虛擬仿真技術在中學化學教學中的應用

陳麗芬 楊發福

一、問題的提出

近年來，隨著信息技術的不斷發展，我們已經跨入了“互聯網+”、大數據、人工智能、虛擬仿真等的新時代，其改變了我們生活的方方面面，而教育作為社會的重要領域之一，其發展和變革也應該與時俱進。傳統的教師“一言堂”已經不能滿足中學生的實際需要，課堂要盡可能以學生為中心，注重培養學生的學習興趣。并且由于化學實驗本身的特殊性，如安全性、反應時間的限制以及反應現象的直觀性等問題，也導致了很多中學教師無法在課堂上開展真實實驗以給學生直觀的認識。另外，2019年11月，教育部印發《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，其中對教師的實驗教學工作提出建議：教師應重視傳統的實驗教學與現代信息技術進行有機整合，發揮信息技術對教學的促進作用。而虛擬仿真技術作為新興的計算機輔助教學技術，可以利用其沉浸性、交互性等特征，發揮其在中學化學教學中的獨特作用。因此，本研究以虛擬仿真技術為例，探究其在中學化學教學中的應用，為虛擬仿真技術在中學化學教學中的進一步應用提供參考。

二、虛擬仿真技術應用于中學化學教學的意義

1.改變常規教學中單向輸入的方式，培養學生的自主探究精神

新課標規定的18個必做實驗只是對學生實驗能力培養的最低要求。很多實驗受限于化學反應時長、反應條件等，教師都沒有讓學生進行動手探究，而是通過視頻展示或者教師演示的方式進行。在應試教育的背景之下，很多教師甚至認為這樣也是提高課堂效率的一種方式，可以把更多的時間留給高三進行總復習。但這樣的教學方式太枯燥，忽略了學生的興趣和自主性的培養。在新課改的推行下，傳統的教學模式已經不適應社會對于人才培養的需求。在中學化學實驗教學中引入虛擬仿真技術，教師可以在新教學理念的指導下，以問題為導向，讓學生通過虛擬實驗室展開實驗探究，給學生以視覺、聽覺、味覺、觸覺等的沖擊，從而加深學生對實驗的理解，培養學生的自主探究精神。

2.促進化學實驗安全化，培養學生的綠色環保意識

由于化學藥品很多具有腐蝕性和毒性，對于剛接觸化學實驗不久的中學生來說，教師不放心讓學生操作具有危險性的化學實驗，且如果整個年級都開展一次具有安全性的實驗課程，也會增加對環境的負荷。而利用虛擬仿真技術可以模擬這些真實課堂中無法開展的安全性實驗，也能讓學生體驗由于操作的不規范導致儀器炸裂的現象，從而在安全的環境下培養學生對待實驗的科學嚴謹性和綠色化學意識?；瘜W核心素養中最后一點要求學生要具有科學精神和社會責任感，如果教師在使用虛擬仿真軟件進行教學時講明其使用前提，滲透環境保護教育，對于學生未來的影響也是有作用的。如學生進入大學參加技能比賽，在進行實驗設計時，始終把綠色環保觀念作為實驗設計的考慮點之一，在共同原則的遵守下，創建綠色化、安全化的實驗環境。

3.促進抽象概念形象化，培養學生宏觀與微觀相結合的思維視角

宏觀一微觀一符號是化學學習的三大表征水平，而理解并建立三者之間的內在關聯是化學學習的關鍵。教師進行抽象概念或抽象原理的講解時，僅依靠教師把書本晦澀難懂的語言進行通俗化轉化和PPT的圖片展示，學生難以對化學知識有一個較為深入的理解。如在進行晶體的結構與性質中離子晶體的講解時，有些三維結構在人教版教材圖片中只是呈現了NaCl和CsCI的單元結構模型（晶胞），學生難以在頭腦中建立真實狀態下的微觀結構，從而導致后面教師推算微粒個數比時很多學生難以理解，只能靠死記硬背的方式來記住。而利用虛擬仿真技術，可以模擬相關的晶體微觀結構，教師可以利用投影技術把i維的分子結構直接呈現在學生眼前，這樣不僅可以減輕學生的認知負擔，還能在提高學生對化學學科學習興趣的同時，促進學生宏觀現象與微觀本質建立聯系。

4.擴大實驗教育范圍，促進教育公平

據筆者調查，在一些較為偏遠的地區，由于當地學校的教育經費不足，沒有條件開設過多的實驗。因此，可以在這些地區進行虛擬仿真技術應用于化學實驗教學的推廣活動。如在“送教下鄉”活動中，教師講解原電池時，在應用拓展環節可以通過虛擬仿真軟件讓學生體驗簡單燃料電池的制作，這是對所學知識進行鞏固的方式之一，在制作過程中復習鞏固、增進理解。又如在支教活動中，教師進行高中化學教材必修二化學鍵與化學反應規律這一章節的復習時，可以利用魯科版教材的“研究車用燃料與安全氣囊——利用化學反應解決實際問題”微項目進行展開。但在較為偏遠的中學，學生很難有機會深入到大型的汽車廠進行研究學習，因此教師可以利用虛擬仿真實驗平臺，讓學生結合之前所學知識并在教師的引導下，完成車用燃料的選擇、汽車安全氣囊的設汁活動，最后讓學生進行成果展示。在鞏固化學知識的過程中感受化學知識在實際生產生活中的實用價值。

三、虛擬仿真技術在中學化學教學中的應用舉例

1.實驗模擬類

（1）具有一定危險性的實驗

中學化學的一些實驗是具有一定危險性的，若讓學生親自動手探究，教師很難兼顧到每位學生的操作情況，因此一般情況下，對于這類具有較高危險系數的實驗，教師主要采用播放視頻或教師演示的方式進行，不會讓學生進行實際操作。例如，初中化學中的“粉塵爆炸實驗”，在實際教學中，由于教材中對這個實驗的設計、采用的實驗設備較為復雜，教師在課堂上進行演示的成功率不高，再加上實驗本身具有一定的危險性，因此，初中化學教材中的粉塵爆炸實驗教師通常采用播放視頻的方式呈現給學生。這樣會導致學生在課堂上的參與度不高，不能很好地調動學生的學習積極性。若教師在教室的多媒體上安裝虛擬仿真軟件，可以在課堂上請幾位學生分別進行實驗裝置的搭建、點火等操作，最后教師引導學生進行總結實驗現象、實驗反思以及實驗安全教育。由此可以得出，運用虛擬仿真技術模擬具有一定危險性的中學化學實驗，可以提高學生對學習化學的興趣，降低教師和學生出現化學安全事故的風險，讓學生在綠色的環境下學習。

（2）反應現象難捕捉的實驗83EADD15-E3AC-4E0A-B9C2-1ADE9E778997

在中學化學實驗的學習中，有些實驗的現象不明顯，或者生成的物質很快又被空氣氧化成另一種物質，導致學生很難清楚地觀察到實驗現象。例如，高中化學實驗中的“氫氧化亞鐵的制備”，由于Fe2+具有強還原性，因此教師在進行演示實驗時，學生很難觀察到氫氧化亞鐵的白色絮狀沉淀，看到的現象往往是灰綠色沉淀慢慢變成紅褐色。教師在教學過程中通常采用的是教師演示實驗的方式進行講解，并且說明灰綠色沉淀是亞鐵離子聚集所致，而紅褐色沉淀是Fe（ OH）3。通過這樣的學習之后，學生可能會對Fe（ OH）2具有強還原性有深入的理解，但卻不能對Fe（ OH）2的物理性質有一個直觀的認識。若教師在課堂中采用虛擬仿真實驗進行氫氧化亞鐵的制備，可以放大每個階段的實驗現象，讓學生清楚且仔細地觀察到從Fe（ OH）2沉淀到Fe（ OH）3生成的全過程。此外，教師還可以引導學生利用虛擬仿真設備對Fe（ OH）2存在時間短暫的原因進行探究，在設計實驗方案、組裝實驗設備、探究可能因素的過程中培養學生的實驗探究能力。由此可以得出，運用虛擬仿真技術模擬反應現象難以捕捉的實驗，可以放慢或加快反應進程，通過控制反應讓學生對物質的認識更加清晰，提升課堂效率。

2.物質結構類

“結構決定性質，性質決定用途”是學習化學的基本思維，從中可以看出對物質結構的學習是化學學習的基礎。在中學化學的學習中涉及很多物質結構的學習內容，如不同晶體類型的典型化合物的晶胞結構、有機物的分子結構等。傳統的中學化學課堂中，教師試圖通過語言的描述并輔以PPT展示圖片的形式，使學生在頭腦中對物質結構有一個較為清晰的認識，從而鍛煉學生的空間想象能力。而實際上學生很難跟上教師的上課節奏，導致學生對化學學習產生抽象、晦澀難懂的印象。而借助虛擬仿真技術，教師在課堂上可以應用3D投影技術，把準備好的分子結構投影到每位學生的眼前，拉近學生與化學的距離，讓學生更加直觀地感受所學物質的結構。此外，學校也可以創建“翻轉分子教室”，給教師提供進行虛擬仿真技術微視頻的錄制空間和所需設備，實現翻轉課堂。即教師把教學內容拍成影片，讓學生在家里把上課內容通過影片預習一遍，上課時可以實現“以學生為中心”，學生可與教師討論交流困惑的地方。由此可以得出，運用虛擬仿真技術展示物質結構，可以使課堂變得更加生動有趣，真正落實現代新興科技促進教學發展。

3.抽象概念類

在中學化學的學習過程中，特別是到選修階段的學習，會涉及到很多抽象概念的學習和理解，如共價鍵的形成、VSEPR理論中孤對電子對分子結構的影響以及雜化軌道理論等內容，下面以“雜化軌道理論”為例，闡述虛擬仿真技術在中學化學抽象概念類知識教學中的應用。傳統的化學課堂教學中對于雜化軌道形成的講解，教師往往在黑板上用方框代表雜化軌道，試圖用簡潔的圖示和通俗的語言讓學生明白雜化軌道的形成。但因為太過抽象，學生在上課之后可能只會記得幾條雜化軌道形成的特點，在頭腦中沒有關于雜化軌道形成的直觀認識。因此，可以將傳統的講授方式與虛擬現實技術結合起來，即教師可以在黑板上講解完雜化軌道形成之后，在多媒體上通過虛擬仿真軟件呈現不同雜化類型的形成過程，對學生起到輔助理解的作用。此外，教師還可以利用虛擬仿真軟件和投影技術，將不同雜化類型分子的3D結構投影到學生眼前，讓學生更加直觀地觀察分子結構。由此可以得出，運用虛擬仿真技術輔助學生理解化學相關抽象概念，可以在一定程度上減少學生機械學習的現象，讓學習抽象概念的化學課堂也能變得生動有趣。

四、相關軟件介紹

雖然目前虛擬仿真技術在中學化學教師中的認可度較高，但是存在的普遍現象是一線教師對于網絡上充斥的各種虛擬仿真軟件沒有充分的了解，不清楚使用何種虛擬仿真軟件能夠更好地輔助教學，而且目前中學關于虛擬仿真實驗的建設方面投入較少，許多中學并沒有相應的虛擬教學設備。因此，筆者對目前應用較好的虛擬仿真軟件進行歸納，以期增加虛擬仿真實驗教學資源的獲取途徑，提升中學化學教師利用虛擬仿真技術進行教學的效率，也為中學安裝虛擬仿真設備的選擇方面提供參考。

NOBOOK虛擬實驗室（以下簡稱NB）和金華仿真化學實驗室面向的使用對象主要是中小學的師生群體，有電腦端、手機端、平板端可供下載。NB主要是以教材各單元的分布為主線，對教材中大部分實驗進行虛擬仿真實驗的設計，目前包含的教材版本有新舊人教版和魯科版。NB支持按照自己的實驗設計進行實驗探究。如教師引導學生使用NB進行鋁熱反應時，可以在一開始先不加氯酸鉀，讓學生思考鋁粉和氧化鐵不發生反應的原因，在教師的引導下由學生自己得出二者反應需要助燃劑的支持。另外.NB還具有對反應數據進行實時監測的功能。學生只需右鍵點擊裝置就會出現反應物和生成物實時的數據追蹤，可以用于判斷反應的進行程度。這種呈現方式使實驗現象與量化的實驗數據相結合，有利于學生從不同的層面理解實驗的本質。金華仿真化學實驗室與NB相類似，在這里就不再贅述。

火花學院也是主要服務于中學化學的一個虛擬仿真平臺，但是它側重于將一些中學化學教材中較難理解的知識點以3D動畫視頻的形式呈現出來，如蔗糖在水中的溶解、晶胞結構展示、各種電池的工作原理等。教師在備課時可以直接從火花學院官網下載相應視頻，避免了使用Adobe Flash等動畫制作軟件復雜的制作過程，可以有效提升教師的工作效率。而且學生在觀看實驗時可以同時看到宏觀現象和微觀反應原理，有利于培養學生宏觀辨識與微觀探析的化學核心素養。

MLabs主要涉及的是大學基礎實驗，雖然對于高中化學實驗的開發較少，但這個平臺的使用對中學化學教學具有一定的參考價值。如今“雙減”已經成為教育領域的一大熱詞，要求教師要提高作業布置的質量，做到精準適量。因此，教師可以根據實際教學需要，把MLabs中的虛擬仿真實驗作為拓展性作業布置給學生進行課后的操作學習，由于MIAbs在其微信公眾號有較為完善的評價系統，教師在了解完學生的完成質量之后，在課上進行點評，從而起到復習鞏固所學知識、拓展學生的思維和視野的作用。因此，MLabs在高中化學教學的應用，既可以豐富作業布置的形式，提高學生化學學習的趣味性，在一定程度上落實“雙減”政策下減輕學生作業負擔的要求，又可以拓展學生化學知識的廣度，加強中學化學與大學化學的銜接。83EADD15-E3AC-4E0A-B9C2-1ADE9E778997

五、使用建議

1.明確虛擬仿真實驗在教學中的輔助地位

虛擬仿真實驗是科技發展的產物，是現代新興科技與教育結合的必然結果，并且未來一定會有更加廣闊的應用。但是，筆者從進行訪問的很多教師中發現，很多教師樂于使用虛擬防真實驗室的原因是它能讓很多化學實驗更快速地進行，不會出現一堂課下來學生還沒完成的情況，明顯提高了課堂效率。從中可以看出目前虛擬仿真實驗的應用存在一定程度的“濫用問題”，對虛擬仿真實驗在實際教學中的定位不明確。因此，教師在使用虛擬仿真實驗進行教學時，應該明確其在中學化學教學中輔助教學的定位，明確虛擬仿真實驗設計的意圖是為了對課堂上無法開展的部分實驗進行補充，增進學生理解，而真實實驗的開展才是培養學生實驗探究能力的主要手段，不要本末倒置。

2.掌握虛擬仿真軟件的教學時機

有些學校的教師把虛擬仿真操作作為課前預習作業發布給學生進行操作，以期讓學生對所要學習的實驗內容有一個大致的了解，從而提高實驗課上學生進行實驗的效率。但由于學生進行虛擬仿真實驗操作時屏幕上方會有下一步操作內容的提醒，很多學生往往只會根據提醒進行機械性的操作，在操作完成之后學生不能在頭腦中對所學實驗有一個自身的建構理解，不能很好地達到預習的目的。因此，學生在進行虛擬仿真實驗操作之前，應該先對實驗原理、實驗步驟進行預習之后，再進行操作。教師也可以根據實驗原理、實驗步驟和注意事項進行相關思考題的設置并發布在雨課堂，檢驗學生的預習情況，在實際教學中根據學生回答情況進行針對性的講解。

3.加強培訓教師的虛擬仿真教學能力

據筆者調查，絕大多數一線教師都知道虛擬仿真實驗，也十分認同其在化學實驗教學中所能發揮的作用，但是中學化學教師在運用虛擬仿真軟件教學時也存在諸多問題，如對虛擬仿真實驗的使用時機不明確以及對虛擬仿真軟件的操作不熟練等，導致其在實際運用過程中不能很好地與實際實驗教學進行融合。因此，可以由師范院校研究這一領域的專家帶頭，以各地區的中學化學教師為培養對象，開設“虛擬仿真技術在中學化學教學中應用”的培訓，制定培訓計劃，開設相關培訓課程，最后進行成果匯報。在促進教師運用虛擬仿真實驗協助教學的過程中，力求改變現有教學中的不足，最終實現中學化學教學與現代新興科技的有效融合。

4.提升虛擬仿真實驗的開發質量

目前很多虛擬仿真平臺的中學化學實驗模塊的設計都是根據教材的實驗內容來開發，并且筆者進行體驗之后發現有些模擬實驗還具有操作性錯誤或者在還未完成規范操作就進入下一步的實驗操作，這些都不利于培養學生的實驗操作技能和對待科學的嚴謹態度。對于這樣的虛擬仿真軟件，若學生在家里下載一些相關的虛擬仿真實驗視頻進行預習時，由于學生不能甄別仿真實驗的科學性，因此極有可能對學生化學實驗學習產生誤導。即便是用于實驗復習，也不能達到鞏固實驗的效果。因此，虛擬仿真實驗的開發團隊應該集思廣益，邀請一些教齡較長的一線中學化學教師參與虛擬仿真實驗的項目選擇，在產品開發出來之后，再由教師首先進行體驗，檢查實驗的操作是否嚴謹，實驗的現象是否貼近真實實驗，提出反饋意見。最后開發團隊根據反饋意見進行優化，在一線教師所在的中學進行試行，做一些相關的實證研究探究其應用效果。

六、總結與展望

綜上，隨著科學技術的不斷發展，虛擬仿真技術與中學化學教學的融合是大勢所趨。在實驗模擬方面，它的應用可以使中學化學的實驗探究安全化、讓學生更加細致地觀察實驗現象，以及“縮短”反應時間;在化學知識的理解方面，使許多中學化學的宏觀知識微觀化，促進學生深入理解。但在實際應用過程中也要注意：虛擬仿真技術只能作為教學輔助手段，在合適的時機運用虛擬仿真軟件進行教學才能真正發揮其在化學教學中的最大價值。

（收稿日期：2022 -01 - 18）83EADD15-E3AC-4E0A-B9C2-1ADE9E778997