基于矩道虛擬實(shí)驗室的化學(xué)反應(yīng)模擬對學(xué)生學(xué)科理解的影響研究

摘要：隨著教育技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗室逐漸成為高中化學(xué)教學(xué)的重要輔助工具之一.本研究旨在探索矩道虛擬實(shí)驗室在化學(xué)反應(yīng)教學(xué)中的應(yīng)用，并分析其對學(xué)生學(xué)科理解的影響.研究發(fā)現(xiàn)，虛擬實(shí)驗室能顯著提升學(xué)生的實(shí)驗設(shè)計與分析能力，加深學(xué)生對化學(xué)知識的理解，同時也能激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究精神和批判性思維.

關(guān)鍵詞：矩道虛擬實(shí)驗室；化學(xué)反應(yīng)模擬；學(xué)科理解；高中化學(xué)

中圖分類號：G632文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1008-0333（2025）09-0131-03

矩道虛擬實(shí)驗室利用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，創(chuàng)建了一個模擬的化學(xué)實(shí)驗環(huán)境，使學(xué)生能夠在沒有實(shí)驗風(fēng)險的情況下，進(jìn)行各種化學(xué)反應(yīng)的實(shí)驗操作.這種新型教學(xué)方法不僅能增強(qiáng)學(xué)生的安全感，還能通過動態(tài)模擬和實(shí)時互動，提升教學(xué)的可達(dá)性和效果.本研究探討了矩道虛擬實(shí)驗室在化學(xué)反應(yīng)模擬中的實(shí)際應(yīng)用，并評估了其對提高學(xué)生學(xué)科理解和核心素養(yǎng)的作用.

1化學(xué)反應(yīng)模擬教學(xué)的設(shè)計與實(shí)施

1.1教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容設(shè)計

在高中化學(xué)教學(xué)中，確保教學(xué)目標(biāo)與課程標(biāo)準(zhǔn)一致是設(shè)計教學(xué)活動的首要任務(wù).這些目標(biāo)不僅要求學(xué)生掌握化學(xué)知識，還應(yīng)培養(yǎng)他們的實(shí)驗技能、科學(xué)思維及問題解決能力.

以“化學(xué)平衡”的實(shí)驗教學(xué)為例，在化學(xué)教學(xué)中，該主題的模塊旨在達(dá)成幾個關(guān)鍵教學(xué)目標(biāo)，一是確保學(xué)生能夠理解化學(xué)平衡的基本原理，包括反應(yīng)的可逆性和達(dá)到平衡狀態(tài)的條件.二是學(xué)生應(yīng)能夠?qū)嶋H操作并觀察影響化學(xué)平衡的因素，如溫度和壓力.

為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，教師可以利用矩道虛擬實(shí)驗室設(shè)計一系列教學(xué)活動，深入探討碳酸鈣分解的平衡過程.活動開始時，教師將引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)碳酸鈣分解成二氧化碳和氧化鈣的化學(xué)方程式，并討論該反應(yīng)的可逆性.接著，教師將介紹實(shí)驗操作界面，講解如何在虛擬實(shí)驗室中調(diào)整溫度和壓力，以模擬實(shí)際實(shí)驗環(huán)境.

在虛擬實(shí)驗的操作中，學(xué)生將有機(jī)會自行調(diào)整條件，觀察這些變化如何影響碳酸鈣的分解速率及平衡狀態(tài).通過這一過程，學(xué)生可以實(shí)時獲取并分析數(shù)據(jù)，從而觀察平衡常數(shù)如何隨外部條件的變化而變化[1].教師將引導(dǎo)學(xué)生討論他們的觀察結(jié)果，并應(yīng)用勒沙特列原理來解釋實(shí)驗中觀察到的平衡移動現(xiàn)象.

這樣的教學(xué)設(shè)計不僅使學(xué)生能夠在安全的環(huán)境中學(xué)習(xí)復(fù)雜的化學(xué)概念，還鼓勵他們通過實(shí)驗探究來深化對化學(xué)平衡理論的理解.此外，這種教學(xué)活動還能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升他們的實(shí)驗技能和批判性思維能力.

1.2學(xué)生課堂參與的優(yōu)化策略

在現(xiàn)代教育中，提升學(xué)生的課堂參與度是提高教學(xué)效果的關(guān)鍵因素之一.有效的教學(xué)策略，可以激發(fā)學(xué)生的積極性，增強(qiáng)他們的自主學(xué)習(xí)能力和合作精神.借助虛擬實(shí)驗室技術(shù)，教師可以為學(xué)生提供一個互動性強(qiáng)、反饋及時的學(xué)習(xí)環(huán)境，促進(jìn)學(xué)生更深入地理解化學(xué)知識.

虛擬實(shí)驗室能顯著提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力.在虛擬實(shí)驗室中，學(xué)生可以自由選擇實(shí)驗的條件和參數(shù)，通過不斷嘗試和調(diào)整，探索不同條件下化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果.這種學(xué)習(xí)方式使學(xué)生能夠根據(jù)個人的學(xué)習(xí)節(jié)奏和興趣進(jìn)行探索，不受傳統(tǒng)課堂教學(xué)時間和資源的限制.同時，結(jié)合小組討論與任務(wù)驅(qū)動模式，可以更有效地促進(jìn)學(xué)生之間的合作學(xué)習(xí).

以“氧化還原反應(yīng)”為例，教師可以設(shè)計一個“銅和硝酸反應(yīng)”的虛擬實(shí)驗，讓學(xué)生分組探究不同濃度的硝酸對銅的氧化作用，觀察并記錄銅溶解的速率以及生成的氣體種類和數(shù)量.

在實(shí)驗過程中，每個學(xué)生需要承擔(dān)不同的角色，如操作實(shí)驗設(shè)備、記錄數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗結(jié)果等.小組成員需要共同討論他們的觀察結(jié)果，比較不同條件下的實(shí)驗數(shù)據(jù)，并嘗試解釋觀察到的現(xiàn)象.在實(shí)驗中，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生討論氧化還原反應(yīng)的原理，如電子轉(zhuǎn)移和物質(zhì)的氧化態(tài)變化.

通過這種虛擬實(shí)驗室和小組討論的結(jié)合，學(xué)生不僅能夠深入理解氧化還原反應(yīng)的化學(xué)原理，還能通過團(tuán)隊合作來解決問題，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)和科學(xué)探究的能力.

2矩道虛擬實(shí)驗室對學(xué)科理解的影響

2.1提升學(xué)生實(shí)驗設(shè)計與分析能力

虛擬實(shí)驗室的引入給教學(xué)模式帶來了革命性的改變，尤其在提升學(xué)生的實(shí)驗設(shè)計與分析能力方面表現(xiàn)明顯.在虛擬實(shí)驗室中，學(xué)生可以進(jìn)行多次實(shí)驗，探索不同變量對實(shí)驗結(jié)果的影響.這種探索過程強(qiáng)化了他們的假設(shè)測試和變量控制的能力，是學(xué)生科學(xué)探究方法的重要組成部分[2].學(xué)生通過修改實(shí)驗條件，觀察不同反應(yīng)的結(jié)果，能夠更好地理解化學(xué)反應(yīng)的原理和復(fù)雜性.此外，虛擬實(shí)驗室還提供了實(shí)時數(shù)據(jù)分析和可視化工具，使學(xué)生能夠即時看到實(shí)驗數(shù)據(jù)的變化，進(jìn)而增強(qiáng)他們的數(shù)據(jù)解讀能力和結(jié)果分析能力.

以“一定物質(zhì)的量濃度溶液的配制”實(shí)驗為例，教師可以利用虛擬實(shí)驗，幫助學(xué)生提升實(shí)驗設(shè)計與分析能力.在這個實(shí)驗中，學(xué)生的任務(wù)是配制一系列不同濃度的硫酸鈉溶液.開始時，教師會提供基本的操作指導(dǎo)，例如如何計算所需的硫酸鈉質(zhì)量、如何使用量筒和天平等.

學(xué)生首先需要計算出制備所需濃度溶液的硫酸鈉精確質(zhì)量，并根據(jù)理論計算結(jié)果配制溶液.在虛擬實(shí)驗室環(huán)境中，學(xué)生可以嘗試不同的配制方法，比如變化溶解速度、溫度和攪拌條件，觀察這些變量如何影響溶液的均勻性和最終濃度.實(shí)驗中，如果操作不當(dāng)或計算錯誤，虛擬實(shí)驗室會提供即時反饋，指出錯誤并允許學(xué)生重新進(jìn)行實(shí)驗.

此外，學(xué)生需要使用虛擬實(shí)驗室中的分析工具來驗證溶液的濃度，例如通過電導(dǎo)率測定或滴定法.這要求他們不僅要精確操作實(shí)驗工具，還需要能夠分析實(shí)驗數(shù)據(jù)，比較預(yù)期結(jié)果和實(shí)際結(jié)果的差異，并進(jìn)行問題的根本原因分析.

在進(jìn)行虛擬濃度溶液的配制時，教師可以要求學(xué)生設(shè)計一個表格，記錄不同條件對硫酸鈉溶液濃度的影響，這個表格要能夠清楚地展示在不同的溶解速度、溫度和攪拌條件下，溶液的濃度如何變化.一個學(xué)生制作的硫酸鈉溶液不同配制條件下的濃度變化表，如表1所示.

在表格中，學(xué)生首先設(shè)置了不同的實(shí)驗條件，詳細(xì)描述了每種實(shí)驗的具體條件（如溫度、溶解速度和攪拌速度），其中實(shí)驗觀察的時間點(diǎn)為0分鐘、5分鐘、10分鐘和15分鐘，在不同的時間點(diǎn)記錄相關(guān)的濃度數(shù)據(jù).通過這個表格，學(xué)生可以清楚地看到不同實(shí)驗條件下溶液濃度的變化趨勢，從而更好地理解溶解速度、溫度和攪拌條件如何影響化學(xué)溶液的配制結(jié)果.這種表格的呈現(xiàn)方式有助于強(qiáng)化學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力和實(shí)驗設(shè)計技巧.

這樣的實(shí)驗設(shè)計和執(zhí)行，使學(xué)生不僅學(xué)會了如何精確配制化學(xué)溶液，更重要的是學(xué)會了如何設(shè)計實(shí)驗、控制實(shí)驗條件、分析實(shí)驗數(shù)據(jù)及調(diào)整實(shí)驗方案.這種綜合實(shí)驗設(shè)計與分析的能力對于學(xué)生未來的科學(xué)教育和職業(yè)生涯都是極為寶貴的，而虛擬實(shí)驗室提供的技術(shù)支持和安全、可重復(fù)的實(shí)驗環(huán)境是這一教學(xué)成果的關(guān)鍵.

2.2培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神與批判性思維

在化學(xué)教育中，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神和批判性思維能力是至關(guān)重要的.科學(xué)探究精神鼓勵學(xué)生主動尋求知識，通過實(shí)驗和觀察來驗證科學(xué)理論.批判性思維則涉及評估信息和論據(jù)的邏輯性和有效性，這在解決復(fù)雜的科學(xué)問題時尤為重要.虛擬實(shí)驗室通過提供一個模擬的實(shí)驗環(huán)境，不僅讓學(xué)生能夠安全地進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗，還允許他們自由地探索和測試各種科學(xué)假設(shè)，從而在實(shí)踐中鍛煉這些關(guān)鍵能力.

以“酸堿中和滴定的定量分析”的實(shí)驗為例，此實(shí)驗要求學(xué)生通過滴定來確定未知濃度的酸或堿的確切濃度.在虛擬實(shí)驗室設(shè)置中，教師首先需要給學(xué)生講解相關(guān)的理論知識，讓學(xué)生理解滴定原理，包括滴定劑的選擇、終點(diǎn)的判定方法以及如何準(zhǔn)備樣品.然后，學(xué)生進(jìn)行模擬滴定實(shí)驗，虛擬實(shí)驗室提供的工具可以讓學(xué)生調(diào)整滴定速率和量，觀察pH變化，并自動記錄數(shù)據(jù).

在這個過程中，學(xué)生必須批判性地分析每一步操作對實(shí)驗結(jié)果的影響.例如，選擇不恰當(dāng)?shù)闹甘緞┛赡軐?dǎo)致滴定終點(diǎn)判斷不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響結(jié)果的精確度.學(xué)生還需要評估實(shí)驗中的每一個變量，如滴定劑的加入速度、混合均勻程度等因素，這些都是影響實(shí)驗結(jié)果的關(guān)鍵點(diǎn).

此外，虛擬實(shí)驗室允許學(xué)生模擬不同條件下的實(shí)驗場景，如溫度變化、溶液的穩(wěn)定性等，以觀察這些因素如何影響滴定結(jié)果.通過這種方式，學(xué)生可以探索和驗證酸堿滴定的化學(xué)原理，并利用批判性思維來分析和解決實(shí)驗過程中出現(xiàn)的問題.

通過這樣的虛擬實(shí)驗，學(xué)生不僅能夠?qū)W習(xí)基本的化學(xué)分析技術(shù)，還能在實(shí)踐中培養(yǎng)科學(xué)探究和批判性思維能力.這種學(xué)習(xí)體驗是傳統(tǒng)教室實(shí)驗難以比擬的，因為它提供了一個無風(fēng)險、可重復(fù)且高度可控的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生可以自由探索并深入理解復(fù)雜的科學(xué)問題.

3結(jié)束語

通過引入矩道虛擬實(shí)驗室，教育者開辟了一種新的途徑，使化學(xué)學(xué)習(xí)變得更加安全、高效且符合現(xiàn)代教育需求.這種創(chuàng)新的教學(xué)工具不僅極大地豐富了教學(xué)方法和資源，還為學(xué)生提供了一個可以進(jìn)行實(shí)驗和試錯的空間，他們可以在其中自由探索和應(yīng)用化學(xué)知識，無須擔(dān)心傳統(tǒng)實(shí)驗中可能遇到的安全問題.這些模擬實(shí)驗還能幫助學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)展科學(xué)探究和批判性思維能力，這些能力是他們今后學(xué)術(shù)和職業(yè)生涯中不可或缺的.

參考文獻(xiàn)：

［1］張藝，蘇火煌.虛擬仿真技術(shù)在“化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備”課程中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2024（10）：163-165，38.

[2]張婉芳，孔祥斌.基于“問-想-做-評”模式下的高中生化學(xué)高階思維的實(shí)踐研究[J].新教育，2024（11）：39-41.

［責(zé)任編輯：季春陽］

收稿日期：2024-12-25

作者簡介：鄭巧貞，碩士，一級教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.

基金項目：2023年度福建省泉州市教育信息技術(shù)研究課題“基于矩道虛擬實(shí)驗室的化學(xué)教與學(xué)應(yīng)用研究”（課題立項號：QZDJKT2341）.