虛實融合的化學探究式實驗教學

易立鐵 羅虹

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確提出：鼓勵教師運用信息技術提高課堂教學效率和質量，強化信息技術與化學教學的深度融合，關注虛擬現實技術的支持的個性化學習，適時引入化學教學中?；瘜W實驗對于培養學生的科學精神、探究能力、證據推理等素養具有重要價值。當前，化學教師都在積極探索信息技術在實驗教學中的融合應用路徑。為解決傳統實驗教學中危險實驗、抽象實驗、復雜實驗實施困難的問題，避免以虛擬實驗完全替代傳統實驗的誤區，筆者以高中化學“原電池”為例，設計虛實融合的化學探究實驗教學模式，虛實融合，科學、合理、適度使用虛擬技術，力求實現傳統實驗與虛擬實驗優勢互補。

一、虛擬實驗特點與應用場景

隨著信息技術不斷發展，虛擬技術在實驗教學中得到廣泛應用。教師應用虛擬現實技術（VR），創建可交互的立體動態場景并開展仿真實驗，使學生獲得沉浸式體驗。近年來，基于VR的虛擬實驗教學資源逐漸豐富，該技術具有高沉浸度、強交互性的特點，對提升學生認知及技能具有極大價值。VR教學已成為信息技術和教育融合發展的重要領域。當然，傳統實驗中，學生多感官參與，可以獲得高度的臨場感體驗，這對培養學生實際操作能力具有不可替代的作用；虛擬實驗是對傳統實驗的補充與輔助，不能完全取代傳統實驗。那么，如何合理、適度應用虛擬技術開展實驗教學，促進傳統實驗與虛擬實驗的融合互補呢？筆者構建虛實融合的探究式實驗教學模式，以高中化學“原電池”單元實驗教學設計為例，探究虛實融合的化學實驗教學新路徑。

虛擬實驗主要用于以下三種場景。一是解決傳統實驗教學中存在的“三不”問題，即危險實驗做不了、抽象實驗不好做、復雜實驗做不好。教師應用VR開展虛擬實驗教學系統，能夠有效規避實驗安全風險、縮短實驗反應時間、省去復雜實驗的準備，并為學生提供操作步驟指引，有效解決上述“三不”問題。二是給學生提供“試錯”機會。對于傳統實驗而言，受條件限制，教師在有限的實驗時間內，為了追求實驗效率（快出成果），通常讓“熟手學生”操作并把控過程，其他學生只能旁觀，很難有操作機會。教師開展虛擬實驗，能有效減輕學生害怕出錯的心理負擔，讓學生用系統反復嘗試，提高探究能力。三是優化實驗資源配置。部分實驗器材、藥品較為昂貴，有些實驗涉及危化品，例如學校對實驗物品（如鎂條、液態汞、強酸、強堿）的購置、管理、處置均有嚴格的管控。教師可以在必要的真實實驗基礎上補充虛擬實驗，提高實驗的開出率和重復率，提高實驗教學效益。

二、虛實融合的化學探究式實驗教學原則與模式

虛擬和現實環境對于學生的學習各有利弊，前者有利于學生使用豐富的數字化資源開展跨地域的協作學習、拓寬知識視野，后者有利于學生獲得臨場體驗，提高實際操作能力[1]。教師應將虛擬實驗與傳統實驗相結合對教學進行優化，既發揮傳統實驗對培養學生科學探究、創新精神、實驗技能等素養的主渠道作用，又發揮虛擬技術對解決現實難題、激發學習動機、增強學習體驗、創設沉浸情境等方面的優勢，實現融合互補，構建更適合學生全面而個性化發展的實驗教學模式。

（一）虛實融合的實驗教學原則

1.素養導向原則

化學實驗對于培養學生的科學探究與創新意識、證據推理與模型認知、科學態度與責任意識等素養具有極其重要的作用。虛實融合的實驗教學其核心在于合理選擇、科學設計實驗內容與實驗形式，教師要明確每項實驗設計的目的、素養培養指向。不論是傳統實驗還是虛擬實驗，教師都應將發展學生學科核心素養放在首位，盡可能給予學生多樣的實驗方案選擇，滿足學生個性化學習需求，讓學生在實驗中探究、體驗、觀察、分析、推理、總結，發展素養，提升能力。

2.融合互補原則

傳統實驗在化學實驗教學中的地位是不可取代的。傳統實驗臨場感強，教師通過視覺、觸覺、嗅覺刺激，讓學生真正多感官交互，這些真實實驗中的偶然和未知的東西是虛擬實驗所不能呈現的。離開真實實驗，學生將失去對化學的親身感受，無法提高實驗操作能力；沒有了真實實驗，學生會失去因化學中的“誤差”或“意外”“偶然”而可能誕生的有價值發現的機會[2]?；诖?，教師必須堅持以傳統實驗為主，虛擬實驗作為傳統實驗的補充與拓展的理念，合理適度使用虛擬實驗，充分發揮其在危險實驗、微觀探究（或宏觀）實驗、抽象實驗、復雜實驗、重復實驗等方面的優勢，實現虛實融合、優勢互補。

（二）虛實融合的化學實驗教學模式

根據上述原則，筆者結合傳統實驗和虛擬實驗各自優勢，構建虛實融合的化學探究式實驗教學模式（如圖1）。教師采用虛實融合的化學探究式實驗模式教學時，要對各環節具體把控。

在創設情境與激發興趣環節，教師應力求從真身的生活情境中讓學生去發現問題，引發學生的探究欲望。教師可以安排短小、便捷、簡單的傳統實驗，讓學生體驗真實的問題情境，但在教學中若無法找到合適的小實驗，或存在危險、費時、復雜等問題，則可以選擇虛擬實驗來替代。

在設計方案與實驗探究環節，對于方便組織、器材齊備、條件基本具備的實驗，教師應盡可能開展傳統實驗教學。如果存在危險性、環境不支持、反應時間過長、過于復雜、需要多次重復等情形，教師可以安排虛擬實驗，讓學生自主設計、自主選擇實驗方案，利用虛擬實驗平臺開展實驗探究，嘗試不同方案，滿足個性化實驗需求，提高學生科學探究素養。

在驗證環節，教師應可能安排真實實驗進行驗證。真實環境產生的可信感高于虛擬環境，有利于學生建構知識和意義。如不具備實際試驗條件，可利用虛擬實驗驗證。

在課后練習環節，大部分學生不具備真實實驗練習條件，可以虛擬實驗為主。

三、案例分析

（一）基于大單元教學理念的教學設計

1.單元教學設計思路

筆者基于“大單元教學”設計理念，根據化學學科核心素養的培養要求和《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》對相關知識的教學要求，對高中化學必修模塊主題3、選擇性必修課程主題1中“原電池”相關內容重組，將“原電池”作為一個大單元（主題）進行教學設計，同時結合學情確定了學科核心素養導向的“原電池”單元教學目標。

2.單元教學整體設計

筆者按照單元教學目標，計劃用3個課時教學。第一課時：教師通過食物電池與實驗聯系起來，從宏觀入手，通過微觀分析和符號表達，引導學生認識原電池的原理與構成條件。教學主要任務是讓學生了解原電池原理，探究原電池構成條件，旨在發展“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”素養。第二課時：教師將單雙液原電池的真實和虛擬實驗進行對比，引導學生收集并運用證據從原理維度建立原電池認識模型，幫助他們深化對原電池原理的理解，從而提高“科學探究與創新意識”“宏觀辨識與微觀探析”素養。第三課時：對“原電池”應用進行拓展。教師引導學生了解電池的發展史，綜合應用“原電池”工作原理，分析經典“原電池”，激發學生探究熱情，從而提高“模型認知”“科學態度和社會責任”素養。“原電池”單元教學整體設計如圖2所示。

（二）單元實驗教學設計

按照以上單元主題教學設計思路，筆者應用虛實融合的化學探究式實驗教學模式，對教學主題涉及的實驗進行統一設計。其中，第一、第二個實驗安排在第一課時完成，第三、第四、第五個實驗安排在第二課時完成。

實驗1：食物電池

實驗目的：利用真實情境，激發學生興趣。

實驗形式：傳統演示實驗。

實驗裝置：教師制作的食物電池（控制變量為食物的種類）。

實驗步驟：教師首先展示準備好的3種食物搭建的電池，先不連接回路，引導學生認識3種食物（蘋果、月餅、白蘿卜）和線路結構（如圖3），然后依次連接形成回路，讓學生觀察電流表指針偏轉情況。

實驗結果分析：師生通過對比發現，白蘿卜和蘋果都能構成電池，“月餅電池”卻沒有產生電流；此外，白蘿卜和蘋果構成的電池電流不同。

教師引導：為什么果蔬能形成“原電池”，而月餅卻不能呢？構成一套“原電池”需要滿足哪些條件？為了解答這些問題，大家開始探究“原電池”的形成條件。

實驗2：探究“原電池”的構成條件

實驗目的：教師利用3D虛擬實驗，讓學生控制不同的自變量，設計、驗證不同的“原電池”裝置。學生對不同變量下的“原電池”裝置進行對比研究，從裝置維度認識“原電池”，提高“證據推理與模型認知”素養。

實驗形式：虛擬實驗中的3D實驗。學生根據“原電池”的工作原理繪制、設計了多種“原電池”裝置?？紤]到如果采用傳統的分組實驗方式驗證所有方案將面臨繁重的分組實驗準備工作、實驗時長不可控以及學生參與探究的時間和機會受限等問題，筆者將部分實驗設計為虛擬實驗，讓學生借助電腦進行3D實驗操作，高效驗證實驗方案。

實驗裝置：虛擬實驗平臺的3D實驗中的“原電池”形成條件這一資源模塊附帶的儀器與試劑。

實驗步驟：學生首先設計并繪制不同變量下的“原電池”裝置圖（如圖4、圖5為兩個組的設計方案），然后分組用虛擬實驗中的3D實驗驗證自己的設計，通過分析、搜集實驗中的“證據”來建立“原電池”工作原理的裝置模型。

實驗結果分析：當電解液為稀硫酸，電極材料為Cu或者C時均沒有電流產生，說明“原電池”存在自發進行的氧化還原反應；當電解液為稀硫酸，電極材料其中一個為Zn電極，另外一個為Cu或者C時均有電流產生，而當電極材料均為Zn時電流表指針沒有偏轉，說明構成“原電池”需要活動性不同的兩極；當燒杯中的液體為乙醇時沒有電流產生，說明“原電池”的形成需要電解質溶液（如圖6）。

實驗3：對比單液“原電池”虛實實驗現象

實驗目的：教師引發虛擬和真實實驗現象方面的沖突，激發學生探究熱情，進而引導學生探究改進“原電池”裝置方法，以培養學生“科學探究與創新意識”素養。

實驗形式：傳統演示實驗。

實驗裝置：單液“原電池”裝置（以銅、鋅為電極，用稀硫酸做電解質溶液）。

實驗步驟：教師出示準備好的裝置，先不連接電路，指出電解質溶液、電流表、回路等，讓學生連接電路，觀察電極氣泡、電流表偏轉情況，分析現象產生的原因。

實驗結果分析：學生操作銅鋅“原電池”的3D虛擬實驗，發現虛擬實驗與真實的銅鋅硫酸“原電池”的現象并不完全一致，即虛擬實驗中的銅鋅硫酸“原電池”體系中氣泡只在正極表面產生；而在真實實驗條件下“原電池”的負極也產生了大量氣泡（如圖7）。學生在虛實兩種情境下操作同一實驗，反應現象卻大不相同。這一沖突引發學生進一步思考：負極氣泡對電流效率有何影響？如何改進實驗裝置以提高電流效率？

實驗4：對比單、雙液（鹽橋）原電池

實驗目的：探索單液“原電池”改進方法，探究雙液“原電池”工作原理。

實驗形式：虛擬實驗中的VR實驗。因學生已有探究“原電池”的實驗基礎，為避免復雜的實驗準備工作，教師控制實驗時間，為學生提供試錯機會，擴大實驗參與面，讓他們應用VR開展虛擬實驗。

實驗裝置：虛擬實驗平臺的VR實驗資源中的雙液（鹽橋）“原電池”這一資源模塊附帶的儀器與試劑。

實驗步驟：學生先分組討論，畫出裝置簡圖，再利用虛擬實驗平臺完成對比實驗（如圖8），觀察實驗現象，搜集、記錄實驗數據，并對實驗結果進行總結分析。

實驗結果分析：學生通過VR實驗得出結論，雙液（鹽橋）“原電池”的電流表指針偏轉幅度大于單液“原電池”，說明雙液（鹽橋）“原電池”的工作效率明顯高于單液“原電池”（如圖8）。

實驗5：演示雙液（鹽橋）“原電池”

實驗目的：用真實實驗驗證雙液（鹽橋）“原電池”工作效率。

實驗形式：傳統演示實驗。利用真實實驗進行驗證，提高實驗結果的可信度。

實驗裝置：雙液“原電池”裝置（由鋅、銅、硫酸、鹽橋、電流表等組成）。

實驗步驟：首先，教師出示準備好的雙液（鹽橋）“原電池”裝置，連接好電路，先不放入鹽橋，讓學生觀察兩極現象；然后，放入鹽橋（如圖9），讓學生觀察兩極現象、電流表指針偏轉情況；最后，分析產生現象的原因。

實驗結果分析：放入鹽橋后，電流表指針發生較大幅度偏轉，且鋅的表面沒有氣泡產生，說明鹽橋“原電池”阻止了鋅與硫酸的接觸。在實驗中，教師做了氧化劑、還原劑分離的設計，提高了電池的電流轉化效率，有利于學生轉變迷思概念，讓他們認識到“原電池”產生的“動力”并不是來源于氧化劑與還原劑的接觸。

虛實融合的化學探究式實驗教學模式的精髓在于遵循“以實為主，虛實互補”的基本思路，“科學、適度”應用虛擬技術，解決傳統實驗存在的問題。實踐證明，該模式對指導教師設計虛實融合的化學探究實驗有積極意義。教師需要不斷更新觀念，豐富實驗教學資源，提高數字化實驗教學能力，只有這樣才能真正做到以培育學科核心素養為導向，綜合考慮教學內容、學生現狀、實驗教學環境、軟件資源等情況，合理安排傳統實驗與虛擬實驗，優勢互補，提高實驗教學水平。

參考文獻

[1] 劉德建，劉曉琳，張琰，等.虛擬現實技術教育應用的潛力、進展與挑戰[J].開放教育研究，2016（4）：25-31.

[2] 李耀東.化學實驗能否被虛擬實驗所替代[J].中小學實驗與裝備，2017（1）：35-36.

（作者易立鐵系四川省成都市金牛區教育科學研究院高級教師；羅虹系四川省成都市第二十中學校教師）

責任編輯：祝元志