初中化學“虛擬實驗”教學實踐應用路徑探究

摘要：隨著信息技術被廣泛應用到課堂教學中，更多智能化的輔助教學工具被開發出來.其中虛擬現實技術就是一種新型教學輔助工具，能夠創建真實的體驗課堂和學習環境，增加教學的趣味性.在進行初中化學實驗教學的過程中，虛擬現實技術中的各項優勢和工具可以豐富實驗的形式，通過虛擬實驗的設計強化實驗課堂的真實性，拓展實驗的內容，彌補現實實驗中的各項不足.據此就初中化學虛擬實驗教學實踐應用的路徑進行了分析.

關鍵詞：虛擬實驗;教學實踐;應用路徑;初中化學

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2022）14-0128-03

收稿日期：2022-02-15

作者簡介：陳春燕（1976.1-），女，江蘇省啟東人，本科，中學一級教師，從事初中化學教學研究.

基金項目：本文系江蘇省南通市教育科學“十三五”規劃2020年度課題“虛擬實驗在初中理科實驗教學中的應用研究”（立項編號：GH2020019）階段性研究成果.

以信息技術以及虛擬現實技術開發出來的虛擬實驗對初中實驗課堂來說能夠帶來更多的優勢，例如仿真實驗室可以通過模擬實驗環境開展各種花絮實驗，突破了條件和空間的限制，也能夠強化學生的學習效果.很多化學實驗需要比較精密的儀器和精確的環境，而在現實課堂上是無法實現的.而利用虛擬技術可以將很多實驗展示出來，為課堂提供豐富的感官體驗，從而有利于提高實驗教學的質量.所以深入研究虛擬實驗在實驗教學的應用方式是教育發展的需求，也是新時代對教師能力的要求.1 豐富虛擬輔助教具，提高實驗的生動性

在初中化學實驗課堂的教學中，教師需要重視對學生實踐能力和探索能力的培養，根據當下新時代教育的要求，化學教學也應該盡量讓學生參與到實驗實踐中，通過引導學生觀察真實的實驗現象去思考化學問題，從中總結出化學規律，幫助學生更好地理解化學的理論知識，才能夠提升學生的應用能力.而化學實驗需要豐富的工具，但是初中化學大部分知識研究的是具有理想形態的現象，實驗無法在正常的環境下開展，而虛擬技術可以提供豐富的教輔工具，比如虛擬實驗室、在線模擬軟件以及視頻投放等，通過對虛擬環境的創建去模擬化學現象和實驗過程，給予學生更加真實的學習體驗，同時也能夠讓實驗課堂變得更加生動.例如在學習分子和原子結構的過程中，可以利用虛擬實驗中的交互技術向學生展示立體空間中分子原子的形狀、組成，從而幫助學生構建化學模型，培養其化學思維.而且這樣的虛擬實驗更加真實和具體，學生可以得到立體的視覺體驗，而教師在教學中也擁有了更加多樣化的展示途徑.因此教師在使用虛擬現實技術時需要深入研究虛擬實驗的應用方式，特別是在實驗教學中的一些教學工具和軟件，教師們應該提前了解和熟悉，并且掌握不同軟件使用的方法.比如虛擬軟件、信息交互式平臺等，要能夠利用虛擬技術將實驗的內容、過程以及操作的步驟等設計到軟件上，向學生展示具有交互性、真實性以及形象性的實驗課堂.

2 整合各種虛擬工具，提高實驗的真實性

教師需要充分利用各種虛擬的教輔工具，為學生構建一個以認知主義學習理論為基礎的虛擬實驗課堂，提高學生的探索能力和自主學習意識，通過將主客體信息進行交互，推動學生在虛擬實驗中將知識經驗和實踐活動進行充分地整合，并且可以在虛擬實驗場景中實現對實驗的操作，觀察動畫演示，不斷完善學生的化學思維.比如在教學九年級上冊有關分子的知識時，教師可以利用虛擬實驗設計探究分子特征的實驗方案，讓學生可以用分子的觀點解釋生活中核試驗中的現象.在該虛擬實驗中，教師首先要使用實驗創編系統對VR仿真交互課件進行創編，通過檢驗氧氣實驗的創編向學生展示生活現象，然后利用3D交互課件模擬放飛孔明燈，證明分子之間有間隔.再用3D交互課件驗證液氧的助燃性，通過虛擬實驗的展示讓學生明白不同種分子的化學性質是不同的.這些虛擬實驗都可以用視頻的方式展示出來，避免了危險的產生，同時也更加全面.另外，教師還可以讓學生進行VR實驗，利用仿真實驗室來探究更多的化學問題，利用虛擬化學實驗的應用去強化學生的學習體驗.

教師在應用虛擬實驗開展教學活動時，要注重本質問題的突出，有效培養學生的化學意識，VR體驗技術的出現為虛擬實驗在化學課堂上的應用提供有力的支持.虛擬實驗與傳統實驗有明顯的不同，不僅方便操作，也有很好的互動性，化學實驗要使用多種實驗器材和化學材料，采取虛擬實驗的形式能極大地避免資源的浪費，學生也能很好地體驗到化學實驗的全過程.教師要對虛擬實驗的本質引起重視，應用的化學元素與實驗相一致，讓學生能夠更好理解化學知識.學生是學習化學實驗的主體，教師負責為學生創造良好的學習環境，在實驗活動中設置科學的情境并有效引導.主要是實驗操作，設計過程仍然要求學生獨立完成，這也是強化虛擬實驗價值的正確做法，保持學生在實驗學習活動中的活力.

3 科學設計實驗環節，提高實驗的探索性

首先，教師需要利用虛擬技術來做好實驗的準備，針對化學實驗的內容、目標等來規劃好課堂的重點，并且用AR技術來設計好教學的流程和內容，從而能夠縮短教學的時間，教師也可以擁有更多的精力對學生的學習過程進行指導.其次，虛擬實驗可以通過交互性的特點為學生提供一個平等交流的平臺，因此教師在實驗設計時可以在實驗中構建一個信息輸入、輸出一一對應的場景，使學生在學習的過程中能夠進行實時的信息反饋.在初中化學實驗課堂上，教師還可以利用虛擬實驗來模擬各種真實場景，激發學生進行實驗研究的興趣，通過將生活現象和化學問題結合起來，使得化學實驗更加真實生動，給學生的視覺、聽覺以及各個感官帶來深入地學習體驗，因此在教學化學課時，教師要盡可能地從生活實際出發引導學生對化學知識進行思考.在應用虛擬實驗時，教師可以利用交互技術、仿真技術等功能對相關的信息進行整合，從而塑造真實的學習場景.當然，在設計實驗環節時，也要發揮AR技術的價值和優勢，通過創建真實的生活場景激發學生的學習積極性，同時展示多維實驗數據和現象，幫助學生創建立體的學習模式，促進學生構建全面知識系統，提升學生的認知能力.

例如，在教學九年級下冊第八單元有關金屬化學性質時，要開展金屬物理性質和某些化學性質的實驗，為了讓學生了解更多金屬的性質，教師可以利用虛擬實驗室引導學生開展對金、銀等金屬的探索.先出示一些生活中人們在接觸、使用金銀等首飾的場面，如銀鐲子變黑、金子耐燒等，以此引發學生對金銀化學性質和物理性質的思考.再讓學生針對實驗的內容設計實驗方法和實驗的目的，然后讓學生在虛擬實驗室中選擇所需要的實驗材料、工具.最后可以通過燃燒實驗、化學反應等實驗去探索，在虛擬實驗室中開展實驗可以豐富實驗的內容和類型，也可以針對學生的實驗環境進行監督，提高實驗質量.

4 豐富虛擬實驗類型，培養學生綜合能力

虛擬實驗的應用除了可以創建比較真實的虛擬實驗環境，給予學生一個沉浸式的實驗場景之外，還可以在有限空間內展示復雜多樣的實驗現場，從而突破當下初中化學實驗教學的瓶頸，讓實驗課堂變得豐富多樣.

例如以上提到的分子和原子的探索模擬實驗，實際上就是將宏觀教學場景與AR技術進行融合的結果，主要可以引導學生從宏觀的角度來分析原子和分子的區別，從微觀上去了解其結構特點.教師還可以利用虛擬實驗中的模擬實驗創建交互式環境，學生不僅可以觀察，還可以通過虛擬地操作去了解分子和原子在運動過程中形成的原理，也能夠使許多無法利用真實實驗驗證的化學現象展示出來.例如石墨的微觀結構、質量守恒定律的驗證等.其次是利用虛擬實驗來展示微觀實驗場景，例如研究水的組成，教師可以利用虛擬實驗去創建虛擬環境，探索水分子的各種微觀組成.除此之外，虛擬實驗還可以與互聯網信息技術結合起來，促進學生去開展仿真實驗探索.比如在研究氧氣的實驗室制取與性質的實驗時，學生可以在虛擬實驗技術和互聯網支持下調整相應的實驗數據，設計實驗過程，并且選擇實驗器材，從而自主構建實驗過程.例如對實驗原料的制取、實驗工具的使用、實驗現象的記錄等，促進學生更加近距離地觀察實驗現象.而在此過程中，教師可以讓學生靈活運用軟件設計不同的實驗問題，有利于強化實踐研究的體驗，也能夠提高學習效果.同時教師也可以實時查看學生的實驗情況，掌握他們的實驗水平，以此來開展針對性指導，提升學生實驗探索能力.

5 模擬危險化學實驗，增強學生理解體驗

教師可使用虛擬實驗為學生呈現一些錯誤操作并產生不良的后果.比如加熱高錳酸鉀制備氧氣，正確的操作是實驗反應結束后，先把導管撤出水槽，然后再熄滅酒精燈.如果實驗操作失誤，先把酒精燈熄滅，然后再把導管撤出水槽，就會發生水倒吸的現象，試管也有炸裂的可能.再比如稀釋濃硫酸的實驗，正確的操作是將酸加入水，而不是將水倒進酸，錯誤的操作會導致液體劇烈沸騰，四處飛濺的酸液是非常危險的.教師在實際做實驗時，不會在學生面前做錯誤的示范，否則將危及個人的人身安全.而如果只是單純地口頭表述，學生則可能不以為然，印象也不夠深刻.此時就可以使用虛擬實驗為學生演示錯誤的操作，虛擬實驗完全不需要擔心安全問題，但是又能給學生帶來逼真的體驗，在視覺上和聽覺上感受到錯誤實驗的危害性.這種直觀的體驗能夠在學生的頭腦中留下深刻的印象，這對學生增強規范操作實驗的意識非常有效.

虛擬實驗不僅可以模擬危險的化學實驗操作，還能模擬定量類的實驗，進而生成正確的數據表格，形成正確的化學圖像.應用虛擬化學實驗平臺，將定性的化學實驗轉化為定量的化學實驗，可不使用傳感器這一類高端的化學實驗設備.

綜上所述，在初中化學實驗教學中，虛擬實驗的應用是新時代發展的重要方向，同時也是提高整個教學質量的重要手段.在具體課堂上如何應用虛擬實驗還需要根據學生實際學習需求和內容去進行設計，而且教師也要提升對新技術的應用和開發能力，為學生創建一個真實有效的實踐環境，以培養學生的綜合能力.

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[責任編輯：季春陽]