虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索

秦建進(jìn)

（甘肅省金塔縣第三中學(xué)，甘肅金塔 735300）

隨著教育信息化2.0 的發(fā)展，初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)也在不斷地推陳出新，其中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)就是一項(xiàng)新技術(shù)。整合化學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，是提高學(xué)生化學(xué)素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)探究技能的主要途徑。為此，教師應(yīng)該明確虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用意義，依托于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的功能和優(yōu)勢，合理地策劃實(shí)驗(yàn)教學(xué)計劃，帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)設(shè)計、操作探究等過程，增強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)活動的參與感和體驗(yàn)感，從而持續(xù)地提升初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用意義

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是基于仿真軟件的新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，主要是指教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)課的目標(biāo)和內(nèi)容，綜合利用信息資源和仿真軟件，為學(xué)生構(gòu)建虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)猜想、設(shè)計、操作、觀察、結(jié)論研討等活動，以此拓展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究空間，破除傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ酱嬖诘姆e弊。筆者簡單介紹虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用意義：

首先，應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有利于調(diào)動學(xué)生的探索積極性。學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)正處在形成階段，以往教師通常是先讓學(xué)生通過課本閱讀，了解實(shí)驗(yàn)的原理和步驟，再組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀摩或操作，過程耗時長且枯燥無味，無法迅速喚起學(xué)生的探索動機(jī)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有良好的人機(jī)交互性，能夠直觀地為學(xué)生呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和器材，把書本上靜態(tài)的文字、圖片轉(zhuǎn)化成生動、立體的情景，從而縮短實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入的時間，使學(xué)生對化學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生求知欲和探索欲。其次，應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有利于彌補(bǔ)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)資源的不足。由于資源和條件有缺陷，很多實(shí)驗(yàn)課題無法在真實(shí)環(huán)境下實(shí)施，比如微觀實(shí)驗(yàn)、危險性較高的實(shí)驗(yàn)等等，學(xué)生只能憑借教材或現(xiàn)成的視頻課件粗淺地了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和操作流程，很難形成深刻的實(shí)驗(yàn)認(rèn)知。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)依靠信息技術(shù)的支持，能夠?qū)⑽⒂^實(shí)驗(yàn)可視化，使危險實(shí)驗(yàn)變得可行，從而確?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)效性。最后，應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有利于教師管理和評價化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程。在傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，教師對實(shí)驗(yàn)過程存在輔導(dǎo)不便捷、考核不及時等問題，難以關(guān)注每個小組、每個學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作情況，總結(jié)評價也比較簡略，影響學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)反思。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作流程非常易于控制，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)方法在軟件中也有據(jù)可查，教師可以靈活、便捷地參與實(shí)驗(yàn)管理和輔導(dǎo)，及時糾正學(xué)生的操作錯誤。在最終的實(shí)驗(yàn)評價階段，師生也可以利用軟件中的實(shí)驗(yàn)記錄詳細(xì)地研究結(jié)論，探討實(shí)驗(yàn)過程中的疏漏，從而提高教師對化學(xué)實(shí)驗(yàn)的管理和評價效率［1］。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用策略

（一）創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入情境，激發(fā)學(xué)生探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的興趣

學(xué)生接觸化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的時間尚短，教師如果直接發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)，容易給學(xué)生造成認(rèn)知理解壓力，不利于后續(xù)實(shí)驗(yàn)活動的開展。因此，教師必須考慮學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)，做好實(shí)驗(yàn)教學(xué)的激趣導(dǎo)學(xué)工作。情境創(chuàng)設(shè)法適用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的導(dǎo)入，教師應(yīng)該根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課題采集有關(guān)的信息資源和生活資源，創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入情境，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合情境了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康模鞒龀醪降膶?shí)驗(yàn)假設(shè)，從而激發(fā)學(xué)生探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的興趣。具體教學(xué)方法如下：

在創(chuàng)設(shè)導(dǎo)入情境時，教師應(yīng)該立足實(shí)驗(yàn)課題，篩選適宜的情境素材，并且這些素材要聯(lián)系生活和學(xué)生的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)。如教師可以選擇化學(xué)知識在生活中的應(yīng)用實(shí)例，并以圖片、文字、短視頻等形式展示出來，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境，設(shè)計問題引導(dǎo)學(xué)生開展情境討論。之后教師再揭示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)，啟發(fā)學(xué)生結(jié)合已有的知識經(jīng)驗(yàn)提出實(shí)驗(yàn)假設(shè)或猜想，從而加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課題的理解，達(dá)到激趣的目的。如在關(guān)于氨堿法制純堿的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課上，教師就可以用電子白板出示饅頭的圖片，同時提出生活常識性的問題：假如做饅頭的面團(tuán)發(fā)酸了該怎么辦？學(xué)生回答加食用堿。教師引出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課題：制純堿實(shí)驗(yàn)耗時比較長，所以我們要在虛擬軟件上完成這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。真實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)的原理都是相同的，請大家閱讀氨堿法的工藝介紹資料，回顧學(xué)過的化學(xué)知識，合作討論制純堿的實(shí)驗(yàn)方法和原理。學(xué)生交流后反饋猜想：用氨堿法制純堿，可以把氯化鈉、石灰石、氨氣作為原料，將氨氣通入飽和食鹽水中生成氨鹽水，再通入二氧化碳，生成溶解度較小的碳酸氫鈉沉淀和氯化銨溶液，經(jīng)過濾和洗滌得到HaHCO3的微小晶體，最后加熱煅燒制得純堿產(chǎn)品。這樣在實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入情境的驅(qū)動下，學(xué)生能夠自主構(gòu)建可行的實(shí)驗(yàn)猜想，對化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)活動產(chǎn)生濃厚的參與興趣［2］。

（二）組織實(shí)驗(yàn)方案交流，鍛煉學(xué)生設(shè)計虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的能力

學(xué)生在正式參與化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)探究之前，需要先形成比較完善的實(shí)驗(yàn)方案，然后按部就班地在軟件平臺上操作。以往實(shí)驗(yàn)方案一般由教師提供，學(xué)生缺少自主思考和設(shè)計的機(jī)會，后續(xù)操作的機(jī)械性較強(qiáng)。為此，在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時，教師應(yīng)該發(fā)揮學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案的主體性，組織學(xué)生分組交流、編制實(shí)驗(yàn)方案，對實(shí)驗(yàn)流程作出合理預(yù)設(shè)，從而鍛煉學(xué)生設(shè)計虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的能力。具體教學(xué)方法如下：

在組織學(xué)生交流化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方案時，教師應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系在導(dǎo)入環(huán)節(jié)提出的猜想，以小組為單位討論和設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，將操作步驟和要點(diǎn)細(xì)化分解，在練習(xí)紙上用“→”把各步驟連接起來，并標(biāo)注每步的注意事項(xiàng)和控制措施。教師還可以巡視、提問，引導(dǎo)學(xué)生闡述實(shí)驗(yàn)設(shè)計依據(jù)，促進(jìn)學(xué)生動腦、動口，形成自主設(shè)計虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方案的意識和能力。如在關(guān)于酸堿中和反應(yīng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)具有微觀的特點(diǎn)，學(xué)生提出的假設(shè)是氫氧化鈉溶液可以和鹽酸發(fā)生中和反應(yīng)。教師利用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件展示燒杯、氫氧化鈉溶液、酚酞溶液、紫色石蕊溶液、稀鹽酸、膠頭滴管、玻璃棒等，組織學(xué)生四人一組進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)方案的討論和設(shè)計活動。學(xué)生反饋方案：在燒杯中加入約10ml 的氫氧化鈉溶液→滴入幾滴酚酞溶液→用玻璃棒攪拌→用膠頭滴管緩慢地滴加稀鹽酸，不斷攪拌溶液，直至溶液無色。教師提問：為什么大家在方案中使用酚酞溶液做指示劑，而沒有選擇紫色石蕊溶液？學(xué)生闡述依據(jù)：因?yàn)樽仙锶芤涸趬A性溶液中顯現(xiàn)藍(lán)色，在中性溶液中顯現(xiàn)紫色，兩種顏色的變化和過渡很相近，不利于實(shí)驗(yàn)觀察［3］。這樣通過交流實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生就能對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作流程了然于心。

（三）應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，帶領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的過程

學(xué)生在經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)猜想和方案交流活動后，已經(jīng)做好開展化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)探究的充足準(zhǔn)備。教師應(yīng)該將虛擬實(shí)驗(yàn)軟件和平臺開放給學(xué)生，利用軟件的模擬場景和仿生功能，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)先前編制的實(shí)驗(yàn)方案在軟件和平臺上進(jìn)行自主操作，從而感受接近于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程，積累充足的動手實(shí)操經(jīng)驗(yàn)。具體教學(xué)方法如下：

在應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究時，教師應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生先打開計算機(jī)中的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，了解軟件平臺所提供的實(shí)驗(yàn)器材，然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)前的猜想和流程計劃，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊軟件界面的選項(xiàng)，在虛擬環(huán)境下開展實(shí)驗(yàn)操作［4］。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件為學(xué)生提供了試錯和改錯的機(jī)會，如果學(xué)生出現(xiàn)操作失誤，教師就可以指導(dǎo)學(xué)生點(diǎn)擊退回上一步的選項(xiàng)重新操作，幫助學(xué)生扎實(shí)地掌握實(shí)驗(yàn)的技術(shù)要點(diǎn)。如在關(guān)于白磷燃燒前后質(zhì)量測定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在氣球易破裂、白煙逸出等缺點(diǎn)，教師應(yīng)用NOBOOK 虛擬實(shí)驗(yàn)軟件改進(jìn)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在教師的指示下啟動軟件平臺，界面上出現(xiàn)錐形瓶、細(xì)沙、鑷子、白磷、氣球、橡膠塞、酒精燈、天平等器材。學(xué)生熟悉器材后，點(diǎn)擊鼠標(biāo)開始實(shí)驗(yàn)操作：將細(xì)沙均勻鋪滿錐形瓶底部，用鑷子夾一小塊白磷放入瓶中，瓶口安裝一個帶有玻璃導(dǎo)管和氣球的橡膠塞，玻璃管的下端接觸到白磷，把整個裝備放到托盤天平上，記錄裝備的質(zhì)量；在天平上取下錐形瓶，將橡膠塞上的玻璃管放在酒精燈的火焰上灼燒一分鐘左右，快速塞緊瓶口，引燃白磷反應(yīng)一段時間，等錐形瓶冷卻之后，再放到天平上測量和記錄質(zhì)量。操作結(jié)束后，有的學(xué)生反映白磷沒有被引燃，還有學(xué)生得到的結(jié)果是前后質(zhì)量不等，這時教師可以讓學(xué)生回看軟件中的實(shí)驗(yàn)錄像，分析探討出現(xiàn)失誤的步驟，返回到該步驟進(jìn)行二次操作。這樣在虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的支持下，學(xué)生操作化學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力得到大幅提高。

（四）加強(qiáng)虛擬實(shí)驗(yàn)觀察，指導(dǎo)學(xué)生填寫虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的報告

現(xiàn)象觀察是化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。過往部分學(xué)生的注意力集中在軟件界面操作上，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察不夠仔細(xì)，導(dǎo)致學(xué)生錯失一些重要的細(xì)節(jié)，降低實(shí)驗(yàn)探究的成效。為此，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)觀察，在操作的基礎(chǔ)上密切關(guān)注實(shí)驗(yàn)對象的變化情況，并把觀察所獲填寫到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)報告中，并將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)論的研究依據(jù)。具體教學(xué)方法如下：

在引導(dǎo)學(xué)生觀察化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象時，教師應(yīng)該根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)操作步驟提醒學(xué)生認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)對象的狀態(tài)、顏色變化、氣體排放等情況，指導(dǎo)學(xué)生把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象歸納成簡潔、準(zhǔn)確的語言，記錄在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)報告單上。如在關(guān)于一氧化碳還原氧化鐵的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所用的藥品具有危險性，教師采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的形式開展。在實(shí)驗(yàn)的過程中，教師要提醒學(xué)生觀察：用酒精噴燈加熱玻璃管中的氧化鐵粉末，粉末顏色有什么變化？澄清的石灰水發(fā)生哪些變化？尾氣燃燒時產(chǎn)生什么現(xiàn)象？學(xué)生觀察后口頭反饋：氧化鐵粉末逐漸從紅色變成黑色，澄清的石灰水變渾濁，尾氣燃燒時產(chǎn)生藍(lán)色的火焰。教師指導(dǎo)學(xué)生把這些內(nèi)容填寫在實(shí)驗(yàn)報告單上。這樣通過加強(qiáng)對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的觀察，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就能產(chǎn)生清晰、完整的認(rèn)識［5］。

（五）研究虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論，彌補(bǔ)學(xué)生反思虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的不足

在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的最后一步就是研究實(shí)驗(yàn)結(jié)論。由于學(xué)生操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的過程和能力都存在差異性，部分學(xué)生可能會對正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論產(chǎn)生疑問。教師在結(jié)論研究環(huán)節(jié)，應(yīng)該組織學(xué)生之間協(xié)作交流，相互分享實(shí)驗(yàn)成果和觀點(diǎn)，彌補(bǔ)學(xué)生自主反思實(shí)驗(yàn)操作中的不足，對實(shí)驗(yàn)結(jié)論形成透徹的理解。具體教學(xué)方法如下：

在研究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)論時，教師應(yīng)該把結(jié)果探討和互動評價結(jié)合起來，引導(dǎo)學(xué)生回顧虛擬實(shí)驗(yàn)軟件中的錄像，參考實(shí)驗(yàn)報告單中的現(xiàn)象記錄，合作分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和課前假設(shè)是否相符。對于沒有獲得理想實(shí)驗(yàn)成果的學(xué)生，教師需要組織學(xué)生互動評價實(shí)驗(yàn)流程和操作方法，糾查其中是否存在失誤和錯漏，幫扶學(xué)生改進(jìn)和完善實(shí)驗(yàn)操作技巧［6］。如在教學(xué)“金屬資源的利用和保護(hù)”一課時，教師可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生演示一氧化碳、氧化鐵的反應(yīng)過程，讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)步驟，同時分析若出現(xiàn)操作失誤會產(chǎn)生哪些實(shí)驗(yàn)后果。比如虛擬實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)未做尾氣處理的提示，這表示需要排出尾氣，但不能在空氣中隨意排放，以防CO 的劇毒泄出；試管炸裂是由于在點(diǎn)燃酒精燈后才通入CO；而液體倒吸則是由于先停止通入CO 后再停止加熱。學(xué)生可以通過反思實(shí)驗(yàn)中的不同現(xiàn)象，思考產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)后重新實(shí)驗(yàn)。教師還應(yīng)提示學(xué)生鐵釘需平放入實(shí)驗(yàn)容器，水要蓋過鐵釘。通過虛擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只與氧氣或只與水接觸不會使鐵釘生銹，但鐵釘與氧氣和水同時接觸會生銹。

三、結(jié)語

總而言之，在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，不僅有利于調(diào)動學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探索積極性，還能提高教師對化學(xué)實(shí)驗(yàn)的管理和評價效率。教師應(yīng)該針對具有危險性、污染性、可操作性低的實(shí)驗(yàn)課題，實(shí)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入情境、組織實(shí)驗(yàn)方案交流、指導(dǎo)軟件平臺操作、加強(qiáng)虛擬實(shí)驗(yàn)觀察、研究虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論等路徑，培養(yǎng)學(xué)生探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的興趣和能力，從而使初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式得到革新。