應用虛擬實驗工具開展主題教學破除學生認知障礙

鄒雪連　徐京漢

摘要： 為解決傳統化學實驗教學不夠精確、直觀和高效的問題，滿足學生體驗構建概念或原理過程的需求，教師將虛擬實驗工具與傳統實驗融合開展主題教學，引導學生“從宏觀到微觀，從定性到定量，從靜態到動態多角度、多層次實驗與探討”，幫助學生有效建構核心概念。實踐證明，科學應用虛擬實驗工具開展“水溶液中離子反應與平衡”等主題教學，可以精確表征宏觀現象與微觀本質間的關系，助力學生體驗科學探究過程，實現實驗的精確定量分析，破除認知障礙，提高學生化學學科核心素養。

關鍵詞：虛擬實驗工具；科學探究；化學實驗教學；離子反應與平衡

教育部于2019年印發了《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，倡導傳統實驗教學與現代新興科技有機融合，指出對于因受時空限制而在現實世界中無法觀察和控制的事物和現象、變化太快或太慢的過程，以及有危險性、破壞性和對環境有危害的實驗，可用增強現實、虛擬現實等技術手段呈現。在國家教育政策指引下，在科技進步的驅動下，虛擬實驗工具的開發與應用日新月異。化學實驗教學相關軟件可以支撐初高中經典實驗，一些軟件載有熱力學引擎、導管引擎、粒子引擎、速率系統、化學平衡系統，支持學生直觀地觀察感受微觀粒子的運動與變化。在信息技術支持下一些定量實驗也可以精確、高效地開展。學生自主設計并高效率實施實驗探究成為可能。筆者以“水溶液中離子反應與平衡”教學為例，嘗試將虛擬實驗工具融入課堂，拓展教學內容的廣度和深度，延伸教學時間和空間，提高教學質量。

一、“水溶液中離子反應與平衡”主題教學需要解決的問題

“水溶液中離子反應與平衡”是《普通高中教科書 化學 選擇性必修1 化學反應原理》中的一個知識模塊。在教學中，教師要引導學生對化學反應從宏觀到微觀、從定性到定量、從靜態到動態進行多角度多層次實驗與探討，使學生深入理解化學反應的過程和本質、更有效地預測和控制化學反應。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》要求教師開展“水溶液中離子反應與平衡”主題教學，通過對電離平衡等平衡體系存在的證明及平衡移動的分析，發展學生的微粒觀、平衡觀和守恒觀；關注水溶液體系的特點，結合實驗現象、數據等證據素材，引導學生形成認識水溶液中離子反應與平衡的基本思路。

筆者發現，用傳統模式開展“水溶液中的離子反應與平衡”主題教學存在以下問題。

一是在關聯宏觀現象與微觀原理的分析過程中，難以實現微觀表征精確可視化。通過該主題內容的學習，學生“從宏觀和微觀相結合的視角分析與解決實際問題”的能力應得以提升。但學生僅憑想象難以把握粒子運動與變化的本質，不能準確預測粒子行為，無法對傳統實驗中觀察到的宏觀現象產生正確關聯，不能正確分析平衡的原理本質。

二是難以精確控制實驗變量，難以精準有效收集數據等證據素材。在主題實驗探究活動中，學生需要針對有探究價值的化學問題，用動態平衡的觀點考察化學反應，預測在一定條件下某種物質可能發生的化學變化，并設計實驗方案，但目前大多中學實驗室條件有限，難以支持學生獲得有效的實驗現象與證據。學生無法基于證據進行分析推理，證實或證偽假設，不能對假設預測、實驗方案、實驗結論進行完整論證。學生日益發展的設計創新實驗方案的能力與難以提供相應支持的現有實驗條件之間的矛盾逐漸凸顯。

三是有限的課時難以支撐所有經典實驗都遵循科學探究的路徑去完成。“水溶液中的離子反應與平衡”主題包含較多核心概念和豐富的理論知識，教師只有將理論知識和實驗探究結合起來，通過理論知識的教學促進學生實驗探究，才能提高學生的實驗和應用能力，教學質量也會隨之提高。高二化學周課時一般為四節，如何在有限的課時內完成理論知識的教學，并深入理解，練習、實踐，是教師必須面對并解決的問題。

以上種種問題根源在于傳統化學學科實驗教學不夠精確、直觀和高效，不能滿足學生經歷概念或原理的建構過程的需要。這些問題是否可以借助虛擬實驗工具解決？課堂教學中融入虛擬實驗工具，是否可以幫助學生突破教學難點，建構核心概念，發展學生化學核心素養？

二、運用虛擬實驗工具，突破教學難點，破除學生認知障礙

在“水溶液中離子反應與平衡”教學中，筆者應用虛擬實驗工具開展了以下探索。

（一）精確表征宏觀現象與微觀本質間的關系

“電離平衡”教學涉及“電解質在水溶液中的行為”和“電離平衡”兩個核心概念。筆者將虛擬實驗工具融入教學，對教學環節做了新的設計（如圖1）。

教師開展實驗1、2、3的教學，旨在引導學生分析微觀粒子對反應速率的影響，建立并發展學生的微粒觀。教師提出問題：為什么相同濃度的不同種一元酸，氫離子濃度不同？為了讓學生認識強、弱電解質在水溶液中的電離程度不同，教師設計實驗用以測量濃度均為0.1 mol/L鹽酸和醋酸溶液pH，并用電導率測定儀檢測0.1 mol/L鹽酸、醋酸和蒸餾水的導電性。教師通過上述實驗引領學生通過現象從宏觀層面建立強、弱電解質的概念。學生如要掌握化學學科的思想和方法，還需要從微觀層面理解強、弱電解質在水溶液中的行為差異。為此，教師設計了虛擬實驗4：學生在平臺上點開虛擬實驗工具，點擊“弱電解質的電離平衡”虛擬實驗下的播放按鈕，屏幕上出現氫氟酸、鹽酸在水中電離的微觀動畫演示。通過對比觀察兩種酸的不同電離行為，學生更直觀地感受到強、弱電解質的電離程度差異。相較于用文字敘述，教師以虛擬實驗呈現微觀物質在特定條件下的性質和變化的方式教學更能加深學生印象（如圖2），有助于學生更直觀地認識強、弱電解質電離程度不同，從而更好地發展宏觀辨識與微觀探析核心素養。

在探究“酸根離子可以結合氫離子變成酸嗎”的環節，在學生對電解質在水溶液中的行為有了一定認識后，教師提出問題：酸根可以結合氫離子生成酸嗎？對于酸的電離過程能否逆向進行的問題，學生思考與討論后設計了實驗方案：向鹽酸、乙酸中分別加入氯化鈉、醋酸銨固體，測定溶液pH是否變化。學生通過實驗，得出結論：增大醋酸根離子濃度，醋酸的電離逆向移動，而增大氯離子濃度，鹽酸的電離不能逆向移動。結合之前的化學平衡知識，學生初步推測醋酸中的平衡狀態。如何幫助學生驗證其推測？能否尋找更多證據證明平衡狀態的存在？虛擬實驗工具可以幫助學生實施自己的探究方案，助力學生證實或證偽假設，建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系。教師引導學生運用虛擬實驗工具中“醋酸的電離平衡”實驗，分別點擊相應按鈕加入氫氧化鈉固體、加入醋酸鈉固體、加熱、加水，施加影響，讓學生觀察各種粒子的濃度變化。平臺界面左側的數據欄實時顯示醋酸電離度、溶液pH和醋酸根離子濃度數據。學生應用虛擬實驗工具實現了實驗的微觀演示與數據的精準呈現，收集了充分的證據，直觀有效地證明了電離平衡狀態的存在，發展了平衡觀和微粒觀。對于電離平衡移動的實驗，學生采用先預測再用虛擬實驗工具驗證的策略進行操作、分析。借助虛擬實驗工具，學生有效構建了“電解質在水溶液中的行為”和“電離平衡”兩個核心概念，高效完成了本節課的學習內容。

（二）助力學生體驗科學探究過程，發展科學探究能力

“電離平衡常數”其中一個教學難點是：如何在外界條件變化的情況下利用電離常數判斷弱電解質平衡的移動方向。在教學過程中，教師讓學生借助虛擬實驗工具，經歷了較完整的科學探究過程，突破了難點（如圖3），同時發展了科學探究能力。

學生利用電離平衡常數知識，從理論上計算外界條件改變后的濃度商，通過比較濃度商與電離平衡常數的相對大小，預測平衡移動方向及體系中各粒子濃度變化趨勢，提出并設計探究方案，登錄平臺使用虛擬實驗工具，點開“醋酸的電離平衡影響因素”，通過鼠標操作連接pH計、溶液導電裝置，以獲得更豐富的實驗現象。學生使用虛擬實驗工具改變外界條件，點擊“加水稀釋”后，從微觀動畫圖像上看到，更多的醋酸分子發生電離，但體系中離子濃度是減小的，事先連接的導電裝置中電流減小，燈泡變暗。學生首先通過界面左側的數據欄，獲得醋酸電離度、溶液pH、醋酸根離子濃度等實時數據，然后根據虛擬實驗工具獲取的豐富實驗事實與準確數據，對之前的預測進行檢驗與評價，最后通過組內、組間分析交流，得出實驗結論。在本節課的教學難點突破過程中，教師借助虛擬實驗工具將理論推導可視化（如圖4），發展了學生的微粒觀、平衡觀和守恒觀；利用虛擬實驗的實驗現象、數據等證據素材，引導學生明確認識水溶液中離子反應與平衡的基本思路。

（三）實現實驗的精確定量分析

要掌握酸堿中和滴定這種重要的定量分析方法（如圖5），學生需要理解中和滴定原理，完成對酸堿中和反應過程中pH變化特點進行探究（如圖6）。此處難點是如何在0.1000 mol/L NaOH溶液滴定20.00 mL 0.1000 mol/L 鹽酸過程中選擇酸堿指示劑。

為突破難點，教師選擇了傳統實驗與虛擬實驗相結合的方式開展實驗教學。在教師引導下，學生首先做定性實驗，檢驗酚酞、石蕊、甲基橙三種指示劑在酸堿反應過程中的顏色變化情況，初步將指示劑范圍縮小到酚酞與甲基橙，然后打開虛擬實驗工具，選擇“強酸與強堿的中和滴定及其應用”實驗，用滑動條工具選擇相應濃度的鹽酸和氫氧化鈉溶液，搭建酸堿中和滴定裝置，選擇接入pH計，開始中和滴定，最后借助虛擬實驗工具實時分析處理數據，繪制滴定曲線。結合滴定過程、滴定曲線與有關精確滴定數據，學生知曉應按照滴定突躍范圍選擇指示劑，同時，基于精確的滴定數據分析，理解了為什么在酸堿中和滴定接近終點時只滴加半滴溶液。從定性分析到定量分析，在虛擬實驗工具輔助下，學生直觀高效地學習了滴定原理，掌握了滴定曲線的繪制方法，加深了對酸堿中和滴定的認識。

三、總結

虛擬實驗技術與中學化學實驗教學深度融合，已成常態。教師在需要精確控制變量的實驗中運用虛擬實驗工具教學，可以節約時間，提高效率，如化學反應速率測定實驗等。教師開展虛擬實驗教學，延伸了實驗教學的時間和空間，支持學生在課下完成“設計制備、收集氯氣的實驗”等經典實驗的復習和預習任務；在化學教學中，教師適當使用虛擬實驗工具直觀顯示能量轉化、電子轉移，有利于學生清晰認識研究對象的本質、構成要素及其相互關系，構建認知模型，形成解決復雜化學問題的思維框架。虛擬實驗工具的應用豐富了學生的實驗體驗，提高了學生的科學探究能力，為更好地開展化學教學創造了條件。

（教學案例由北京市第五十五中學教師梅芳、張靜、邢苗苗提供。）

注：本文系國家新聞出版署出版融合發展（人教社）重點實驗室、人民教育出版社人教數字教育研究院2021年重點課題“信息化教學環境下基于虛擬實驗的化學學科工具對學生科學探究能力提升的研究”（課題編號：RJA0121011）的研究成果。

（作者系北京市第五十五中學教師）

責任編輯：祝元志