幕”，弹出录制窗口，如图5—17所示。

图5—17　录制窗口

第二步：点击“全屏幕”或“自定义”选定录制窗口，若需录音，打开“音频”，点击“rec”开始录制，录制完毕时，点击“停止”，保存文件，如图5—18所示。

图5—18　录制前界面范围和音频开关调节

第三步：处理与调试。根据需要可插入其他音频或图层，包括字幕、录音和图片等。若需要裁剪，可双击“界线”，待轨道被分割，点击“裁剪”按钮或“分离”按钮，再重新排列、组合、试播。假如在录制过程中录入了多余的内容或杂音，也可以通过音频轨道进行切换或修改，如图5—19、图5—20所示。

图5—19　视频处理

图5—20　添加字幕

第四步：选择保存路径和格式，设置导出生成文件的大小、规格和类型等。若有需要，用户还可以通过“自定义生成设置”，将其设置为所需规格，完成视频保存，如图5—21所示。

图5—21　导出生成视频

4.Virtools软件

这一款软件在动画制作方面的应用相对于前两款软件的应用范围来说相对要小得多。2004年，Virtools推出了一款实时的三维互动媒介的创作工具Virtools Dev 2.1，刚开始被应用于中国台湾，后来被引进到中国大陆。到目前为止，全世界有超过270所大学在应用这款软件，上市一段时间后，这款软件才得到部分学生的支持及相关媒体技术公司的应用。Virtools是一套整合软件，可以对很多软件素材进行整合，如2D的图形、音效、3D环境编辑软件等。它的用途广泛，应用它可以设计出许多虚拟产品，如电脑游戏、多媒体、互动式电视等。Virtools还包含了SDK，这个功能可供程序设计人员开发出新的功能及新的硬件驱动程序等。除此之外，Virtools具有独特而强大的开发系统，可将3D对象的相关元素分离出来作为独立的组件，以备不同制作任务时的重新使用。

5.Unity3D开发平台

（1）Unity3D介绍

Unity3D引擎是一个创建视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型的互动内容的多平台开发工具，最显著的特点之一就是支持跨平台开发。

Unity3D引擎拥有功能丰富的图形化界面，能够进行可视化操作、预览动态场景等。它给开发者提供了大量开发资源，开发者可以根据需求来选择所需的模块进行使用，常用的功能模块包括灯光、渲染等；还给用户提供了Mono Behavior这个强大的类库，便于系统功能开发。

Unity3D由多个视图面板组成了编辑器窗口，不同的视图面板对应不同的功能，Uinty3D开发界面的结构图如图5—22所示。

图5—22　Unity3D窗口结构

The Project（工程浏览面板）。用户在进行项目开发时所使用的资源数据都通过该面板来显示，包括纹理、材质、音频、网格等。

The Scene View（场景视图）。在该视图中，用户能够通过可视化的方式进行场景的相关设置，可以根据项目的类别选择3D或者2D模式，通常可以在该视图中进行场景的定位、移动等。

The Hierarchay（层级面板）。该面板列出了当前场景中的全部游戏对象（Game Object）。其中有的是模型、灯光等常用的Unity3D实体，也可以是一些自定义的实例以及一些导入工程的外部资源文件。当用户在场景中新增或者删除对象时，它们也会在层级面板中对应出现或消失。

The Inspector（属性监视面板）。该面板能够显示所选物体包含组件的详细属性。在面板的顶端是所选物体的名称，然后是其对应的属性列表。

The Toolbar（工具栏）。它包括变换工具、播放控件等，这些工具主要用于改变设计面板和预览面板的显示方式，操作场景中的游戏对象等。

（2）Unity3D开发流程

基于Unity3D三维引擎开发的流程图如图5—23所示。

图5—23　Unity3D开发流程图

由图5—23可知，基于Unity3D三维引擎开发项目的流程分为：应用程序、场景、游戏体、组件四个层级。不同的层级所产生的作用也不相同，下面分别做简单介绍。

应用程序（Application）。相当于API函数，Unity3D引擎中给用户提供了大量的类库，开发人员可以调用已经封装好的功能，提高开发效率。

场景（Scene）。在虚拟交互系统的开发中，场景是系统开发的重要元素，好的场景会体现出逼真的效果，提升体验感。

游戏对象（Game Object）。游戏对象是一种泛称，它们需要特殊属性才能成为一种角色、一种环境或者一种特殊效果。游戏对象由它拥有的组件决定功能，是场景中重要的组成元素，每个场景中都包含Game Object。

组件（Compenment）。Unity3D中重要的组成元素，其作用主要是为对象添加相应的组件或属性。

6.HTC Vive开发平台

（1）HTC Vive硬件平台

HTC Vive套件由头戴式显示器（HMD）、两个基站、两个无线操控手柄和一个串流盒构成。其中头戴式显示器是用户进入虚拟环境的窗口，基站则通过激光发射器发射光线来对区域中的物体定位，手柄设备用来与虚拟环境进行交互，串流盒将头戴式设备与计算机连接。图5—24为HTC—Vive实物图。

图5—24　HTC Vive实物图片

（2）HTC Vive数据的采集和传输

在HTC Vive设备中，由两个红外激光定位塔发射信号，而Vive操控手柄和Vive头显设备上都内置有激光感应器能够接收信号，因此，可以确定运动物体的角度值以及信号到达的时间。头盔的角度值和信号到达的时间，将会在信号采集模块中进行一定的算法转换，并传输到Unity3D里面进行数据整合，手柄的数据信号则通过无线模块传输到Unity3D进行处理，供开发者利用。HTC Vive数据采集和传输架构图，如图5—25所示。

图5—25　HTC Vive数据采集和传输架构框图

7.HTC Vive设备接入Unity 3D引擎

在虚拟体感交互系统中，HTC Vive设备的线路连接以及接入PC端口的模块十分重要，实现HTC Vive设备接入Unity 3D引擎中的主要过程如图5—26所示。

图5—26　HTC Vive设备接入Unity3D引擎

HTC Vive设备接入Unity3D引擎的过程中，首先要进行HTC Vive的环境配置，选择合适的硬件平台；然后根据设备的接线图实现各个模块的连接，调整好定位器的相对位置；最后下载安装驱动SDK，在确保HTC Vive设备接线完好的情况下启动Steam VR，实现数据传输。Steam VR SDK（Steam VR Plugin）是一款专门服务于VR头显设备的Unity Package，需要在Unity assets Store中下载并导入Unity3D工程文件中实现应用。其包含许多场景开发的必要脚本，例如SteamVR TrackedController.cs是用于手柄按钮事件的接口。

（二）“互联网+”的化学虚拟实验平台板块设计

为了遵循教学对象决定教学内容，教学内容决定教学模式，教学模式影响教学成果，教学成果又反作用于教学研究的客观规律，笔者精心设置了多元化的教学、多层次的训练、多角度的评价，以支撑化学虚拟实验教学的进行，力图全面提升学习者的学习兴趣、化学素养、创新能力、实践技能等。

虚拟化学实验教学分为课前演练、目标解读、方案设计、实训基地、在线检测和最终评价六大板块，每个板块之间“分工”明确，各尽其“用”，体现难度层级化、形式交互化、内容连贯化、态度主动化的教学理念，促使实验教学实现随时随地展开。虚拟实验平台设计思路及具体框架如图5—27所示。

图5—27　虚拟实验平台框架图

（三）化学虚拟实验教学六大板块功能解析

1.课前演练

“课前演练”是开展虚拟实验教学的重要前提。在传统实验教学中，由于条件和精力不足，实验局限于课堂，学生课前不能保证自主完成预习任务，教师也不好把握学生的认知基础和态度，导致实验教学呈现机械性灌输的“病态”。根据教学过程可将“课前演练”分为“知识链接”“基础摸底”和“虚实融合度”三部分，方便教师提前分析学情，有助于他们根据学生的已有知识结构和实验的教学需要“量身定做”教学设计。

“知识链接”是将与本实验相关的旧知识或者实验中涉及学生之前并未学过的新知识，以图文或者视频呈现出来，巩固学生的理论基础，为接下来的实验教学做准备。比如必修一的蒸馏实验中用到的冷凝管和牛角管，都是学生没见过的仪器，在此部分应对其构造和功能做简单的介绍，以便学生的了解和使用。

“基础摸底”中一般包括十道以内的选择或填空题，只要学生完成答题，系统就会自动给出成绩并通过网络传送给教师，成绩不及格者有两次重测的机会。这及时反馈了学生的认知基础，有利于教师取舍教学内容，把控实验教学难度和进度。

“虚实融合度”由教师总结出并呈现给学生，既陈述真实实验存在的不足，提出虚拟教学与真实实验的互补程度，也让学生认识到虚拟实验教学的必要性，树立正确的学习观。

2.目标解读

“目标解读”是虚拟实验教学的出发点和落脚点，包括“实验目的”“实验原理”及“重点难点”三部分，分别阐述了本实验的目标：要求学习者掌握的理论知识和实践技能、实验运用到的化学原理、内容的侧重点。此板块给学习者对化学实验的学习立起导航，让学习者提前解读实验目的，节省课堂时间。

“实验目的”分为知识、方法和学习情感三维，让学生认识到实验学习除了要掌握实验基本原理和操作，还要懂得从实践中获得实验方法和技能，并找到实验的乐趣，培养科学探究的精神。它也是衡量实验成绩达标与否、评价课堂教学质量和学生表现的科学标准，需要教师认真分析和归纳。

“实验原理”主要是罗列实验涉及的化学反应原理，指导学生在遵循化学发展规律的前提下科学操作，谨防违背客观事实。例如，铜单质与硝酸才会反应，硝酸表现出氧化性，在此没有表现出酸性，这是学生经常会误解的。

“重点难点”是指对实验的知识点做详细的归纳和划分，让学生明确实验完成后要习得什么知识、掌握什么技能，而不是以完成实验为终点。这在一定程度上培养了学生树立学习目标，养成制订学习计划的习惯。

3.方案设计

“方案设计”是虚拟实验教学的创新点，打破以往教师“备”实验、“做”实验，学生“看”实验的传统，其满足了学生根据“目标解读”查阅、选择、设置实验所需的条件，设计实验、进行实验的需要，大大增强了实验教学的自主性和创造性。它分为“实验条件”“实验器材”“实验步骤”三部分，可由操作者统领整个实验操作的进行，更充分体现虚拟实验教学“以学生为本，发掘每一位学习者的智慧和潜力”的全新理念。

“实验条件”包括环境条件，如温度、大气压、光照、湿度等；反应条件，如加热、点燃、催化剂、加压等；尾气处理条件，如有害气体的收集或转化等设置和调控，引导学生自主选择绿色、节能的方案。

“实验器材”的选择很难让学生独立完成，因为此部分会提供给学生多种仪器，包括实验所需和无须的器材，所以在学生点击仪器或药品的时候，系统会给出适当的提示，告诉学习者此器材的功能及适用对象，引导他们选上正确的仪器和药品。这不仅让学生了解实验选用了哪些器材，而且让他们明白为什么选取这些仪器。

不同于传统实验报告给出既定的实验步骤，使学习者“动手不动脑”。“实验步骤”对于验证性实验，会给出打乱顺序的实验操作，对于探究实验，则会让学习者自己设计或补充个别步骤，充分发掘学生的逻辑思维和创新设计能力，提高实验教学的自主性、建构性和探究性。

4.实训基地

“实训基地”分为“实验操作”“现象分析”“数据处理”三部分，其他五个板块为其铺垫和反馈。其中“全真”的实验情景和智能的训练模式对学生的认知结构、实践能力和虚拟实验教学的整体效益进行了系统的检验，也显现了学习者对虚拟实验教学的适应程度。

“实验操作”不限定实验操作程序，由学习者根据在“方案设计”里设计好的实验步骤进行实验。在传统的实验课堂，教师的注意范围有限，不能及时发现和矫正每一位学习者的错误实验行为，而虚拟实验操作系统则不同，它可以优化学习指导形式，使学习者通过交互按钮操控实验，当错选或操作有误时，系统将智能给出矫正提示，转“教”为“导”，及时、准确、科学地引导学习者操作实验，且学习者可以通过互联网邀请学习同伴一起完成实验。

“现象分析”是由学生对实验结果进行描述，系统根据学习者答案与标准答案的相似度打分，这也是实验成绩的一部分。它的优点在于不受标准答案的束缚，给学习者观察、表达、分析、归纳的空间，体现由学生自主获得、加工、意义建构知识的教学环节。

“数据处理”则采用表格、折线图、条形图等表现数据变化情况和规律，使枯燥烦琐的数据处理变得直观、易懂。不但让学习者计算出具体数据，而且学会透过现象看本质，解释反应原理、总结物质的变化规律。

5.在线检测

“在线检测”是检验实验教学质量的重要板块，其分为“牛刀小试”“答案解析”和“在线讨论”三部分。其中“牛刀小试”包括理论题和操作题，且限时作答，多方面检验学生对实验知识掌握的情况。

“牛刀小试”运行时，“在线讨论”则被关闭，构造一种规范化的检测流程，且操作实验时，只要一步出现错误，则不能进行下一步指令，促使学生动脑思考，寻求正确的操作。这一模块确保每一位学习者积极巩固和运用新知，具有很强的自主性和沉浸性。

“答案解析”部分中除了文字解析，还有视频解说，学习者根据各自的需要选择某一段或某一个操作观看，让学生犹如身临现实课堂中，同时有问必答，缓解以往学生“问题扎堆”却无从解决的处境。

“在线讨论”一般用于课后师生互动，及时解答学生的疑惑。不同于QQ、微信、微博等当代社交软件，教师通过对交互系统的设置，控制师生交互权限，使师生和生生之间的对话都在同一个界面进行。这即表明同一个问题由一名学生提出，可以多人讨论交流，既提高在线讨论的效率，防止学生以讨论为由，花费大量的时间聊天，影响学习。

6.最终评价

“教学评价”是通过对教学过程及结果进行判断、鉴定和分析后得出结论，并定量和定性衡量教学质量的手段。“最终评价”分为“操作成绩”“测试得分”和“提升目标”三部分，分别对学生的认知过程、认知能力和未来提升空间进行评估，方便教师及时收到教学反馈并调整教学目标、方法和途径，全面总结学情。

“操作成绩”将详细罗列学习者在每个步骤的操作得分及用时情况，并给出有效的提升建议。此模板利用形成性评价学生在认知过程中的表现，让他们明确自己的薄弱项，长善救失。且让学生之间彼此可见，起到相互检阅、相互激励的效果。

“测试得分”主要针对理论考察结果进行总结性定量评估，并对各个分阶的得分者提出课后强化建议。素质教育背景下，并不意味着废除考试制度，但不能单靠分数来衡量学生。因为适度的分数刺激可以起到激励作用，促使学生产生学习动机，主动求学。

“提升目标”即是系统结合学习者的实验操作和测试情况，智能地、定性地整合出每一位学生独特的认知能力水平，给每一位学习者制订自我提升计划提供有效的定位和指导意见，同时它具有全面性、代表性和针对性，有助于学生及时调整学习态度和方法，查漏补缺。