NOBOOK虛擬實驗在線上實驗教學中的應用
——以“氯氣的實驗室制法”為例

福建省長汀一中(366300) 童文昭

華中師范大學教師教育學院(430079) 王后雄

近兩年，反復不定的新冠肺炎疫情給學校的教學與管理造成了諸多不便，也對課堂教學方式提出了新的挑戰。自2020年初教育部要求各級各類學校廣泛開展“停課不停學”活動后，線上線下相結合的“混合式教學”便逐漸成為當前各類學校應對突發性疫情的主要方式。然而，對于以實驗為基礎的理化生等學科，由于不少教學內容都會涉及實驗，原本在線下教學中能便捷地通過演示實驗或分組實驗解決的問題，在線上教學中卻成為一個棘手難題。為了解決這一問題，筆者嘗試利用NOBOOK虛擬實驗平臺，對線上實驗教學的設計與實施進行探索。

1 虛擬實驗與NOBOOK實驗室

所謂“虛擬實驗”是指通過仿真技術和多媒體技術模擬真實實驗情境的一種數字化實驗。依據具身認知理論，學習者認知學習的過程和結果與其身體的活動方式緊密相關。虛擬實驗利用技術手段對實驗過程進行宏觀和微觀上的虛擬仿真，還原出與真實實驗類似操作、現象，以此增強學習者的身體參與和感知。學習者進行虛擬實驗操作時，僅需與計算機發生交互，便能產生一種身臨其境的體驗，從而獲得在真實實驗中才能形成的實驗知識[1]。在應用環境上，虛擬實驗沒有特殊的場所和時間限制，學習者可以通過計算機或平板等終端設備，便捷地應用虛擬實驗軟件進行實驗設計和操作等活動。這種打破時空限制的資源共享方式，不僅有助于彌補和改善傳統實驗室條件不足所帶來的不便，對促進教師專業化和實驗教學技術發展也有重要意義[2]。

“NOBOOK虛擬實驗室”是北京樂步教育科技公司面向K12教育開發的一款實驗軟件，目前共有物理、化學、生物及小學科學四類虛擬實驗室產品，涵蓋了大多數中小學常規實驗教學所需要的實驗資源。以化學實驗資源為例，初中有121項，高中有355項。教師還可根據實際教學對實驗資源進行創新組合和應用拓展，以滿足個性化實驗教學需要。該軟件還有一個特殊的功能——試誤技能，可讓學生通過錯誤的實驗操作，了解實驗規范操作的重要性，培養學生嚴謹的實驗態度和科學精神[3]。此外，NOBOOK還提供了網頁版和終端版的實驗測評(部分實驗)，便于學生對實驗知識和技能進行自我評價和復習鞏固。教師可登陸網址www.nobook.com進行NOBOOK虛擬在線實驗，也可下載PC版軟件到終端。而且，當前不少智慧教室設備的供應商都與NOBOOK有合作，能提供智慧校園平臺對接和定制化解決方案。這意味著，NOBOOK虛擬實驗室在線上和線下教學中，都有廣泛的應用和拓展空間。

2 線上虛擬實驗教學設計原則

2.1 體驗性原則

體驗性是虛擬仿真技術的一種本質特性，也是日常實驗教學的實踐性目標之一。真實的實驗體驗一般包括對實驗現象的感官體驗、對實驗操作的動作體驗以及對實驗知識的心理體驗。由于虛擬實驗所展示的操作與現象是數字模擬動畫，所以實驗的體驗性主要依賴于教師的教學引導。具體在兩個方面：一方面是語言引導。即教師應通過教學語言，引導學生基于已有經驗進行觀察，激發其對實驗變化的好奇心和注意力，并通過思考性問題引發學生對實驗現象的思考，形成沉浸式體驗。另一方面是活動引導。盡管虛擬實驗只能通過鼠標點擊來完成“實驗操作”，但其所演示的是源于規范實驗操作的動作，具有示范的作用。因此，教師可通過設計一些與實驗操作相關的教學活動，讓學生在實驗技能上有更多的動作體驗。例如，通過NOBOOK虛擬實驗的試誤技能，讓學生感受錯誤操作帶來的后果，強化動作體驗的同時，增進對實驗知識的理解。

2.2 交互性原則

由于線上教學教師無法近距離觀察學生學習過程，師生的交流完全依賴于信息化技術支持，所以線上虛擬實驗教學在互動設計上要重于傳統課堂，才能達到預期的教學效果。根據線上教學與虛擬實驗的各自特點，其“交互性”主要表現在以下兩個方面：一方面是資源和學生之間的交互。這里的資源包括教師提供的在線學習資源和虛擬實驗平臺的資源。具體交互體現在學生完成教師發送到微信群的預習任務、學習在線課堂中播放的PPT和視頻、在虛擬實驗平臺上完成虛擬實驗操作等。通過這些交互過程，培養學生的信息的識別、獲取及應用能力。另一方面是教師和學生以及學生與學生之間的交互。具體交互表現：通過騰訊會議室的屏幕分享功能，實現教學、演示與指導、師生對話等；通過學習小組微信群和群視頻功能，實現學生之間互動交流與協作學習。

2.3 一體化原則

這里所說的“一體化”是指線上與線下的一體化。對于中學生來說，基于其學習心理發展階段特征，線上教學必定只能是線下教學的一種輔助手段。在混合式教學中，線上教學部分以新媒體技術手段提高了知識的流動效率，也提高了學習的效率。線下教學部分則以知識的系統化為目標，通過教師的教學，將學生線上所習得的碎片化知識轉化為結構化知識，促進知識的內化。因此，對于具體某一主題的實驗教學來說，線上和線下教學兩者的教學目標應該是統一的，我們不能刻意地對兩者進行分割，其界限應該是以具體內容的教學特點和要求進行劃分，區分哪些知識利用線上技術會有更佳的效果，哪些知識需要線下教學才能達成目標。只有充分認識到線上和線下教學的優劣，才能對兩者進行有機的融合，最終形成一體化，達到混合教學的最佳狀態。

3 NOBOOK線上虛擬實驗教學設計與實施——以“氯氣的實驗室制法”為例

3.1 教學設計

3.1.1 素養教學目標設計

本節課內容選自人教版高中化學必修1第2章第2節“氯及其化合物”。實驗教學是落實化學學科素養的重要教學方式，基于“氯氣的實驗室制法”教學內容在發展宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認識、科學探究與創新意識等核心素養上的意義，設計以下素養教學目標：

(1)結合已學氣體實驗室制備的方法，設計氯氣實驗室制備的裝置，掌握氯氣實驗室制法，發展證據推理與模型認知素養。

(2)通過討論氯氣凈化除雜的裝置、試劑及有關實驗操作，深化對氯氣性質的理解，提高科學探究與創新意識素養。

(3)根據實驗過程中所涉及的各種變化、原理和現象，加強對物質變化本質的認識，提高宏觀辨識與微觀探析素養。

3.1.2 教學重難點設計

重點：實驗室制備氯氣的原理、裝置與操作。

難點：氯氣制備裝置的設計及原因分析。

3.1.3 線上教學流程設計

本節課采用“騰訊會議”的方式實施在線教學，核心教學流程圍繞3個實驗任務展開，具體過程如圖1所示。

圖1 “氯氣的實驗室制法”核心任務教學流程

3.2 教學準備

3.2.1 線上教學分組

預先將學生分成10個小組，每組5～6名學生，并各自組建小組微信群，便于線上教學中學生分組討論問題，促進學生交流，提升合作學習能力。

3.2.2 錄制視頻

(1)利用錄屏軟件錄制NOBOOK虛擬實驗平臺操作視頻，實驗平臺操作培訓時備用。

(2)利用NOBOOK虛擬實驗平臺錄制氯氣制備實驗視頻，課堂教學演示時備用。

3.2.3 編制預習任務

依據教學內容編寫課前預習任務單，將其發布至班級微信群。學生按照任務清單進行自主學習，遇到問題可在微信群內與老師或同學交流討論。本節課預習任務單問題設計如下：

(1)實驗室制備氯氣的原理是什么？根據已學知識你會選擇哪種氣體發生裝置？

(2)實驗室制得的氯氣中含有哪些雜質？如何除去這些雜質？選用何種裝置？

(3)如何確認所制得的是氯氣？如何收集氯氣？需要什么裝置？

(4)尾氣是否需要處理？該怎樣處理？選擇何裝置？

(5)將上述裝置連接起來，畫出完整裝置圖。

3.3 教學實施

環節1：導入新課

同學們進入騰訊會議室，各組長匯報本組自學任務完成情況。教師抽查學生回答預習問題。

教師：本節課的實驗都在虛擬實驗室中完成，下面先學習平臺操作流程。播放“NOBOOK虛擬實驗平臺操作”視頻。

學生：觀看視頻，記錄操作流程。

教師：PPT展示“氯的發現”。

學生：閱讀化學史，了解氯氣實驗室制備的原理，收獲感悟。

教師：從中我們可以獲得哪些信息？

學生：氯氣可用軟錳礦與濃鹽酸反應制取，它是一種黃綠色有刺激性的氣體。

教師：舍勒的方法至今仍是實驗室制取氯氣的主要方法。今天我們利用NOBOOK虛擬實驗室體驗一下舍勒的氯氣發現過程。

設計意圖：檢查學生的知識儲備情況，了解虛擬實驗室的使用方法，為新課學習做好準備；利用化學史導入新課；

環節2：實驗教學

任務一：連接裝置

教師：請同學們根據預習內容，開始虛擬實驗的第一步：安裝制備氯氣的實驗裝置。

學生：點擊“新建實驗”，進行實驗裝置連接，并選擇合適的試劑放入相關裝置。

教師：利用騰訊會議屏幕分享功能，觀察學生操作過程(點名抽查)。

學生：完成任務，在小組微信群內對相關疑問進行交流討論；各組長依次分享屏幕，展示成果。

教師：PPT展示正確裝置。提問：根據所學知識可知，氣體制備裝置一般可分為幾個部分？

學生：4個部分——發生裝置、凈化裝置、收集裝置、尾氣處理裝置。

教師：請根據老師展示的正確裝置，說明每個裝置的作用和原理。

學生：對制備氯氣各裝置要用到的試劑、作用、連接方式和順序進行說明，重點說明氯氣雜質來源及其凈化順序。

教師：點評學生回答，補充完善氯氣制備實驗裝置設計原理，指出在個別抽查和小組展示中發現的問題。

設計意圖：完成氯氣制備原理和裝置教學，培養學生探究意識，構建氣體制備的認知模型。根據虛擬實驗重復成本低的特點，教師先不指導，讓學生直接操作，暴露其在實驗知識和技能上的問題，提高教學的精準度。

任務二：檢查氣密性

教師：大家都已安裝好了制取氯氣的裝置，這樣就可以開始制取氯氣了嗎？

學生：不行，還未對裝置氣密性進行檢查。

教師：請一位同學分享屏幕，結合剛才連接好的實驗裝置，講解氣密性檢查的操作。其他同學判斷操作是否正確，是否還有其他方法。

學生：點評同學的操作。小組討論其他檢查方法，組長匯報討論結果。

教師：PPT展示初中常見氣體(H2、O2、CO2)的實驗室制取裝置，請同學們思考如何對這些裝置進行氣密性檢查？

學生：小組討論并匯報。

教師：結合PPT動畫或視頻，講解和展示檢查裝置氣密性的常用方法：加熱法、滴液法、加水法、吸/吹氣法。

學生：進入“新建實驗”，將老師展示的各種氣密性檢查方法操作一遍，觀察和記錄現象。

設計意圖：檢查裝置氣密性是高中化學實驗熱門考點，原理簡單但錯誤率高。通過方法匯總展示并親身體驗，構建氣密性檢查操作的認知模型，提高學生模型認知素養。

任務三：制取氯氣

教師：現在原理、裝置、操作都清楚了，那如何檢驗制得的氣體是氯氣？如何驗滿？

學生：用濕潤的淀粉碘化鉀試紙檢驗氯氣，觀察集氣瓶中氣體的顏色判斷是否集滿。

教師：點評學生回答，結合PPT講解氯氣的檢驗原理和相關化學方程式。

教師：播放課前用NOBOOK平臺錄制的“氯氣制備實驗”視頻。

學生：描述實驗過程中所觀察到的變化，運用所學知識對現象進行分析和解釋，寫出有關化學方程式。

學生：返回“NB化學實驗”界面，搜索并進入“氯氣的實驗室制法”，開始實驗并做好相關記錄。

教師：利用屏幕分享，點名檢查學生實驗操作各環節，發現問題并糾正。

教師：現在大家都完成了氯氣的制取，結束實驗，該怎么操作？

學生：先關閉滴液漏斗開關，待燒杯中不再冒氣泡時，移出燒杯中的導管，撤離酒精燈。

教師：結合PPT講解結束實驗的操作和原因，強調停止實驗的操作順序。

教師：請描述實驗過程中所觀察到的現象，運用所學知識對現象作出解釋。

設計意圖：將實驗設計付諸實踐，使學生獲得完整的實驗操作體驗，提高實驗技能。通過實驗現象的觀察和原理的分析，發展學生宏觀辨識與微觀探析素養。

環節3：課堂小結

教師：請各小組交流和討論實驗中遇到的問題和疑惑，組長進行記錄匯總。

學生：組長匯報疑問，分享虛擬實驗心得。

教師：解答學生困惑，結合PPT對氯氣實驗室制備的原理、試劑、裝置及注意事項進行歸納。

學生：認真聽講，完成平臺實驗報告單。

設計意圖：促進學生對氯氣制取實驗進行反思和歸納，提高學生發現問題和思考問題的能力。通過學生提問，總結虛擬實驗與真實實驗的差異。

4 結語

從課后線下評估與反饋來看，就教材實驗知識本身而言，“氯氣實驗室制備”的線上虛擬實驗教學基本實現了預設的教學目標。但是作為混合式教學的一部分，“線上+虛擬”的實驗教學方式也確實表現出了一些其原生性的缺陷與不足。從實驗的驗證性價值看，虛擬實驗的確做得很好，作為一種數字化仿真實驗，它模擬了平臺中已有實驗正確的操作過程和結果。但從實驗的探究性價值看，虛擬實驗卻失去了真實實驗過程中可能產生的創造性、生成性及探究性問題，而這些問題對學生科學探究素養和實驗意識的發展都有著不可替代的作用，所以虛擬實驗只能是實驗教學的一種有效輔助手段。此外，盡管線上虛擬實驗在交互性上不存在障礙，但在體驗性及教學觀察和指導上與現場實驗教學是無法比擬的。因此基于一體化原則，有必要通過線下實驗教學對其進行彌補和完善。

當然，在教育信息化迅速發展的時代，我們也要看到虛擬實驗獨特的價值和前景。2018年4月教育部頒布的《教育信息化2.0行動計劃》和2019年2月國務院發布的《中國教育現代化2035》提出要落實信息化技術在教育中深度融合應用的要求。虛擬實驗為實驗教學的信息化開辟了一條道路，也帶來了一種新的教學體驗。盡管當前還處于初步簡單應用階段，在實驗行為甄別、教學數據的挖掘和應用方面都還有許多待完善的地方。但不可否認其對實驗教學和混合式教學的研究都有著重大的意義，在迎合教育信息化需求的同時，還能對一些因條件不足而無法開展的傳統實驗教學進行有效補充。隨著未來在線教育對大數據和人工智能技術的進一步開發利用，虛擬實驗教學數據的挖掘和處理技術將會變得更加智能化，這能為實驗教學行為分析提供更多的證據支持，也將使我們的實驗教學變得更加精準和有效。