基于移動端虛擬實驗室開展雙線融合式初中化學實驗教學

師宏佳 顧佳麗

摘 要：將線上教學融入傳統課堂教學已經成為教育教學改革的一大趨勢。文章在分析線上和線下初中化學實驗教學現狀的基礎上，借助“虛擬實驗”這一移動端化學虛擬仿真實驗室，以高錳酸鉀制氧氣實驗為例進行雙線融合式的初中化學實驗教學，對特殊時期下初中化學實驗教學的新模式進行了初步探索：（1）學生通過“虛擬實驗”對目標實驗進行預習;（2）師生線上討論交流實驗相關內容;（3）學生線下實驗室實際操作;（4）課后鞏固。

關鍵詞：初中化學實驗教學;移動端虛擬仿真實驗;雙線融合式教學

基金項目：2021年度遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目;遼寧省社科聯項目（2021lslhzyb-13）;渤海大學2021年中小學教學改革聯合研究項目。

作者簡介：師宏佳（1996—），女，渤海大學化學與材料工程學院，碩士研究生在讀。

顧佳麗（1980—），女，渤海大學化學與材料工程學院，教授，博士。

化學作為一門以實驗為基礎的自然科學，實驗探究是化學教學的最基本特征。《義務教育化學課程標準》明確指出，義務教育階段的化學課程教學，要通過讓學生親身經歷和體驗科學探究活動，助力學生科學探究能力的形成，而化學實驗則是學生進行科學探究的重要方式。自20世紀90年代起，部分省市就將化學實驗操作考試作為學生中考的一部分，以考查初中畢業生是否具備《義務教育課程標準》所規定的實驗技能[1]。時至今日，全國大多數省份都已將化學實驗操作考試成績計入中考總分，視其為中考選拔的指標之一。因此，初中化學教學應重視培養學生的基本化學實驗技能，比如藥品的取用、簡單儀器的使用和連接及運用簡單的裝置和方法制取某些氣體等，而初中化學實驗教學作為培養初中生化學實驗技能的重要途徑，其重要性不言而喻。

2020年以來，傳統課堂教學受到極大的沖擊。線上教學也已不再是特殊時期學校匆忙應對下的短期行為，而是一場長期的顛覆式的教學革命[2]，將線上教學融入傳統課堂教學已成為教學改革的一大趨勢。本文對初中化學實驗教學中開展雙線融合式的教學模式進行探索，以期對特殊時期下的初中化學實驗教學進行優化。

一、 初中化學實驗教學現狀

（一） 初中線下化學實驗教學現狀

在實驗教學中，初中實驗教學大都以教師演示實驗為主，有的教師則選用“視頻實驗”（播放實驗視頻）或“板畫實驗”（在黑板上畫實驗示意圖）的形式來代替實際的實驗操作;更有甚者，一些教師存在“做實驗不如講實驗，講實驗不如背實驗、畫實驗、講實驗題”的思維。如此這般，學生無法通過親自動手操作體會實驗的樂趣，教學效果大打折扣，對學生實驗操作技能和探究意識及能力的培養十分不利。造成這一現狀的原因，主要有學校實驗設備等硬件條件不足、化學教學課時緊張、片面追求高升學率等，此外，部分教師實驗教學能力不足也導致出現實驗教學課時一再被縮減及實驗教學“紙上談兵”的現狀。

（二）初中線上化學實驗教學現狀

近兩年，傳統的課堂教學受到了極大的沖擊，在教育部“停課不停學”的號召下，大規模的線上教學走進大眾視野。然而，初中化學教學的重頭戲——

實驗教學，在這場大規模的線上教學中表現如何呢？

受條件所限，教師在進行線上實驗教學時無法進行演示實驗，再加上線上教學經驗不足，導致其對實驗視頻和課件的依賴程度更高：教師往往通過播放實驗視頻的方式來使學生大致了解實驗流程和實驗操作，并在此基礎上利用課件向學生講解實驗涉及的知識點。雖然家庭小實驗由于低門檻化（實驗藥品和器材的生活化），能在一定程度上對初中化學的線上實驗教學進行補充，但很明顯，初中化學實驗教學在這場大規模的線上教學中仍然面臨著“教師講實驗、學生聽實驗”的困境。

如何打破線上、線下初中化學實驗教學所面臨的困境，優化教學模式以應對特殊時期下的實驗教學呢？化學虛擬仿真實驗或許可以為我們提供一個解決問題的思路。

二、借助移動端化學虛擬仿真實驗室開展初中化學實驗教學的可行性分析

（一）移動端虛擬仿真實驗室的優勢

虛擬仿真實驗室是指利用虛擬技術、仿真技術、動畫技術等，實現實驗者在三維立體模擬實驗室中操作實驗的一種虛擬平臺。國內化學虛擬仿真實驗發展至今，已有近二十年的時間，在此期間，化學虛擬仿真實驗發展出了PC端和移動端兩種平臺[3]。

PC端化學虛擬仿真實驗室的發展日益成熟，但其建設、研究和應用至今仍集中于高校。主要是由于其訪問時加載時間過長、開放性低（加密或內網訪問）、前期PC設備的投入和后期軟硬件維護成本高昂等原因所致。

移動端化學虛擬仿真實驗出現已有十幾年時間，成熟軟件雖少，但相較傳統的PC端化學虛擬仿真實驗室，其具有的即時性、泛在性、趣味性、開放性等優勢加上智能手機的高度普及，使得移動端的化學虛擬仿真實驗平臺更適合作為優化初中化學實驗教學的平臺[4]。

近年來，虛擬仿真實驗室在教育教學方面的作用愈發受到人們的關注。有調查顯示，盡管化學虛擬實驗室在初中的建設沒能跟進，但初中化學教師對在教學中使用虛擬仿真實驗室表現出較高的認可度和意愿度[5]。因此，借助移動端化學虛擬仿真實驗室來優化初中化學實驗教學具備一定的可行性。

（二） 移動端虛擬仿真實驗室——“虛擬實驗”在初中化學實驗教學中的適用性

深圳市征銘科技有限公司開發的移動端虛擬仿真實驗室——“虛擬實驗”配套中學物理、化學、生物教材制作而成，支持單人練習模式和雙人搶答模式，意在達到“在娛樂中學習，在學習中娛樂”的目的。本研究選取該手機APP中用戶體驗感較好的初中化學實驗模塊（以下簡稱“虛擬實驗”），初步探討基于該平臺的雙線融合式初中化學實驗教學模式。

相較“自由式”的化學虛擬仿真實驗室，“虛擬實驗”作為一種“流程化”的虛擬仿真實驗室，留給學生自由發揮的空間較少，但義務教育階段教學活動中涉及的化學實驗本身可供自由探索的空間也比較有限。因此，“流程化”的 “虛擬實驗”基本上可以滿足初中化學實驗教學（目前主要集中在課前預習和學習實驗兩方面）的需求。且該APP內存僅為30M左右，對手機配置的要求較低，易于實現班級的覆蓋。

“虛擬實驗”采取“練習—考核”的融合模式，在對當前實驗操作步驟所需的關鍵器材或藥品進行一定的提示的同時，亦會記錄實驗用時、實驗進度及成績。除此之外，“虛擬實驗”巧妙地運用了引導功能，例如在實驗過程中展示并語音播報實驗目的、儀器藥品、反應原理、關鍵名詞的解析及以選擇題形式出現的化學實驗問題等，有助于提升學生的實驗體驗度和學習效率。

值得一提的是，“虛擬實驗”提供實驗報告的查看與下載服務，學生可以在虛擬操作過程中或結束后查看實驗報告，以便其對實驗進行更為系統全面的了解。

待學生預習結束后，教師可以利用該APP的“班級”數據功能查看全班學生的實驗用時及成績，并以此了解學生的預習情況，以便后續對線下課程進行針對性的設計與管理。

三、基于移動端虛擬實驗平臺的雙線融合式初中化學實驗教學模式

本文以高錳酸鉀制氧氣實驗為例，借助“虛擬實驗”進行雙線融合式初中化學實驗教學新模式的初步探索，在學生通過“虛擬實驗”對目標實驗進行預習的基礎上，師生開展線上討論交流實驗相關內容，再由學生在實驗室進行實際操作并在課后及時鞏固，最后由教師對學生在各個環節的表現進行綜合評價。

（一）學生通過“虛擬實驗”進行預習和練習

學生通過“虛擬實驗”的練習模式對目標實驗進行預習，并錄下整個虛擬操作過程，以便進行線下的師生交流與多維評價工作。除此之外，學生還需撰寫預習報告，將其在虛擬操作中了解的實驗涉及的化學基礎知識及存在的疑惑記錄下來，待線下與老師和同學進行交流。

在“虛擬實驗”APP安裝注冊完畢之后，學生開始登錄進入軟件，點擊并選擇單人實驗模式（練習模式）即可進行預習。在練習模式下，學生點擊目標實驗名稱后即可進行如下的虛擬操作：

1.簡單儀器的連接，包括橡膠塞與導管的連接、橡皮管與導管的連接等。

2.利用“手握法”檢查裝置的氣密性。

3.取用粉末狀固體藥品高錳酸鉀。

4.將試管固定在鐵架臺上，試管口略向下傾斜（防止冷凝水回流到熱的試管底部導致試管炸裂），且鐵架臺的鐵夾要夾在試管中上部，即距試管口1/3～1/4處。

5.酒精燈的點燃及熄滅：點燃酒精燈時用燃著的火柴點燃;熄滅酒精燈時使用燈帽蓋滅，連續蓋兩次，避免冷卻后蓋內產生負壓導致蓋子打開困難。

6.使用酒精燈對試管內的固體藥品加熱;先預熱（用酒精燈外焰在試管下方來回移動），待試管受熱均勻后，用酒精燈外焰對高錳酸鉀所在的部位進行集中加熱。

7.拆卸集氣裝置時，先將導管移出水面，再撤走酒精燈，防止水槽中的水回流導致試管炸裂。

學生在以上虛擬操作的過程中，還可借助“虛擬實驗”的引導視角和“實驗報告”的查看與下載功能，高效率地了解實驗目的、實驗所需儀器藥品、實驗原理、實驗操作注意事項及該實驗涉及的實驗事實和基本概念（以選擇題形式出現）等。

教師在學生預習結束后，可以通過后臺的“班級”數據功能查看全班學生的實驗用時及成績，以此來了解學生預習與否以及預習效果的優劣。

（二） 線上實驗講解及線下實驗室操作

由于學生在預習過程中已經對該實驗有了基本的認識和理解，因此教師在線上課堂中不需要再對其進行一一講解，可抽取一部分同學的虛擬實驗操作錄屏進行播放，再與學生共同完成對這些虛擬操作過程的多維評價，體現教師的主導作用和學生的主體作用。需要注意的是，虛擬實驗操作畢竟只是模擬，其真實性與合理性還有待加強，這可能對學生的實際操作造成一定的誤導。因此，教師可通過播放實際實驗操作的演示視頻來盡可能減少此類情況的出現。

除此之外，教師還可以查看學生預習報告中記錄的“疑難雜癥”，選取其共性問題在課堂上供學生交流討論，再由教師對其進行補充和解答。

線下實驗時，學生兩人為一組領取實驗器材進行實際操作，小組之間可在實際操作過程中通過討論交流加深對實驗的理解。而教師在巡視學生實驗操作的過程中，要指出其不規范或具有安全隱患的操作。

學生完成實際的實驗操作后，小組派代表發言指出虛擬實驗操作與實驗室實際操作的異同點，并就實際操作中出現的新的疑惑與教師和同學進行交流討論，最后再由教師對學生實際操作中存在的共性問題進行補充和解答。

（三）課后鞏固及考核

學生在線下完成實驗操作后，撰寫相應的實驗報告，教師則通過批改學生的實驗報告來了解學生此次實驗的掌握和完成情況。除了撰寫實驗報告，學生還可通過“虛擬實驗”的雙人搶答模式與同組同學競賽，以此來復習鞏固此次實驗的知識點。

最終，教師通過綜合學生的虛擬操作成績、預習報告成績、實驗室操作成績、實驗報告成績及課堂參與度（均為百分制）來評判學生此次實驗學習的情況：實驗成績=虛擬實驗成績×20%+預習報告成績×10%+實驗室操作成績×20%+實驗報告成績×40%+課堂成績×10%。

四、總結

本文借助“虛擬實驗”這一移動端化學虛擬仿真實驗室，以高錳酸鉀制氧氣實驗為例研究雙線融合式的初中化學實驗教學模式，對初中化學實驗教學的優化進行了初步的探索。

但不可否認的是，在初中實驗教學中使用“流程化”的虛擬仿真實驗室——“虛擬實驗”，盡管可以讓學生按部就班地完成相關的虛擬實驗操作，但留給學生自由發揮的空間較少，長此以往，不利于學生創新精神和能力的培養。因此，教師還可運用一些“自由式”的移動端化學虛擬實驗室（比如“燒杯”），給學生更多自由探索的空間。除此之外，教師還可設計一些探究性強、安全性高的家庭小實驗，以培養學生的創新精神和實踐能力。

另外，虛擬實驗室的一大優點是試錯成本低——不存在試劑和儀器消耗、可規避實際操作中存在的危險因素等。但教師也要注意其對實際操作帶來的負面影響，比如學生在進行具有安全隱患的操作時操作不規范、安全意識低下等，此時教師需要對學生進行及時的提醒及教育。

總之，利用移動端虛擬仿真實驗室開展初中化學雙線融合式實驗教學具有一定的可行性，但同時教師也應認識到模擬實驗在初中化學教學中的局限性。因此，在利用移動端虛擬實驗室進行化學教學時教師應清楚地認識到實驗室實際操作的不可替代性及虛擬實驗操作的輔助性，正確處理好二者在化學實驗教學中的關系，以達到預期的教學效果。

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