虛擬實驗室在“用高錳酸鉀制取氧氣”中的應用研究

方彥??

摘 要：虛擬實驗室在“用高錳酸鉀制取氧氣”的新課教學中為教師提供了一種新的教學方式，不僅節省了教學時間，而且增強了學生學習化學的興趣，提高了學生學習的主動性，使學生更積極地參與化學課內外的學習，在提高學習成績的同時，真正體會到學習化學的快樂。

關鍵詞：虛擬實驗室；化學；實驗；教學

在傳統“實驗室用高錳酸鉀制取氧氣”的新課教學中，多以教師演示、播放視頻等教學方式進行教學。有條件的學校，在實驗活動課時，學生可以進入實驗室進行分組實驗。而傳統教學方式，也許能正確答題，但忽略了化學實驗擁有大量的玻璃儀器和大量我們日常生活中接觸不到的化學藥品，所以僅看答題效果來判斷實驗新課的成果是十分片面的。

一、 虛擬實驗室的定義

所謂虛擬實驗室是指在計算機系統中采用虛擬現實技術（VR技術）的各種虛擬實驗環境，實驗者可以像在真實環境中一樣完成各種預定的實驗項目。虛擬實驗室是模擬化學儀器、藥品及實驗現象等虛擬實驗環境，便于學生操作的一種軟件。它的目標是將學習者從大量的實驗中解脫出來，節省大量的時間、人力、物力和精力，使之投入到更深入的研究工作中去。

二、 “實驗室用高錳酸鉀制取氧氣”的案例

在上新課之前，先讓學生對新知識進行預習，并完成練習冊“知識梳理”的填寫。有些學生會在家里運用網絡觀看視頻，不明白的地方會做記號。

第二天上新課時，教師不再像以往那樣進行演示實驗，也無需帶有大量的實驗器材和實驗藥品進入課堂，師生不用擔心實驗失敗所帶來的不良后果，教師更不必擔心因為實驗的客觀和主觀原因影響教學進度，同時不存在學生只看視頻熱鬧過后大腦空白的現象。

教師可根據學生的實際情況，簡單講解實驗步驟。然后打開虛擬實驗室中的實驗“用高錳酸鉀制取氧氣”，一邊播放動畫，一邊由學生熟悉實驗過程。本實驗的虛擬實驗室，見圖1。

圖1 實驗室利用高錳酸鉀制取氧氣

由學生親自動手操作實驗，學生可以清楚地看到實驗仿真過程以及現象。在操作出錯的時候，系統會出現警示，無法進行下一步操作。例如，實驗結束時，還未將導管移出水面，就先熄滅酒精燈時，系統出現“不可先滅酒精燈，這樣會使水通過導管逆流到試管中，使試管炸裂，應該先把水中的導管取出來再滅酒精燈。”點擊“確定”后再進行“先將導管移出水面，再熄滅酒精燈”的操作，才能順利完成實驗。學生能及時發現存在的問題，并能快速解決問題，而觀看的學生因有特別提醒和同伴的重新操作而印象深刻。更重要的是不會因為操作錯誤而真的發生危險，卻能因為虛擬實驗而認識到不當操作產生的不良后果。

三、 虛擬實驗室的優點

首先，在本實驗中，傳統教學方式如教師演示、播放視頻和使用虛擬實驗室所消耗時間大不相同，見表1。

從表1顯示教師演示實驗需要消耗時間約為15′36″，播放視頻約為6′42″，使用虛擬實驗室大約為5′11″。可見，虛擬實驗室的使用，節省了上課的時間。那么會不會因時間不充裕而影響學習效果呢？

其次，我們做了關于虛擬實驗室進行新課學習的效果問卷調查，統計結果見表2。

從表2分析，用傳統教學方式教學，只有少數學生感興趣，大部分由于沒能自己親手操作，即使實驗課去實驗室親手操作，也不能很順利地將實驗步驟和注意事項弄得那么清楚，因此大部分學生不太感興趣。面對教師的演示實驗、播放視頻，沒有機會參與實驗，所以學習的主動性不強，主動參與實驗的學生人數也是少之又少。據反映，完成作業已算是完成任務，不太愿意參與課外的學習。整體來說，只是課堂上實驗有明顯現象的時候會心動，沒有真正嘗到學習的快樂。而虛擬實驗室的教學，讓學生有了更多的機會自主學習，能自己發現問題并能馬上解決，學習興趣很濃，非常愿意主動參與實驗，不僅課堂上學習主動性強，課后還愿意學習更多的實驗內容，學習的快樂是發自內心的。

最后，本單元學習完后進行了單元測試，其中第20題是考查實驗室制取氧氣的相關知識。選擇了實驗班和對照班進行了本題的平均分統計，見表3。

從表3統計結果看出，P=0.043<0.05，說明實驗班與對照班在采用了虛擬實驗室進行教學，本題平均分存在顯著性差異。使用傳統教學方式的學生，很多學困生本道題幾乎得不到分數，因此大幅度地降低了平均分。而使用虛擬實驗室的實驗班，那些本該淪為學困生的學生對此非常感興趣，能主動地學習，因此他們的成績反倒對平均分做出了不少的貢獻。

因此，虛擬實驗室的教學不會因為時間短而影響學生的學習效果，反而更能說明虛擬實驗室的適當使用，能高效地完成教學工作。

四、 虛擬實驗室在應用時需注意的問題

1. 學校配置短缺。如果每個班級只能用一臺電腦安裝虛擬實驗室，操作實驗的學生人數極其有限，大部分學生只能觀看，不能切身體會。如果讓每位學生配置一臺平板，每位學生就能及時反饋實驗過程及存在的問題，能更高效地完成教學。

2. 虛擬實驗室與真實實驗相結合。虛擬實驗畢竟是虛擬的，優勢主要體現在無污染、無破損、省時省力、方便快捷，但實操能力需要真實的實驗才能體現出來。對于用高錳酸鉀制取氧氣如此重要的實驗，虛擬實驗可作為新課教學讓學生體會，規避一些因操作不當等產生的不良后果。在教師總結歸納后，需要一節實驗活動課學生親手操作真實實驗。這樣，才能保質又保量，不僅能提高學生的興趣，激發學生學習化學的積極性，更能實質性地參與到實驗中去，真正體會實實在在的儀器和藥品的組合產生了新的物質所帶來的快樂。

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