“虛實結合”—基于仿真實驗構建融合教學情境

胡力丹，陶 悅，楊 濤，宋 潔*

（淮陰師范學院，江蘇 淮安 223300）

0 前言

教學情境是指對教學行為有重要影響的各種物質的、制度的、精神的因素構成的課堂環境和氛圍[1]。杜威認為探究學習的首先環節就是情境，可見教學情境的重要性[2]。化學教學情境是指化學課堂教學的教師就具體教學內容所創設具體情景的認知邏輯、情感、行為、社會的發展等方面背景的綜合體[3]。《化學課程標準》中提到“實驗是化學學科的重要組成部分，要讓化學學科以及化學實驗與現代信息技術深度融合，合理使用計算機模擬實驗”，在學科教學方法指導中強調，“重視學科大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情境化，促進學科核心素養的落實”[4]。

王后雄等對化學課程標準中情境素材建議的研究中指出：課程標準中“情境素材建議”來源廣泛，教師要搜集更多、更好的情境素材擇優使用，特別是化學實驗，是一種典型的、具有學科特質的實踐類情境，教師在教學中要多加使用[5]。但是，受到高考方案、資源限制、教師觀念等因素的影響，中學化學實驗教學被淡化[6]，具有學科特質的教學情境難以構建，教學效果遠達不到課標的要求。

虛擬仿真實驗引入中學化學課堂，不僅可以降低實驗投資成本，學生還可以親手模擬實驗，“NOBOOK虛擬實驗”（簡稱NB實驗）化學虛擬實驗室操作簡單、體驗感強，各種師生互動性實驗不斷被開發，吸引了教育研究者的興趣[7-9]。本文將探究以NB虛擬仿真實驗為載體課堂情境構建，探索NB實驗的在中學的應用實例，為中學開展虛擬仿真實驗提供一定的參考，也為教學改革找到新方向。

1 NB虛擬實驗簡介

NB實驗是由北京樂步公司于2014年開發的一款功能齊全的虛擬實驗室軟件，包括物理、化學、生物和小學科學4門學科的實驗，與全球上萬所學校、培訓機構、教育信息化平臺合作良好。NB實驗平臺可以在電腦、手機、平板等多媒

體終端上使用。NB化學虛擬實驗室是一款為初高中化學實驗設計的教學工具，包含500多項初高中演示實驗以及互動課件資源，涵蓋了253種常見藥品和117種實驗儀器等素材庫，可以在虛擬環境下演示資源中的經典化學實驗[8]。NB化學虛擬實驗室具有界面簡潔、操控方便、現象明顯，趣味性和交互性強等特點，還可以根據需要，選擇資源庫中的藥品和器材搭建創新實驗，并可保存或上傳至云平臺，方便教師調用和共享，總體使用感較好。

2 化學課堂常用情境素材

實驗課堂教學情境中常用的情境素材有真實實驗，視頻資料或圖片，以及仿真實驗等，從參與感、互動性、經費投入、污染性、危險性、便捷性幾個方面分析以上素材的特點，如表1所示。

表1 不同教學情境素材的特點對照表

目前的教學實際中，視頻素材經常被用來代替真實實驗，教學效果并不理想，學生不能被帶入真實的情境中，而虛擬實驗的仿真度和互動性更強，教師可根據學校實驗條件、課堂教學需要，并結合自身教學風格和習慣，將不同類型的虛擬實驗素材作為真實實驗的補充，合理有效地應用于課堂教學情境的構建，切實提高課堂教學質量和效率。NB實驗素材的應用場景有以下幾種：

3 虛實結合融合教學情境案例

化學實驗開展要以安全為前提，《義務教育化學課程標準》中提到，化學實驗應注重安全問題。在現實中，部分實驗具有一定的危險性（如涉及濃硫酸、濃硝酸、過氧化氫的實驗），這些管制化學品具有強氧化性、腐蝕性或毒性，購買和管理相對復雜；另外一些實驗現象比較劇烈（如鋁熱反應實驗、濃硫酸的脫水性實驗），在防護不達標的情況下可能存在安全隱患；還有一類實驗涉及毒有害物質，如高中必修中氯氣、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮等氣體的制備和性質，教師通常提前在實驗室制取，上課時帶給學生觀察或做性質實驗，制備過程、儀器裝置特征的分析只能依靠實驗視頻或圖片，代入感不強，難以融入實驗情境，學生主要通過記憶的方法進行學習，達不到實驗訓練的目的。將虛擬仿真實驗和真實實驗有機結合，可以構建豐富的實驗教學情境

以《濃硫酸的性質》為例，在構建實驗教學情境時可以選用的素材分別是：教師演示真實實驗、演示實驗視頻、NB仿真實驗，NB實驗提供了以下三個性質實驗的仿真實驗：濃硫酸和蔗糖反應、濃硫酸和銅反應，濃硫酸和碳反應。教師可以根據實驗條件選擇適合的情境組合方案，如表2所示，情境方案1-3分別是單獨使用某一種實驗素材，4、5是三種素材組合使用，在方案5中，濃硫酸和蔗糖的反應可以直接演示，再通過仿真實驗，比較反應物量不同時，該反應的劇烈程度，讓學生感受危險的相對性和可控性。濃硫酸和銅的反應教師可直接演示，對照稀硫酸和銅的反應，指導學生觀察、檢驗產物、注意反應條件并正確書寫反應方程式。濃硫酸和碳的反應裝置相對復雜，可安排演示實驗視頻，快速觀看完之后，讓學生利用仿真實驗重復實驗，從反應裝置、收集裝置、檢驗、尾氣處理、反應條件等方面展開討論，把考點直觀地展示在分析過程中，對于基礎比較好的同學，還可以鼓勵他們結合實驗裝置總結討論本節課的重點、難點及考點，構建全體同學參與的沉浸式實驗課堂。

表2 不同實驗素材構建化學實驗教學情境示例

4 NB實驗的其他功能

NB實驗涉及的內容較廣泛，可根據關鍵詞搜索相關實驗，如搜索“噴泉”，會顯示三個不同的噴泉實驗：氯化氫噴泉、二氧化碳噴泉、鋅和硫酸噴泉，教師可以靈活對比相關實驗，組織學生探究分析討論“產生噴泉的實質”。如搜索“鈉”，將顯示與“鈉”有關的實驗，通過實驗梳理知識，訓練學生的邏輯思維，將知識網絡化，提高應用能力。

NB結構化學實驗通過三維動畫的形式，形象地展示了原子結構、電子云、雜化軌道等抽象概念，還有涵蓋元素周期表中所有元素的原子核外電子排布，學生可以在游戲化的互動課件中練習，系統設置了錯誤提示，直至正確完成。仿真度和互動性較強，得到師生的認可。

此外，NB實驗還提供了試錯功能，如高錳酸鉀制取氧氣實驗中，教師會提醒學生：固體原料的加熱操作中，試管口要略向下傾斜，否則生成的水，或者是樣品中含有的水可能讓試管炸裂。這個過程無論在教師演示，還是實驗視頻中都難以展示，NB實驗可以模擬試管略向上傾斜時，試管炸裂的場景，說明了規范操作的重要性，強化學生的安全意識。

5 結論

NB為化學實驗情境的構建提供了豐富的資源，教師在實際應用中的不斷探索，能夠對教學產生積極的影響。當然，該軟件平臺的應用還需要得到以下幾方面的支持：

（1）電腦設備基本普及的情況下，學校還需要花費一定的費用購買軟件使用權，確保軟件能夠很好地運行；

（2）開始使用時，教師需要經過一段時間的練習，熟悉掌握軟件平臺的操作，因此，教師需要抱有開放學習的心態，將更能有效發揮仿真實驗在課堂中的作用；

（3）NB公司應提供優質的技術支持，確保軟件流暢應用的基礎上，廣泛征集一線教師的意見，積極回應教師提出的個性化要求，鼓勵和支持教師開發創新仿真實驗，真正將仿真實驗與真實實驗融合應用。

開發和應用仿真實驗符合信息技術與教學結合的教育政策需求，其目的是更好地為中學化學的實驗教學服務，讓教師易教，讓學生易學，切實提高課堂教學效果。此外，仿真實驗在課堂教學中的應用是教學改革研究的新方向。