淺析初中化學(xué)課程虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：傳統(tǒng)的初中化學(xué)課堂形式比較單一，教師主要給學(xué)生在課堂中講解教材知識(shí)，缺乏相應(yīng)的實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生的自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)意識(shí)較薄弱，對化學(xué)的感知能力也不夠強(qiáng)。隨著教學(xué)水平的不斷提升和擴(kuò)展，初中化學(xué)課堂中的教學(xué)工具越來越多，“虛擬實(shí)驗(yàn)”就是其中一種。虛擬實(shí)驗(yàn)以其良好的“共享性、可重復(fù)使用性”等特點(diǎn)，逐漸受到各大學(xué)校的重視和運(yùn)用，使得它在教學(xué)中的應(yīng)用日益深入。本文就從“虛擬實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)應(yīng)用出發(fā)，對初中化學(xué)課堂中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法做幾點(diǎn)分析。

關(guān)鍵詞：初中;化學(xué);虛擬實(shí)驗(yàn);教學(xué)設(shè)計(jì);應(yīng)用

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)在當(dāng)前的化學(xué)教學(xué)中，教師要做好課堂方案的設(shè)定，創(chuàng)設(shè)以實(shí)驗(yàn)為主的科學(xué)探究活動(dòng)，并擴(kuò)展課程應(yīng)用，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，全方面培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。基于這個(gè)教學(xué)形式，教師要重視“虛擬實(shí)驗(yàn)”在當(dāng)前初中化學(xué)課堂中的運(yùn)用價(jià)值，營造一種特殊的教學(xué)氛圍。只有這樣才能保證學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)的過程中，能體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的歡愉，感受化學(xué)這門學(xué)科的精髓。

一、 虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)概念和價(jià)值

通過字面意思來理解，“虛擬實(shí)驗(yàn)”是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等科學(xué)技術(shù)，給學(xué)生提供一系列有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和理解。這種虛擬環(huán)境主要建立在計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)之上，能為學(xué)生模擬出真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作過程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，極大地還原了實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和本質(zhì)性。實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中一樣感受實(shí)驗(yàn)過程，通過自己的操作技巧就能完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)技術(shù)多種多樣，而且具有各自的特點(diǎn)和價(jià)值。

比如當(dāng)前初中化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的“Flash技術(shù)”就有很好的平臺(tái)獨(dú)立性和交互性，能為教師帶來獨(dú)特的教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。而且“Flash技術(shù)”的研發(fā)門檻較低，無論是對于研發(fā)者還是使用者來說都比較好駕馭，很多程序員都能進(jìn)行一定的改裝和研發(fā)，教師也能合理的使用“Flash技術(shù)”進(jìn)行教學(xué)講解。當(dāng)使用者登錄虛擬實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)后，就可以進(jìn)行虛擬的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)仿真學(xué)習(xí)。如下圖，就是一種“虛擬實(shí)驗(yàn)”活動(dòng)的模式圖，清楚地展示了虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)、方法和相對應(yīng)的教學(xué)項(xiàng)目。

在虛擬實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)中，有很多操作模塊，主要包括“平臺(tái)介紹、實(shí)驗(yàn)大綱、實(shí)驗(yàn)中心、資源中心、個(gè)人中心、公告通知、幫助中心”等。其中的實(shí)驗(yàn)大綱和資源中心可以根據(jù)班級(jí)的教學(xué)需要，教師自行設(shè)定和更改，制定出符合時(shí)代發(fā)展的化學(xué)教學(xué)方案。資源中心又包括“知識(shí)庫、儀器庫、材料庫、演示視頻、擴(kuò)展資料”等五大模塊，每一模塊都扮演著重要的角色，能為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)帶來前所未有的體驗(yàn)。如果對虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)有什么問題，都可以通過“幫助中心”進(jìn)行疑難解答，或者點(diǎn)擊在線求助，解決使用者的困惑，方便后期的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

二、 虛擬實(shí)驗(yàn)在化學(xué)課程中的教學(xué)設(shè)計(jì)與目的

“化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)”的研發(fā)目的主要在于提高學(xué)生對化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，極大地還原實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，彌補(bǔ)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。由于傳統(tǒng)的化學(xué)課堂缺乏新意，缺乏真實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和科技的教學(xué)工具，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思維和化學(xué)想象力得不到較好的開發(fā)，教師的施教過程也存在一定的難度。而引入了虛擬實(shí)驗(yàn)，能讓化學(xué)課堂更加貼近學(xué)生的生活，使虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加生動(dòng)和形象，避免了教學(xué)漏洞和教學(xué)缺陷。

虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循“科技化”和“虛擬化”的原則，不能照本宣科地將真實(shí)實(shí)驗(yàn)搬到虛擬平臺(tái)上來。這樣不但起不到任何的教學(xué)效果，還不能很好地發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢。為了避免研發(fā)資源的浪費(fèi)，教師要做好每一次虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)方案，提前做好教學(xué)計(jì)劃，設(shè)想出學(xué)生有可能出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)問題，做好彌補(bǔ)措施的工作，以備不時(shí)之需。

虛擬實(shí)驗(yàn)通?；凇癋lash動(dòng)畫”，以“action script”作為腳本語言。作為一線化學(xué)教師，我們的教學(xué)職責(zé)不僅是給學(xué)生講授化學(xué)知識(shí)，還要時(shí)不時(shí)地了解當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)科技，以便研發(fā)出一些化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供切實(shí)可行的教學(xué)環(huán)境。對于虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)方面，我們也要做好詳細(xì)的分析和設(shè)定。在已有的初中化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)中，我們可以推出適合學(xué)生學(xué)習(xí)和感受的新型實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，由學(xué)生自主操作實(shí)驗(yàn)儀器，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓虛擬實(shí)驗(yàn)課堂真正的為學(xué)生服務(wù)。

三、 虛擬實(shí)驗(yàn)在化學(xué)課程中的教學(xué)應(yīng)用與策略

（一） 注重虛擬實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)意識(shí)

“虛擬實(shí)驗(yàn)”的設(shè)計(jì)靈感來自“VR”體驗(yàn)技術(shù)。不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，“虛擬實(shí)驗(yàn)”有著良好的操作性和交互性，極大地避免了資源的浪費(fèi)，學(xué)生能夠很好地體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程，找尋自己需要的實(shí)驗(yàn)材料。我們教師要注重虛擬實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，引進(jìn)符合學(xué)生實(shí)驗(yàn)的化學(xué)教學(xué)元素，加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)和了解。學(xué)生是課堂的主體，是實(shí)驗(yàn)的主要群體，我們教師就負(fù)責(zé)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)情境，指導(dǎo)他們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。主要的實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程還是需要學(xué)生自主完成。這樣才能體現(xiàn)出虛擬實(shí)驗(yàn)的價(jià)值，很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。如果教師過于干涉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，就會(huì)給學(xué)生造成思想誤區(qū)，阻礙他們自身的創(chuàng)新型思維發(fā)展，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)活動(dòng)大打折扣，與最初的教學(xué)目的背道而馳。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的，不僅是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)和反應(yīng)原理，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生良好的化學(xué)實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，帶領(lǐng)他們認(rèn)識(shí)很多實(shí)驗(yàn)器材和其基本的實(shí)驗(yàn)操作流程。所以教師要把虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，既要引入真實(shí)的實(shí)驗(yàn)部分，讓學(xué)生動(dòng)手操作，也要配合虛擬實(shí)驗(yàn)的活動(dòng)，加強(qiáng)學(xué)生自身對化學(xué)的理解和重視，讓學(xué)生為今后更高級(jí)的化學(xué)學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。比如下圖中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)臺(tái)上有漏斗、燒杯、酒精燈、過濾器等，教師要讓學(xué)生明白每一個(gè)實(shí)驗(yàn)器材的用途和使用方法，從化學(xué)學(xué)習(xí)的基本角度出發(fā)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作活動(dòng)。

化學(xué)教學(xué)的精髓就在于“透過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象看本質(zhì)”，同時(shí)這也是每個(gè)化學(xué)教師需要重視的教學(xué)理念。很多化學(xué)方程式都能轉(zhuǎn)換為離子反應(yīng)方程式，教師要在課堂中多引入一些化學(xué)方程式的講解和教學(xué)，從實(shí)質(zhì)性的角度出發(fā)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)向?qū)W生提出相關(guān)問題。比如CO2+Ca（OH）2CaCO3↓+H2O這一化學(xué)方程式，從表面上看，是二氧化碳和氫氧化鈣結(jié)合生成碳酸鈣和水，實(shí)際上是“酸堿中和”反應(yīng)生成水的過程。由于碳酸鈣是白色沉淀，有的學(xué)生不注意實(shí)驗(yàn)器械的輕放，容易打壞器材，教師就可以組織學(xué)生自行虛擬實(shí)驗(yàn)，觀察CO2+Ca（OH）2CaCO3↓+H2O這一反應(yīng)現(xiàn)象，動(dòng)態(tài)生成實(shí)驗(yàn)效果圖。

（二） 強(qiáng)化虛擬實(shí)驗(yàn)的模式，提高學(xué)生的化學(xué)思維

由于虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)苣M產(chǎn)生一個(gè)三度空間的虛擬世界，所以也稱“靈境技術(shù)或人工環(huán)境”。虛擬實(shí)驗(yàn)的前身是“虛擬現(xiàn)實(shí)”，即“Virtual Reality”，簡稱VR，可以利用計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)，為使用者提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬環(huán)境。這種虛擬技術(shù)具有極強(qiáng)的交互性（Interactivity）和構(gòu)想性（Imagination），能讓使用者如同身臨其境一般，觀察三度空間內(nèi)的事物。既然引入了虛擬實(shí)驗(yàn)，我們教師就要將這種虛擬的教學(xué)價(jià)值充分體現(xiàn)出來，讓學(xué)生感受到精確的3D影像世界，從化學(xué)實(shí)驗(yàn)中走向最深處的學(xué)習(xí)境地。我們也可以利用“電子工作臺(tái)”（Electronic Workbench，EWB）的軟件系統(tǒng)，強(qiáng)化虛擬實(shí)驗(yàn)的模式，為學(xué)生提供各種模擬電路和數(shù)字電路，從內(nèi)容上提高學(xué)生的化學(xué)思維。

為了完善虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)活動(dòng)，教師還要從新時(shí)代的教學(xué)角度出發(fā)，制定符合時(shí)代發(fā)展的化學(xué)教學(xué)方案，把變化較多、關(guān)系較為復(fù)雜的化學(xué)例題轉(zhuǎn)換為簡單易懂的實(shí)驗(yàn)分析題，保證學(xué)生能有效解答和高效運(yùn)用。用來畫虛擬圖的軟件有很多，比如3DStudioMax，常簡稱為3dsMax或MAX，是一款可以制作三維動(dòng)畫的虛擬軟件，前身是基于DOS操作系統(tǒng)的3DStudio系列。雖然3dsMax常被廣泛地應(yīng)用于電視及娛樂影視行業(yè)中，但教師也可以適當(dāng)?shù)剡\(yùn)用3dsMax制作出一些實(shí)驗(yàn)效果圖，為學(xué)生提供色彩鮮明、動(dòng)畫多樣的化學(xué)實(shí)驗(yàn)題材，幫助自己找到適合自己的學(xué)習(xí)技巧。學(xué)生也可以自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，用3dsMax繪制出“硫酸和強(qiáng)堿”的實(shí)驗(yàn)效果圖、電解水制作氫氣和氧氣的效果圖、高錳酸鉀制作氧氣的效果圖等，保證實(shí)驗(yàn)效果的真實(shí)有效。

（三） 引入虛擬實(shí)驗(yàn)的活動(dòng)，鍛煉學(xué)生的化學(xué)能力

很多化學(xué)實(shí)驗(yàn)藥品具有危險(xiǎn)性，不適合給學(xué)生在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)課上使用，比如“NH4NO3”“濃硫酸”等，有的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生物還有毒性。如果在實(shí)驗(yàn)課堂中引入了虛擬實(shí)驗(yàn)，就能避免學(xué)生在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中發(fā)生危險(xiǎn)，極大地保證了學(xué)生的安全，還能還原真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情景。比如這樣一道實(shí)驗(yàn)例題：將某種固體與適量的NH4NO3在常溫條件下混合，會(huì)產(chǎn)生一種刺激性氣體，請問此種氣體是什么。這種化學(xué)實(shí)驗(yàn)題，需要學(xué)生具備一定的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，才能選出正確的答案。教師可以引導(dǎo)學(xué)生，讓他們在虛擬實(shí)驗(yàn)的電子白板上，先放置一個(gè)圓形的燒杯，加入少許的NH4NO3溶液，再選擇一個(gè)長型排氣管插入到NH4NO3溶液。然后再分別加入固體，探究反應(yīng)氣體的性質(zhì)。加入的固體可以由學(xué)生自行選擇，比如“氧化鈣”“氯化鈣”“熟石灰”等。通過變換原題條件、結(jié)論，可以在宏觀層面上幫助學(xué)生形成系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)思維，組織學(xué)生合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，得出氣體是氨氣。

通過這種虛擬化的教學(xué)模式，能簡單明了的表現(xiàn)出化學(xué)的實(shí)質(zhì)問題，激發(fā)學(xué)生內(nèi)心的化學(xué)學(xué)習(xí)意識(shí)，保證每節(jié)課的高效性和實(shí)質(zhì)性。教師也能從這個(gè)過程中感受虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)成果，總結(jié)每日的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，為學(xué)生制定出更加完善和有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)。每個(gè)學(xué)生從小接觸到的學(xué)習(xí)環(huán)境不同，化學(xué)思維也不一樣，有的學(xué)生對這些虛擬設(shè)備了解甚微，不感興趣，甚至不知道如何入手學(xué)習(xí)。這時(shí)我們也不能過于苛責(zé)他們，而是要耐心地給其引導(dǎo)和講解，有效的培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和實(shí)驗(yàn)技巧，加深他們對虛擬實(shí)驗(yàn)的理解，配合教學(xué)課堂的有效進(jìn)行?；瘜W(xué)基礎(chǔ)好的同學(xué)，也可以充當(dāng)班級(jí)的“小老師”，輔助教師的教學(xué)工作，帶領(lǐng)其他同學(xué)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)的探究過程，師生互助教學(xué)，共同營造良好的化學(xué)實(shí)驗(yàn)氛圍。

加入了“虛擬實(shí)驗(yàn)”的化學(xué)課堂，具有時(shí)代性和科技性，能夠克服化學(xué)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的諸多弊端，帶動(dòng)學(xué)生對化學(xué)的學(xué)習(xí)熱情，對化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大有裨益。作為新時(shí)期的化學(xué)教師，我們要看到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端，擺脫傳統(tǒng)應(yīng)試教育思想的諸多限制，為學(xué)生設(shè)定出一套有價(jià)值的化學(xué)學(xué)習(xí)方案。在日常的化學(xué)教學(xué)過程中，我們要把單一的教學(xué)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴皩?shí)驗(yàn)為主、虛擬實(shí)驗(yàn)為輔”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，并注重虛擬實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)意識(shí)。只有這樣才能不斷強(qiáng)化虛擬實(shí)驗(yàn)的模式，從本質(zhì)上提高學(xué)生的化學(xué)思維，全方面的鍛煉學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)能力。

作者簡介：

王海云，江蘇省南通市，江蘇省如皋初級(jí)中學(xué)。