虛擬實(shí)驗(yàn)室在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢

劉昊

隨著高中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中問題的不斷突出，虛擬實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)對(duì)高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯示出有效的輔助和促進(jìn)作用。本文討論了高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題及虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念和特點(diǎn)，并對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用進(jìn)行了分析和總結(jié)，旨在為虛擬實(shí)驗(yàn)室在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的推行提供理論依據(jù)。

一、高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，如果教師僅僅在課堂上通過講授的方式對(duì)化學(xué)反應(yīng)的原理、過程和現(xiàn)象進(jìn)行講解介紹的教學(xué)方法，不足以滿足《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》對(duì)學(xué)生的要求。因此，探究的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)方式與方法具有重大意義，這將有助于學(xué)生加深對(duì)化學(xué)學(xué)科的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生探究知識(shí)的欲望，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐操作能力。目前，在新課程改革的推動(dòng)下，盡管新版教材已豐富了演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)的部分內(nèi)容，但就現(xiàn)狀而言，高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍存在諸多問題。

1. 實(shí)驗(yàn)條件和內(nèi)容的局限性。由于不同地區(qū)、不同學(xué)校的實(shí)驗(yàn)條件參差不齊，有些貧困縣區(qū)的高中因經(jīng)費(fèi)限制，缺少實(shí)驗(yàn)儀器和試劑的現(xiàn)象特別嚴(yán)重，致使部分學(xué)校無法開全演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)。有些教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中過分依賴教材、實(shí)驗(yàn)冊和教輔資料，實(shí)驗(yàn)安排單一枯燥，學(xué)生完全依據(jù)教師提供的實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)，而不是在教師的引導(dǎo)下自主完成提出問題、作出假設(shè)、實(shí)驗(yàn)探究和得出結(jié)果的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2. 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑在使用過程中的危險(xiǎn)性。高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中用到的儀器多為易碎的玻璃制品，使用的試劑多數(shù)是一些反應(yīng)劇烈的活潑金屬和具有強(qiáng)腐蝕的酸或堿。教師或?qū)W生如果在實(shí)驗(yàn)過程中處理不當(dāng)，將存在極大的安全隱患。

3. 實(shí)驗(yàn)試劑和反應(yīng)產(chǎn)物的污染性。在高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)安排的多數(shù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，所用到的反應(yīng)試劑及得到的反應(yīng)產(chǎn)物，如果不經(jīng)過科學(xué)系統(tǒng)的分類、保存或處理都將可能對(duì)學(xué)校周圍的環(huán)境造成污染。

4. 實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜并缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性。傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有很多實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)上比較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且很容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不精確，影響教學(xué)效果和學(xué)生對(duì)知識(shí)的準(zhǔn)確掌握。

針對(duì)以上傳統(tǒng)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中存在的諸多弊端，筆者以為利用開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不失為今后高中化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)課的一種十分有效的新途徑。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念和特點(diǎn)

1. 虛擬實(shí)驗(yàn)室的提出。虛擬實(shí)驗(yàn)室最早于1989年由美國弗吉尼亞大學(xué)的威廉·伍爾夫教授提出，當(dāng)時(shí)僅作為一種能為不同地理位置的實(shí)驗(yàn)人員提供相互交流、協(xié)調(diào)工作、共享實(shí)驗(yàn)資源和數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境。隨著各國學(xué)者對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室研究的不斷深入，虛擬實(shí)驗(yàn)室得到了很快的發(fā)展。聯(lián)合國教科文組織于1999年在美國艾奧瓦州立大學(xué)的會(huì)議上提出關(guān)于“虛擬實(shí)驗(yàn)室研究中心”和“虛擬研究實(shí)驗(yàn)室”科研和教學(xué)模式的構(gòu)想，并將虛擬實(shí)驗(yàn)室定義為：為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)作、實(shí)驗(yàn)研究或其他創(chuàng)新活動(dòng)，通過分布式信息通訊技術(shù)并發(fā)布結(jié)果的電子工作室。①

2. 虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)。與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬實(shí)驗(yàn)室在科研和教育方面存在諸多優(yōu)勢和特點(diǎn)，具體如下：

（1）成本低：虛擬實(shí)驗(yàn)室可以在擁有少量實(shí)驗(yàn)儀器甚至在沒有實(shí)驗(yàn)儀器的環(huán)境下完成實(shí)驗(yàn)，這樣將大大節(jié)約儀器和試劑在購置、管理和維護(hù)過程中產(chǎn)生的費(fèi)用。虛擬實(shí)驗(yàn)室作為一種可重復(fù)、無損害的軟件系統(tǒng)加以利用，極大地降低了開發(fā)和使用成本。

（2）自主性：虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)自由開放的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生和教師可以依照自己的需求自主選擇實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、地點(diǎn)、儀器、內(nèi)容及方法來安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)和練習(xí)，這樣極大地增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主探究的學(xué)習(xí)欲望。

（3）交互性：虛擬實(shí)驗(yàn)室在通過網(wǎng)絡(luò)完成遠(yuǎn)程教育的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教育中“只能看，不能動(dòng)手做”的弊端，實(shí)現(xiàn)了教師、學(xué)生和網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)三者間的相互研究與交流，這樣不僅在學(xué)習(xí)過程中加強(qiáng)了師生之間、生生之間的合作學(xué)習(xí)，也讓學(xué)生在親自動(dòng)手操作的過程中提高他們的實(shí)踐能力，同時(shí)也能使實(shí)驗(yàn)效果達(dá)到最大的精確化，有效提高課堂教學(xué)效率。

（4）高效性：學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)室中的復(fù)習(xí)平臺(tái)，結(jié)合理論教學(xué)自主的完成實(shí)驗(yàn)練習(xí)，這將有助于學(xué)生克服實(shí)驗(yàn)裝置安裝不正確、實(shí)驗(yàn)儀器操作不規(guī)范等基本技能障礙，幫助學(xué)生更高效地解決實(shí)驗(yàn)問題，達(dá)到有效學(xué)習(xí)目的。

（5）安全性：虛擬實(shí)驗(yàn)室中的儀器和試劑都是通過軟件仿真模擬技術(shù)構(gòu)建起來的，只需通過電腦即可完成實(shí)驗(yàn)操作。這對(duì)于教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)來說，能避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)儀器和實(shí)驗(yàn)人員的傷害，提高實(shí)驗(yàn)過程的安全性。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)室在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，采用構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的方式，能夠進(jìn)一步豐富高中化學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和組織形式，這對(duì)提高高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致的觀察能力、縝密的思維分析能力、靈活的動(dòng)手操作能力有著積極作用。

1. 幫助學(xué)生更好地掌握實(shí)驗(yàn)原理、方法和操作過程，培養(yǎng)他們的學(xué)習(xí)興趣。教師在開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)之前，可以安排學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)觀看相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻，在初步了解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)操作過程之后，再指導(dǎo)學(xué)生親手操作虛擬實(shí)驗(yàn)試劑和儀器進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。這樣將有助于增加學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的了解，保證學(xué)生有充足的操作時(shí)間，熟悉操作過程，減少傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由于操作失誤造成的安全隱患，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣。

2. 激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)，提高他們創(chuàng)新實(shí)踐能力。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供的實(shí)驗(yàn)儀器和試劑相對(duì)有限，對(duì)學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)材料的數(shù)量和操作儀器的次數(shù)都加以限制。學(xué)生只能在教師的安排下完成要求的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，而不是自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并根據(jù)觀察到的現(xiàn)象得出結(jié)論。通過虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，學(xué)生不僅可以重復(fù)教師安排的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也可以根據(jù)自己的興趣自主設(shè)計(jì)并完成一項(xiàng)科學(xué)探索，從而加深知識(shí)的理解，強(qiáng)化科學(xué)探究的意識(shí)，提高創(chuàng)新實(shí)踐能力。

3. 幫助學(xué)生完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課無法完成的實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生自主探究精神。虛擬實(shí)驗(yàn)室具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室所不具有的某些功能，能開展一些難以完成或無法完成的實(shí)驗(yàn)。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生無法把宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與微觀的分子之間的反應(yīng)建立起聯(lián)系，對(duì)于化學(xué)反應(yīng)式常常是死記硬背，降低了學(xué)習(xí)興趣，虛擬實(shí)驗(yàn)室就可以解決這個(gè)問題，通過播放模擬微觀分子之間反應(yīng)的Flash動(dòng)畫，學(xué)生可以利用直觀、生動(dòng)的形象有效地激發(fā)聯(lián)想，喚醒長期記憶中的有關(guān)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)或表象，從而利用原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的有關(guān)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)去同化當(dāng)前學(xué)習(xí)到的新知識(shí)，賦予新知識(shí)以更深刻的意義，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生探究精神。

注釋：

①蔣耘晨.虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2011.