手機(jī)平臺(tái)虛擬仿真技術(shù)輔助高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐研究

摘要：虛擬仿真技術(shù)作為高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種重要輔助工具，以其高度還原的仿真系統(tǒng)以及交互性、沉浸性和構(gòu)想性等特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，既可以有效避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，還有助于降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)的總體成本。鑒于這些優(yōu)勢(shì)，本文探討了基于手機(jī)平臺(tái)的虛擬仿真技術(shù)如何輔助高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：高中；虛擬仿真技術(shù)；化學(xué)實(shí)驗(yàn)

一、引言

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在提高課堂教學(xué)質(zhì)量、幫助學(xué)生更好地記憶和理解所學(xué)內(nèi)容方面具有重要意義。但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，由于受到實(shí)驗(yàn)操作空間、設(shè)備條件等方面的限制，課堂上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往采取口頭講解或觀看實(shí)驗(yàn)視頻的方式進(jìn)行，這使得學(xué)生在知識(shí)內(nèi)化過(guò)程缺乏感性認(rèn)識(shí)，也無(wú)法深刻體驗(yàn)到做實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的樂(lè)趣。為了解決這一問(wèn)題，可以借助手機(jī)平臺(tái)虛擬仿真技術(shù)。虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用不僅可以規(guī)避實(shí)驗(yàn)中的安全隱患，還能有效解決設(shè)備不足的問(wèn)題，讓學(xué)生能夠參與到實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，從而對(duì)培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)產(chǎn)生積極影響。

二、手機(jī)平臺(tái)虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

（一）安全性較高

在高中階段，學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備相對(duì)較少，特別是在化學(xué)方面，對(duì)于實(shí)驗(yàn)操作還缺乏經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)安全隱患較大。因此，在進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，教師應(yīng)考慮到這些因素，切實(shí)保障學(xué)生的安全。針對(duì)實(shí)驗(yàn)中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，可以采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，避免直接在實(shí)驗(yàn)室中操作具有較強(qiáng)反應(yīng)性的試劑。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更安全地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并在模擬的環(huán)境下理解和掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)內(nèi)容，從而避免潛在的安全隱患。

（二）無(wú)污染

許多化學(xué)原材料帶有一定的危害，但高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)通常需要使用這些化合物和溶劑。據(jù)相關(guān)資料顯示，一些實(shí)驗(yàn)做法與當(dāng)前的生態(tài)環(huán)境保護(hù)理念不符，且未達(dá)到綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求，實(shí)驗(yàn)操作中產(chǎn)生的氣體可能對(duì)環(huán)境造成不良影響。因此，在實(shí)踐中，可以合理引入虛擬仿真技術(shù)，對(duì)某些有害實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，以減少對(duì)環(huán)境的影響[1]。這種替代方法有效避免了化合物和溶劑的使用，不僅無(wú)污染無(wú)危害，而且能夠保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

（三）教學(xué)成本投入少

在傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)校和教師需要準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、試劑和器材，這需要充足的資金支持。但有些學(xué)校受資金限制，難以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)行。通過(guò)調(diào)查可以得知，虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的有效運(yùn)用能夠解決這一問(wèn)題[2]。教師可以利用手機(jī)中的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)獲取實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，避免了實(shí)驗(yàn)成本和資源的限制。這種方式不僅能夠提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與度，還為學(xué)校節(jié)省了資金。

（四）創(chuàng)建更加靈活的教學(xué)模式

在過(guò)去，學(xué)生通常只能在特定時(shí)間里通過(guò)課本學(xué)習(xí)知識(shí)，并且化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)活動(dòng)主要限定在實(shí)驗(yàn)室和教室內(nèi)進(jìn)行。但借助虛擬仿真技術(shù)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的范圍可以擺脫時(shí)間和空間的束縛。學(xué)生可以在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，例如在圖書館、公園、地鐵等各種場(chǎng)所展開實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)。此外，師生還可以通過(guò)手機(jī)APP在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行交流，這樣能夠有效提高教學(xué)模式的靈活性。學(xué)生可以利用碎片時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)，隨時(shí)隨地都有機(jī)會(huì)獲得教師的幫助解決學(xué)習(xí)和探究過(guò)程中面臨的難題。

（五）充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性

近些年，隨著新課程改革的持續(xù)推進(jìn)，教師在教學(xué)中越來(lái)越注重激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。其中，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮著重要作用，通過(guò)多感官刺激，為學(xué)生創(chuàng)造生動(dòng)形象的學(xué)習(xí)情景，促使他們更全面地投入學(xué)習(xí)。借助先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)，及時(shí)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行反饋，不斷增強(qiáng)他們的學(xué)習(xí)自信心，激發(fā)探究欲望，從而提高學(xué)習(xí)效果。

（六）優(yōu)化知識(shí)點(diǎn)的形象性和直觀性

在實(shí)踐過(guò)程中，教師需要根據(jù)教學(xué)需求和課本中的重難點(diǎn)知識(shí)，對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行詳細(xì)講解和分析，以幫助學(xué)生更深入地理解。但在過(guò)去，大部分教師只能依靠口頭語(yǔ)言和視頻來(lái)講解實(shí)驗(yàn)原理，這難以讓學(xué)生對(duì)一些晦澀的知識(shí)點(diǎn)有清晰的理解，同時(shí)也容易讓他們失去對(duì)該學(xué)科學(xué)習(xí)的興趣。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)原理可以變得更加生動(dòng)具體，吸引學(xué)生的注意力并提升他們的學(xué)習(xí)效果。這種技術(shù)可以讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中親身體驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)，從而更直觀地理解實(shí)驗(yàn)原理，并更好地突破重難點(diǎn)知識(shí)。

（七）培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維

虛擬仿真技術(shù)的有效應(yīng)用不僅可以拓寬學(xué)生的知識(shí)視野，還可以培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，為啟發(fā)式和互動(dòng)式教學(xué)提供有力保障[3]。在實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)正逐漸向著“真實(shí)體驗(yàn)”的方向發(fā)展，而不再僅僅局限于公式和文字描述。虛擬仿真技術(shù)具有強(qiáng)大的交互性，能夠讓學(xué)生根據(jù)個(gè)人見解設(shè)計(jì)和驗(yàn)證化學(xué)實(shí)驗(yàn)，自由進(jìn)行研究和創(chuàng)新，深入分析科學(xué)現(xiàn)象背后的真相。通過(guò)這種方式，學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的思維，更好地理解課本之外的知識(shí)，提高觀察能力和思考能力，提升對(duì)知識(shí)的探究欲望，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維。

三、手機(jī)平臺(tái)虛擬仿真技術(shù)在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用策略

（一）理論教學(xué)應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)

在具體的教學(xué)實(shí)踐中，為了有效提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，教師應(yīng)根據(jù)實(shí)際教學(xué)需求充分利用虛擬仿真技術(shù)，并采用更科學(xué)的教學(xué)方法解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題。目前，虛擬仿真技術(shù)的多樣化應(yīng)用能夠減輕學(xué)生的理解難度，幫助他們更好地掌握相關(guān)知識(shí)和技能[4]。因此，在安排化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)針對(duì)實(shí)際需求發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)，以期達(dá)到更佳的教學(xué)效果。理論學(xué)習(xí)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)活動(dòng)應(yīng)與理論課進(jìn)度相協(xié)調(diào)，并結(jié)合學(xué)科要求進(jìn)行實(shí)踐操作。調(diào)研表明，化學(xué)學(xué)科不僅要求學(xué)生理解原理，還要求他們能夠熟練操作。但傳統(tǒng)的以講授為主的教學(xué)模式學(xué)生的參與度較低，依賴筆記來(lái)了解實(shí)驗(yàn)要求和掌握原理，這限制了課堂教學(xué)效果的提升，同時(shí)也影響了學(xué)生的積極性。而借助虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)造接近真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，在理論教學(xué)中搭建模擬場(chǎng)景，使學(xué)生能夠通過(guò)手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行互動(dòng)式實(shí)踐操作，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解和掌握。

（二）化學(xué)實(shí)驗(yàn)組織應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)

在進(jìn)行相關(guān)教學(xué)活動(dòng)時(shí)，教師應(yīng)充分了解虛擬仿真技術(shù)的特性，并結(jié)合教材內(nèi)容，通過(guò)有效設(shè)計(jì)來(lái)發(fā)揮其在教學(xué)中的作用。研究發(fā)現(xiàn)，利用先進(jìn)科技構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)為教學(xué)提供了更廣闊的空間。學(xué)生可以通過(guò)手機(jī)應(yīng)用程序隨時(shí)隨地使用虛擬測(cè)試臺(tái)進(jìn)行操作，這有助于他們更好地理解和掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。實(shí)踐中，開放式的化學(xué)實(shí)驗(yàn)組織方式可以有效克服現(xiàn)實(shí)條件如儀器限制的問(wèn)題[5]。在教學(xué)過(guò)程中，教師可以通過(guò)手機(jī)軟件中的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室來(lái)組織化學(xué)實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)當(dāng)前實(shí)際情況引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目練習(xí)。對(duì)于那些存在危險(xiǎn)或無(wú)法實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教師可以選擇在線進(jìn)行模擬訓(xùn)練，這不僅提高了學(xué)生的理解效率，還加深了他們對(duì)操作流程的記憶。以“原電池”單元為例，為了探究雙液“原電池”的工作原理，教師可以指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。合理規(guī)劃實(shí)驗(yàn)時(shí)間并給予學(xué)生一定的試錯(cuò)機(jī)會(huì)，可以幫助他們?cè)谑謾C(jī)APP上完成虛擬實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)觀察得出正確的結(jié)論：雙液“原電池”的電流表指針偏轉(zhuǎn)幅度大于單液“原電池”，表明前者的效率更高。如圖1所示。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)搭建的場(chǎng)景，學(xué)生可以在接近真實(shí)的環(huán)境下練習(xí)項(xiàng)目，從而更全面地了解和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，更熟練地掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)的組織實(shí)施方法。對(duì)于基礎(chǔ)扎實(shí)且動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生，可以安排他們進(jìn)行更高級(jí)的仿真實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)他們根據(jù)個(gè)人情況改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證假設(shè)，并在此過(guò)程中提升對(duì)關(guān)鍵知識(shí)靈活運(yùn)用的能力。為確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)習(xí)目標(biāo)一致，可以根據(jù)組織目標(biāo)定制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并設(shè)計(jì)適宜的內(nèi)容以滿足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，最大限度地發(fā)揮課程的潛在價(jià)值。

（三）虛擬仿真與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

在進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐時(shí)，教師應(yīng)該清楚地認(rèn)識(shí)到虛擬仿真技術(shù)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助工具，它的作用是有限的，不能完全取代真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。因此，在組織相關(guān)活動(dòng)時(shí)，應(yīng)將仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，以便各自的優(yōu)勢(shì)能夠得到充分發(fā)揮。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以突破現(xiàn)實(shí)條件的限制，打造一個(gè)開放的實(shí)驗(yàn)探究空間；而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)則有助于鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力。

在使用手機(jī)APP進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，人們會(huì)看到這項(xiàng)技術(shù)具有成本低、安全穩(wěn)定、無(wú)污染等一系列優(yōu)點(diǎn)。盡管存在這些優(yōu)勢(shì)，它與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境相比還是有所差異。在手機(jī)APP中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解實(shí)驗(yàn)的變化及過(guò)程，但他們無(wú)法直接操作實(shí)際的實(shí)驗(yàn)器材。因此，教師應(yīng)根據(jù)教材內(nèi)容，在手機(jī)APP上設(shè)計(jì)合適的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，并結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，以便更好地整合資源，幫助學(xué)生順利掌握課程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入不僅能夠?qū)⑾冗M(jìn)的技術(shù)融入課堂教學(xué)，還能幫助教師更好地了解和掌握學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的參與情況，從而及時(shí)優(yōu)化和改進(jìn)教學(xué)方法。此外，它為學(xué)生提供了參與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，使他們能夠直觀地感受實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并深入理解知識(shí)原理和學(xué)科內(nèi)容。例如，在學(xué)習(xí)酸堿中和反應(yīng)時(shí)，學(xué)生可以通過(guò)手機(jī)APP來(lái)模擬不同濃度下的反應(yīng)過(guò)程，借助虛擬仿真技術(shù)觀察酸堿指示劑的顏色變化，并清晰看到不同酸堿濃度對(duì)中和反應(yīng)速率的影響，從而更好地理解反應(yīng)速率與濃度之間的關(guān)系。同時(shí)，教師需要認(rèn)識(shí)到虛擬仿真技術(shù)的局限性，并明確其在教學(xué)中的適用性。在開展教學(xué)活動(dòng)時(shí)，應(yīng)采取科學(xué)有效的方法，使虛擬仿真技術(shù)和傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，既能提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，也有助于他們?cè)诜抡鎸?shí)驗(yàn)中深入理解原理。至于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練，學(xué)生仍需要利用學(xué)校的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行充分的實(shí)踐。

（三）利用虛擬仿真技術(shù)促進(jìn)學(xué)生自主探究

在信息時(shí)代，不少教師仍受到傳統(tǒng)教育觀念的影響，過(guò)分強(qiáng)調(diào)學(xué)生的考試成績(jī)，而忽視了培養(yǎng)他們的實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神。這種偏頗的教育模式限制了學(xué)生思維能力的發(fā)展，阻礙了核心素養(yǎng)的培育。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，教育者需要積極推廣探究式學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)小組合作來(lái)共同探索學(xué)習(xí)內(nèi)容。研究資料表明，由于實(shí)驗(yàn)資源有限，如實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)和設(shè)備的不足，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難讓每個(gè)學(xué)生都參與到實(shí)驗(yàn)探究中。這導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法深入理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理，并且由于參與度不足，他們的動(dòng)手能力也得不到有效提升。為解決這一問(wèn)題，教師可以借助手機(jī)APP中的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓每個(gè)學(xué)生都有機(jī)會(huì)參與實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。學(xué)生可以在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，選擇所需的化學(xué)儀器，并在模擬的真實(shí)場(chǎng)景中進(jìn)行探究。

通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和操作，他們能夠更深刻地理解和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理。因此，合理運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)不僅可以突破時(shí)間和空間的限制，還能有效地促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探究，進(jìn)而在實(shí)踐中不斷提升他們的創(chuàng)新能力和動(dòng)手操作技能。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用具有多方面的優(yōu)點(diǎn)：它不僅安全性高、無(wú)污染、節(jié)省教學(xué)成本，還能夠有效激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，優(yōu)化知識(shí)點(diǎn)的呈現(xiàn)方式，使之更加形象直觀，從而有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。鑒于這些優(yōu)勢(shì)，教師在進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用，以滿足新時(shí)代教育發(fā)展的新要求，并進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生的高效學(xué)習(xí)。通過(guò)合理地結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，教師能夠?yàn)閷W(xué)生創(chuàng)造一個(gè)安全、互動(dòng)和充滿探索精神的學(xué)習(xí)環(huán)境，這不僅有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能夠引導(dǎo)他們?cè)谡莆湛茖W(xué)知識(shí)的同時(shí)，發(fā)展成為具備創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的人才。

作者單位：夏柱學(xué) 甘肅省靜寧縣第二中學(xué)

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