虛擬實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

孫曉東

摘要：在化學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)是非常重要的方法與手段，化學(xué)課程中許多性質(zhì)和結(jié)論都是經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的。傳統(tǒng)的教學(xué)方法已不能滿足學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的探知，隨著教育信息化、智能化、數(shù)字化的發(fā)展，通過(guò)數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)課程，教師和學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)有了新的認(rèn)識(shí)與期待，教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)相比學(xué)生親自動(dòng)手操作更能調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣。虛擬實(shí)驗(yàn)的“虛擬”性，還可以避免學(xué)生在操作過(guò)程中因失誤而造成的教學(xué)事故，對(duì)學(xué)生的身心也是很好的保護(hù)。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)教學(xué)中的探索與應(yīng)用，具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：初中化學(xué) ?虛擬實(shí)驗(yàn) ?課堂教學(xué)

實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)化學(xué)的有效途徑，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以幫助學(xué)生提升學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，發(fā)展學(xué)生的思維，培養(yǎng)創(chuàng)新型人材。據(jù)調(diào)查，教師準(zhǔn)備一節(jié)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課需要花費(fèi)大量時(shí)間，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中又有一定的危險(xiǎn)性，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往達(dá)不到意想的效果，很多一線化學(xué)教師經(jīng)常把“做實(shí)驗(yàn)”變成“講實(shí)驗(yàn)”；這樣表面達(dá)到了教師所預(yù)期的目的，但是卻忽視了學(xué)生思維能力、探究能力的發(fā)展。初中階段的學(xué)生，思維意識(shí)發(fā)展很快，是綜合能力提高的黃金時(shí)期，化學(xué)課堂應(yīng)該為學(xué)生營(yíng)造不斷探索的課堂氛圍，把學(xué)生思維發(fā)展放在第一位，著力提高化學(xué)核心素養(yǎng)。

一、化學(xué)教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的必要性

虛擬實(shí)驗(yàn)是在計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)下構(gòu)建的一種仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其主要特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)的“虛擬”性，操作上更注重實(shí)驗(yàn)的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性。當(dāng)前化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)主要包括演示視頻、實(shí)驗(yàn)視頻、3D課件、VR課件四種方式，都是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)仿真技術(shù)下進(jìn)行的，相對(duì)于傳統(tǒng)的學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)，突破了空間的限制、時(shí)間的約束，還具有安全性高、能隨時(shí)進(jìn)行的特點(diǎn)。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1.讓很多實(shí)驗(yàn)的“不可能”變?yōu)椤翱赡堋薄?/p>

化學(xué)學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)操作是密不可分的，初中化學(xué)教材中有大量的演示實(shí)驗(yàn)，有些實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)，有些實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體對(duì)空氣會(huì)造成污染。以測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)為例，如果裝置氣密性不好，生成的五氧化二磷會(huì)污染空氣；一氧化碳還原氧化鐵實(shí)驗(yàn)與工業(yè)煉鐵結(jié)合在一起，能非常高的調(diào)動(dòng)學(xué)生的求知欲，但是由于一氧化碳有毒并且難以制取，很多教師把做實(shí)驗(yàn)變成了“講實(shí)驗(yàn)”;金屬活動(dòng)性順序中，鈉與水的反應(yīng)能很好的調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，但是由于該反應(yīng)有一定的危險(xiǎn)性，很多學(xué)生對(duì)金屬鈉的認(rèn)識(shí)只停留在課本中，對(duì)反應(yīng)現(xiàn)象只能靠“想象”來(lái)獲取；在燃燒和滅火的教學(xué)中，粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生感受到爆炸所帶來(lái)的危害，很多教師從安全方面考慮，經(jīng)常以播放視頻或圖片的形式對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解，實(shí)驗(yàn)的“真實(shí)性”不強(qiáng)，學(xué)生領(lǐng)悟不深刻。把虛擬實(shí)驗(yàn)引入化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以很好的解決上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中帶來(lái)的不便，教師利用計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，針對(duì)一些具有危險(xiǎn)性或?qū)Νh(huán)境造成一定污染的實(shí)驗(yàn)，在虛擬軟件中選擇所需要的虛擬藥品和儀器，完成實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)，可以避免一切實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的“危險(xiǎn)性”與“不確定”性。

2.對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察更加的清楚，描述更加準(zhǔn)確，將宏觀現(xiàn)象與微觀世界緊密的聯(lián)系在一起，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述都是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。教師在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，有些實(shí)驗(yàn)反應(yīng)速度比較快，如碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)；有些反應(yīng)速度又特別慢，如鐵的生銹，在酸和堿的反應(yīng)中，為了確認(rèn)反應(yīng)是否發(fā)生，我們經(jīng)常會(huì)向酸或堿中加入酸堿指示劑，通過(guò)指示劑顏色的變化來(lái)確認(rèn)反應(yīng)的發(fā)生，當(dāng)PH=7時(shí)，溶液顏色變化很快，老師很難把握到這一變化的過(guò)程，學(xué)生觀察起來(lái)更不容易。以虛擬實(shí)驗(yàn)的形式開(kāi)展以上教學(xué)，利用3D課件技術(shù)，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程“動(dòng)”與“靜”結(jié)合起來(lái)，在實(shí)驗(yàn)中控制反應(yīng)的快慢，可以很詳細(xì)的觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，教師也可以對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行逐步的分析，沒(méi)有了實(shí)驗(yàn)的緊迫性，學(xué)生學(xué)習(xí)效率也會(huì)更高。

在化學(xué)教學(xué)中，很多的化學(xué)變化需要從宏觀與微觀兩個(gè)方面去認(rèn)識(shí)，如電解水實(shí)驗(yàn)，宏觀表示水通電生成了氫氣與氧氣，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生很容易觀察到兩種氣體的生成，微觀描述為水分子在通電的條件下生成氫分子和氧分子，對(duì)于像分子、原子、離子這樣的微觀粒子，我們看不見(jiàn)也摸不到，學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程只能靠豐富的想象力去完成，學(xué)習(xí)興趣也因此大大減弱，利用虛擬軟件中的微觀模型，能形象的演示水分子破裂形成氫原子和氧原子，氫原子和氧原子又重新組合形成新的氫分子和氧分子的過(guò)程。虛擬實(shí)驗(yàn)的演示，教師能盡可能的將微觀世界的變化演示出來(lái)，學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的本質(zhì)有了更加清楚的認(rèn)識(shí)。

3.提高實(shí)驗(yàn)的效率，避免藥品浪費(fèi)，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)器材的不足。

很多農(nóng)村學(xué)校沒(méi)有配備專業(yè)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)老師，化學(xué)學(xué)科教師往往擔(dān)任著多種職務(wù)，既要管理化學(xué)儀器室、實(shí)驗(yàn)室，還要在規(guī)定的時(shí)間完成教學(xué)任務(wù)，由于工作的繁忙，教師很難有充足的時(shí)間走進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室去準(zhǔn)備一個(gè)實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致教材中要求做的實(shí)驗(yàn)經(jīng)常做不全，學(xué)生實(shí)驗(yàn)開(kāi)出率比較低。利用計(jì)算機(jī)虛擬軟件，教師只要在辦公室中熟練操作虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在軟件中選擇所需要的儀器和藥品，就可以用最快的時(shí)間準(zhǔn)備一個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中用到的藥品和儀器都是虛擬存在的，不存在破損與消耗，避免了藥品的浪費(fèi)。對(duì)于一些不經(jīng)常使用的藥品和儀器，例如酒精噴燈、冷凝管，金屬鈉、鎂條等，有的學(xué)校沒(méi)有采購(gòu)，導(dǎo)致有些實(shí)驗(yàn)缺乏儀器和藥品沒(méi)有辦法開(kāi)展，利用虛擬軟件準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行У膹浹a(bǔ)儀器和藥品的短缺問(wèn)題，能夠完全滿足教材中的實(shí)驗(yàn)的需要，實(shí)驗(yàn)成本也隨之下降。

4.提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)學(xué)生探究水平不斷提高。

虛擬實(shí)驗(yàn)不需要固定的實(shí)驗(yàn)室，給學(xué)生提供了更多探究的空間和時(shí)間，學(xué)生不僅能在教室能體會(huì)到虛擬實(shí)驗(yàn)的便捷性，還可在課后利用計(jì)算機(jī)自己探究實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，虛擬實(shí)驗(yàn)不存在危險(xiǎn)性，學(xué)生可以自主選擇時(shí)間、地點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣學(xué)習(xí)能力就會(huì)不斷的增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法和手段也會(huì)越來(lái)越多，還可以利用課余時(shí)間把一些教材中的教師演示實(shí)驗(yàn)用虛擬實(shí)驗(yàn)的形式自己做一遍，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，例如用紅磷燃燒測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)，我們把紅磷換成碳、硫、鐵絲等物質(zhì)后，發(fā)現(xiàn)得不到我們想要的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，此時(shí)會(huì)極大的激發(fā)學(xué)生探究的積極性，直到達(dá)成探究的目的，尋找實(shí)驗(yàn)失敗的原因?！艾F(xiàn)實(shí)”與“虛擬”結(jié)合，“課內(nèi)”與“課外”結(jié)合，對(duì)促進(jìn)學(xué)生探究能力的提高具有重要的意義。不斷強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、尋找實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力也會(huì)不斷的得到提升。

5.極大的激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

現(xiàn)如今，初中學(xué)生對(duì)信息技術(shù)的渴望超過(guò)之前的任何一個(gè)時(shí)期，他們對(duì)虛擬世界的渴望更加強(qiáng)烈，教師通過(guò)正確的引導(dǎo)，將這種期待引入課堂，引入到化學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究中去，讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中感受到信息技術(shù)的發(fā)展，感受到化學(xué)學(xué)科的魅力，滿足學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)很多意想不到的問(wèn)題，從而進(jìn)一步激發(fā)解決問(wèn)題的想法，自己設(shè)計(jì)探究的過(guò)程，班級(jí)中化學(xué)學(xué)習(xí)氛圍就會(huì)變得越來(lái)越濃。

三、初中化學(xué)應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)需要注意的幾個(gè)問(wèn)題

1.不能用虛擬實(shí)驗(yàn)完全代替實(shí)驗(yàn)操作

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是初中化學(xué)教學(xué)的基礎(chǔ)，雖然虛擬實(shí)驗(yàn)相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有很多的優(yōu)勢(shì)，但是教學(xué)中不能用虛擬實(shí)驗(yàn)代替所有的實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)于一些操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象便于觀察、操作難度比較小、不具有危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，教師在演示之后完全可以讓學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行操作，在一次我縣初中學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能大賽中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是二氧化碳的制取與檢驗(yàn)，其中一組學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中出現(xiàn)了很多問(wèn)題，比如裝置氣密性不會(huì)檢驗(yàn)、二氧化碳收集后不會(huì)驗(yàn)滿等；在筆試環(huán)節(jié)學(xué)生卻表現(xiàn)的非常優(yōu)秀，經(jīng)過(guò)與學(xué)生認(rèn)真討論，學(xué)校課堂中的實(shí)驗(yàn)都是以虛擬實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行的，學(xué)生很少親自動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)，整體實(shí)驗(yàn)技能比較差。只有實(shí)驗(yàn)“虛”與“實(shí)”的結(jié)合才能解決長(zhǎng)期因虛擬實(shí)驗(yàn)而導(dǎo)致的學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能低、操作不規(guī)范等問(wèn)題。

2.學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)監(jiān)管缺失，防止出現(xiàn)“假”學(xué)習(xí)

虛擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程學(xué)生能夠獨(dú)立的完成，不需要老師的輔助，當(dāng)學(xué)生獨(dú)自擁有一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有老師、家長(zhǎng)的監(jiān)督，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于初中階段學(xué)生有著不可抵抗的誘惑，很多時(shí)候會(huì)以做實(shí)驗(yàn)的“借口”而沉迷于網(wǎng)絡(luò)。久而久之最初的學(xué)習(xí)目標(biāo)沒(méi)有達(dá)到，反而困為“實(shí)驗(yàn)”養(yǎng)成了很多不良的習(xí)慣，學(xué)習(xí)成績(jī)不斷下降。為了防止以上問(wèn)題的出現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)之前，教師、家長(zhǎng)應(yīng)該對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、時(shí)間、結(jié)果提出一定的要求，提高實(shí)驗(yàn)的時(shí)效性和目的性，讓學(xué)生在有限的時(shí)間去完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并在結(jié)束之后對(duì)整個(gè)過(guò)程及時(shí)的評(píng)價(jià)，解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，讓虛擬實(shí)驗(yàn)為學(xué)生的成長(zhǎng)服務(wù)。

3.虛擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感較低，不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚰M真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和操作過(guò)程，但不能完全代替實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和對(duì)實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)識(shí)。學(xué)生沒(méi)有動(dòng)手操作的過(guò)程，無(wú)法體會(huì)某些真實(shí)的實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)。生石灰和水反應(yīng)會(huì)放出大量的熱，虛擬實(shí)驗(yàn)中學(xué)生通過(guò)溫度計(jì)觀察到隨著反應(yīng)的發(fā)生溫度一直升高，但是這種變化只能靠觀察去認(rèn)識(shí)，沒(méi)有真實(shí)的切身感受，不便于記憶與理解，在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們可以用手去觸摸燒杯的外壁感受溫度的變化，并用放熱、發(fā)燙這些詞去形容放出熱量的多少；硫在氧氣中燃燒會(huì)產(chǎn)生具有刺激性氣味的二氧化硫氣體，虛擬實(shí)驗(yàn)中我們只能用文字去描述這一現(xiàn)象，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中可以讓學(xué)生用實(shí)驗(yàn)室聞氣體味道的方法去嘗試著聞一下二氧化硫氣體的味道，這一過(guò)程所帶來(lái)的感知是虛擬實(shí)驗(yàn)永遠(yuǎn)沒(méi)有辦法達(dá)到的，實(shí)驗(yàn)獲得感相對(duì)比較高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要有嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有真實(shí)實(shí)驗(yàn)要求嚴(yán)格，學(xué)生操作隨機(jī)性強(qiáng)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因錯(cuò)誤操作而造成的后果也沒(méi)有真切的感受，認(rèn)識(shí)不到實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性。每一次動(dòng)手實(shí)驗(yàn)都是對(duì)未知世界的一種探索，只要你有足夠的勇氣、信心與求知欲，都會(huì)有意想不到的收獲，學(xué)生也能在這一過(guò)程中獲得經(jīng)驗(yàn)。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)意義。

1.推動(dòng)化學(xué)課堂教學(xué)，改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念，促進(jìn)教學(xué)改革。

虛擬實(shí)驗(yàn)極大的方便了教師在課堂中部分實(shí)驗(yàn)的演示過(guò)程，使得課堂中融入更多的信息元素，同時(shí)可以打破課堂實(shí)驗(yàn)的限制，將一些受場(chǎng)地、空間、危險(xiǎn)性限制的實(shí)驗(yàn)引入課堂，彌補(bǔ)了在課堂中由于一些因現(xiàn)實(shí)條件的不足而忽略掉的實(shí)驗(yàn)。

2..實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的多樣化。

教材中的實(shí)驗(yàn)更新時(shí)間比較長(zhǎng)，在一定程度上不能適應(yīng)化學(xué)教學(xué)發(fā)展的需要，虛擬實(shí)驗(yàn)具有超前性，更新速度也比較快，能滿足各種實(shí)驗(yàn)的需要，很多在實(shí)驗(yàn)室中無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)，可以在虛擬實(shí)驗(yàn)中找到答案，破解化學(xué)研究中的瓶頸，促進(jìn)化學(xué)學(xué)科快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]?于國(guó)樹(shù). 初中化學(xué)課程虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[D].云南師范大學(xué)，2014.

[2]?竇方義.初中化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略研究[J].中學(xué)課程輔導(dǎo)（教師通訊），2018，No.182（02）：23.