“虛實(shí)結(jié)合”—基于仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建融合教學(xué)情境

胡力丹，陶 悅，楊 濤，宋 潔*

（淮陰師范學(xué)院，江蘇 淮安 223300）

0 前言

教學(xué)情境是指對教學(xué)行為有重要影響的各種物質(zhì)的、制度的、精神的因素構(gòu)成的課堂環(huán)境和氛圍[1]。杜威認(rèn)為探究學(xué)習(xí)的首先環(huán)節(jié)就是情境，可見教學(xué)情境的重要性[2]?；瘜W(xué)教學(xué)情境是指化學(xué)課堂教學(xué)的教師就具體教學(xué)內(nèi)容所創(chuàng)設(shè)具體情景的認(rèn)知邏輯、情感、行為、社會(huì)的發(fā)展等方面背景的綜合體[3]。《化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中提到“實(shí)驗(yàn)是化學(xué)學(xué)科的重要組成部分，要讓化學(xué)學(xué)科以及化學(xué)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合，合理使用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)”，在學(xué)科教學(xué)方法指導(dǎo)中強(qiáng)調(diào)，“重視學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)”[4]。

王后雄等對化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中情境素材建議的研究中指出：課程標(biāo)準(zhǔn)中“情境素材建議”來源廣泛，教師要搜集更多、更好的情境素材擇優(yōu)使用，特別是化學(xué)實(shí)驗(yàn)，是一種典型的、具有學(xué)科特質(zhì)的實(shí)踐類情境，教師在教學(xué)中要多加使用[5]。但是，受到高考方案、資源限制、教師觀念等因素的影響，中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)被淡化[6]，具有學(xué)科特質(zhì)的教學(xué)情境難以構(gòu)建，教學(xué)效果遠(yuǎn)達(dá)不到課標(biāo)的要求。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入中學(xué)化學(xué)課堂，不僅可以降低實(shí)驗(yàn)投資成本，學(xué)生還可以親手模擬實(shí)驗(yàn)，“NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)”（簡稱NB實(shí)驗(yàn)）化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室操作簡單、體驗(yàn)感強(qiáng)，各種師生互動(dòng)性實(shí)驗(yàn)不斷被開發(fā)，吸引了教育研究者的興趣[7-9]。本文將探究以NB虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為載體課堂情境構(gòu)建，探索NB實(shí)驗(yàn)的在中學(xué)的應(yīng)用實(shí)例，為中學(xué)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供一定的參考，也為教學(xué)改革找到新方向。

1 NB虛擬實(shí)驗(yàn)簡介

NB實(shí)驗(yàn)是由北京樂步公司于2014年開發(fā)的一款功能齊全的虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件，包括物理、化學(xué)、生物和小學(xué)科學(xué)4門學(xué)科的實(shí)驗(yàn)，與全球上萬所學(xué)校、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)、教育信息化平臺合作良好。NB實(shí)驗(yàn)平臺可以在電腦、手機(jī)、平板等多媒

體終端上使用。NB化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室是一款為初高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)工具，包含500多項(xiàng)初高中演示實(shí)驗(yàn)以及互動(dòng)課件資源，涵蓋了253種常見藥品和117種實(shí)驗(yàn)儀器等素材庫，可以在虛擬環(huán)境下演示資源中的經(jīng)典化學(xué)實(shí)驗(yàn)[8]。NB化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室具有界面簡潔、操控方便、現(xiàn)象明顯，趣味性和交互性強(qiáng)等特點(diǎn)，還可以根據(jù)需要，選擇資源庫中的藥品和器材搭建創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，并可保存或上傳至云平臺，方便教師調(diào)用和共享，總體使用感較好。

2 化學(xué)課堂常用情境素材

實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)情境中常用的情境素材有真實(shí)實(shí)驗(yàn)，視頻資料或圖片，以及仿真實(shí)驗(yàn)等，從參與感、互動(dòng)性、經(jīng)費(fèi)投入、污染性、危險(xiǎn)性、便捷性幾個(gè)方面分析以上素材的特點(diǎn)，如表1所示。

表1 不同教學(xué)情境素材的特點(diǎn)對照表

目前的教學(xué)實(shí)際中，視頻素材經(jīng)常被用來代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果并不理想，學(xué)生不能被帶入真實(shí)的情境中，而虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真度和互動(dòng)性更強(qiáng)，教師可根據(jù)學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件、課堂教學(xué)需要，并結(jié)合自身教學(xué)風(fēng)格和習(xí)慣，將不同類型的虛擬實(shí)驗(yàn)素材作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，合理有效地應(yīng)用于課堂教學(xué)情境的構(gòu)建，切實(shí)提高課堂教學(xué)質(zhì)量和效率。NB實(shí)驗(yàn)素材的應(yīng)用場景有以下幾種：

3 虛實(shí)結(jié)合融合教學(xué)情境案例

化學(xué)實(shí)驗(yàn)開展要以安全為前提，《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中提到，化學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)注重安全問題。在現(xiàn)實(shí)中，部分實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性（如涉及濃硫酸、濃硝酸、過氧化氫的實(shí)驗(yàn)），這些管制化學(xué)品具有強(qiáng)氧化性、腐蝕性或毒性，購買和管理相對復(fù)雜；另外一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較劇烈（如鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)、濃硫酸的脫水性實(shí)驗(yàn)），在防護(hù)不達(dá)標(biāo)的情況下可能存在安全隱患；還有一類實(shí)驗(yàn)涉及毒有害物質(zhì)，如高中必修中氯氣、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮等氣體的制備和性質(zhì)，教師通常提前在實(shí)驗(yàn)室制取，上課時(shí)帶給學(xué)生觀察或做性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，制備過程、儀器裝置特征的分析只能依靠實(shí)驗(yàn)視頻或圖片，代入感不強(qiáng)，難以融入實(shí)驗(yàn)情境，學(xué)生主要通過記憶的方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的目的。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，可以構(gòu)建豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境

以《濃硫酸的性質(zhì)》為例，在構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境時(shí)可以選用的素材分別是：教師演示真實(shí)實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)視頻、NB仿真實(shí)驗(yàn)，NB實(shí)驗(yàn)提供了以下三個(gè)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的仿真實(shí)驗(yàn)：濃硫酸和蔗糖反應(yīng)、濃硫酸和銅反應(yīng)，濃硫酸和碳反應(yīng)。教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件選擇適合的情境組合方案，如表2所示，情境方案1-3分別是單獨(dú)使用某一種實(shí)驗(yàn)素材，4、5是三種素材組合使用，在方案5中，濃硫酸和蔗糖的反應(yīng)可以直接演示，再通過仿真實(shí)驗(yàn)，比較反應(yīng)物量不同時(shí)，該反應(yīng)的劇烈程度，讓學(xué)生感受危險(xiǎn)的相對性和可控性。濃硫酸和銅的反應(yīng)教師可直接演示，對照稀硫酸和銅的反應(yīng)，指導(dǎo)學(xué)生觀察、檢驗(yàn)產(chǎn)物、注意反應(yīng)條件并正確書寫反應(yīng)方程式。濃硫酸和碳的反應(yīng)裝置相對復(fù)雜，可安排演示實(shí)驗(yàn)視頻，快速觀看完之后，讓學(xué)生利用仿真實(shí)驗(yàn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，從反應(yīng)裝置、收集裝置、檢驗(yàn)、尾氣處理、反應(yīng)條件等方面展開討論，把考點(diǎn)直觀地展示在分析過程中，對于基礎(chǔ)比較好的同學(xué)，還可以鼓勵(lì)他們結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置總結(jié)討論本節(jié)課的重點(diǎn)、難點(diǎn)及考點(diǎn)，構(gòu)建全體同學(xué)參與的沉浸式實(shí)驗(yàn)課堂。

表2 不同實(shí)驗(yàn)素材構(gòu)建化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境示例

4 NB實(shí)驗(yàn)的其他功能

NB實(shí)驗(yàn)涉及的內(nèi)容較廣泛，可根據(jù)關(guān)鍵詞搜索相關(guān)實(shí)驗(yàn)，如搜索“噴泉”，會(huì)顯示三個(gè)不同的噴泉實(shí)驗(yàn)：氯化氫噴泉、二氧化碳噴泉、鋅和硫酸噴泉，教師可以靈活對比相關(guān)實(shí)驗(yàn)，組織學(xué)生探究分析討論“產(chǎn)生噴泉的實(shí)質(zhì)”。如搜索“鈉”，將顯示與“鈉”有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)梳理知識，訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維，將知識網(wǎng)絡(luò)化，提高應(yīng)用能力。

NB結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)通過三維動(dòng)畫的形式，形象地展示了原子結(jié)構(gòu)、電子云、雜化軌道等抽象概念，還有涵蓋元素周期表中所有元素的原子核外電子排布，學(xué)生可以在游戲化的互動(dòng)課件中練習(xí)，系統(tǒng)設(shè)置了錯(cuò)誤提示，直至正確完成。仿真度和互動(dòng)性較強(qiáng)，得到師生的認(rèn)可。

此外，NB實(shí)驗(yàn)還提供了試錯(cuò)功能，如高錳酸鉀制取氧氣實(shí)驗(yàn)中，教師會(huì)提醒學(xué)生：固體原料的加熱操作中，試管口要略向下傾斜，否則生成的水，或者是樣品中含有的水可能讓試管炸裂。這個(gè)過程無論在教師演示，還是實(shí)驗(yàn)視頻中都難以展示，NB實(shí)驗(yàn)可以模擬試管略向上傾斜時(shí)，試管炸裂的場景，說明了規(guī)范操作的重要性，強(qiáng)化學(xué)生的安全意識。

5 結(jié)論

NB為化學(xué)實(shí)驗(yàn)情境的構(gòu)建提供了豐富的資源，教師在實(shí)際應(yīng)用中的不斷探索，能夠?qū)虒W(xué)產(chǎn)生積極的影響。當(dāng)然，該軟件平臺的應(yīng)用還需要得到以下幾方面的支持：

（1）電腦設(shè)備基本普及的情況下，學(xué)校還需要花費(fèi)一定的費(fèi)用購買軟件使用權(quán)，確保軟件能夠很好地運(yùn)行；

（2）開始使用時(shí)，教師需要經(jīng)過一段時(shí)間的練習(xí)，熟悉掌握軟件平臺的操作，因此，教師需要抱有開放學(xué)習(xí)的心態(tài)，將更能有效發(fā)揮仿真實(shí)驗(yàn)在課堂中的作用；

（3）NB公司應(yīng)提供優(yōu)質(zhì)的技術(shù)支持，確保軟件流暢應(yīng)用的基礎(chǔ)上，廣泛征集一線教師的意見，積極回應(yīng)教師提出的個(gè)性化要求，鼓勵(lì)和支持教師開發(fā)創(chuàng)新仿真實(shí)驗(yàn)，真正將仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)融合應(yīng)用。

開發(fā)和應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)符合信息技術(shù)與教學(xué)結(jié)合的教育政策需求，其目的是更好地為中學(xué)化學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)，讓教師易教，讓學(xué)生易學(xué)，切實(shí)提高課堂教學(xué)效果。此外，仿真實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用是教學(xué)改革研究的新方向。