虛擬仿真實驗在初中化學實驗教學中的探索

秦建進

（甘肅省金塔縣第三中學，甘肅金塔 735300）

隨著教育信息化2.0 的發展，初中化學實驗教學技術也在不斷地推陳出新，其中虛擬仿真實驗就是一項新技術。整合化學傳統實驗和虛擬仿真實驗，是提高學生化學素養和實驗探究技能的主要途徑。為此，教師應該明確虛擬仿真實驗在初中化學實驗教學中的應用意義，依托于虛擬仿真實驗的功能和優勢，合理地策劃實驗教學計劃，帶領學生經歷實驗設計、操作探究等過程，增強學生對實驗活動的參與感和體驗感，從而持續地提升初中化學實驗教學水平。

一、虛擬仿真實驗在初中化學實驗教學中的應用意義

虛擬仿真實驗是基于仿真軟件的新型實驗模式。在初中化學實驗教學中引入虛擬仿真實驗，主要是指教師根據實驗課的目標和內容，綜合利用信息資源和仿真軟件，為學生構建虛擬的實驗環境，引導學生開展實驗猜想、設計、操作、觀察、結論研討等活動，以此拓展學生的實驗探究空間，破除傳統實驗模式存在的積弊。筆者簡單介紹虛擬仿真實驗在初中化學實驗教學中的應用意義：

首先，應用虛擬仿真實驗有利于調動學生的探索積極性。學生的化學實驗素養正處在形成階段，以往教師通常是先讓學生通過課本閱讀，了解實驗的原理和步驟，再組織學生進行實驗觀摩或操作，過程耗時長且枯燥無味，無法迅速喚起學生的探索動機。虛擬仿真實驗具有良好的人機交互性，能夠直觀地為學生呈現實驗環境和器材，把書本上靜態的文字、圖片轉化成生動、立體的情景，從而縮短實驗導入的時間，使學生對化學實驗產生求知欲和探索欲。其次，應用虛擬仿真實驗有利于彌補傳統化學實驗資源的不足。由于資源和條件有缺陷，很多實驗課題無法在真實環境下實施，比如微觀實驗、危險性較高的實驗等等，學生只能憑借教材或現成的視頻課件粗淺地了解實驗現象和操作流程，很難形成深刻的實驗認知。虛擬仿真實驗依靠信息技術的支持，能夠將微觀實驗可視化，使危險實驗變得可行，從而確保化學實驗的實效性。最后，應用虛擬仿真實驗有利于教師管理和評價化學實驗的過程。在傳統化學實驗教學模式下，教師對實驗過程存在輔導不便捷、考核不及時等問題，難以關注每個小組、每個學生的實驗操作情況，總結評價也比較簡略，影響學生開展實驗反思。虛擬仿真實驗的操作流程非常易于控制，學生的實驗步驟、實驗方法在軟件中也有據可查，教師可以靈活、便捷地參與實驗管理和輔導，及時糾正學生的操作錯誤。在最終的實驗評價階段，師生也可以利用軟件中的實驗記錄詳細地研究結論，探討實驗過程中的疏漏，從而提高教師對化學實驗的管理和評價效率［1］。

二、虛擬仿真實驗在初中化學實驗教學中的應用策略

（一）創設實驗導入情境，激發學生探索虛擬仿真實驗的興趣

學生接觸化學虛擬仿真實驗的時間尚短，教師如果直接發布實驗任務，容易給學生造成認知理解壓力，不利于后續實驗活動的開展。因此，教師必須考慮學生的認知基礎，做好實驗教學的激趣導學工作。情境創設法適用于虛擬仿真實驗的導入，教師應該根據化學實驗課題采集有關的信息資源和生活資源，創設實驗導入情境，引導學生結合情境了解實驗目的，作出初步的實驗假設，從而激發學生探索虛擬仿真實驗的興趣。具體教學方法如下：

在創設導入情境時，教師應該立足實驗課題，篩選適宜的情境素材，并且這些素材要聯系生活和學生的認知經驗。如教師可以選擇化學知識在生活中的應用實例，并以圖片、文字、短視頻等形式展示出來，創設真實的實驗情境，設計問題引導學生開展情境討論。之后教師再揭示虛擬仿真實驗任務，啟發學生結合已有的知識經驗提出實驗假設或猜想，從而加深學生對實驗課題的理解，達到激趣的目的。如在關于氨堿法制純堿的虛擬仿真實驗課上，教師就可以用電子白板出示饅頭的圖片，同時提出生活常識性的問題：假如做饅頭的面團發酸了該怎么辦？學生回答加食用堿。教師引出虛擬仿真實驗課題：制純堿實驗耗時比較長，所以我們要在虛擬軟件上完成這項實驗。真實驗和虛擬實驗的原理都是相同的，請大家閱讀氨堿法的工藝介紹資料，回顧學過的化學知識，合作討論制純堿的實驗方法和原理。學生交流后反饋猜想：用氨堿法制純堿，可以把氯化鈉、石灰石、氨氣作為原料，將氨氣通入飽和食鹽水中生成氨鹽水，再通入二氧化碳，生成溶解度較小的碳酸氫鈉沉淀和氯化銨溶液，經過濾和洗滌得到HaHCO3的微小晶體，最后加熱煅燒制得純堿產品。這樣在實驗導入情境的驅動下，學生能夠自主構建可行的實驗猜想，對化學虛擬仿真實驗活動產生濃厚的參與興趣［2］。

（二）組織實驗方案交流，鍛煉學生設計虛擬仿真實驗的能力

學生在正式參與化學虛擬仿真實驗探究之前，需要先形成比較完善的實驗方案，然后按部就班地在軟件平臺上操作。以往實驗方案一般由教師提供，學生缺少自主思考和設計的機會，后續操作的機械性較強。為此，在初中化學實驗教學中引入虛擬仿真實驗時，教師應該發揮學生設計實驗方案的主體性，組織學生分組交流、編制實驗方案，對實驗流程作出合理預設，從而鍛煉學生設計虛擬仿真實驗的能力。具體教學方法如下：

在組織學生交流化學虛擬仿真實驗的方案時，教師應該指導學生聯系在導入環節提出的猜想，以小組為單位討論和設計實驗方案，將操作步驟和要點細化分解，在練習紙上用“→”把各步驟連接起來，并標注每步的注意事項和控制措施。教師還可以巡視、提問，引導學生闡述實驗設計依據，促進學生動腦、動口，形成自主設計虛擬仿真實驗方案的意識和能力。如在關于酸堿中和反應的化學實驗教學中，這項實驗具有微觀的特點，學生提出的假設是氫氧化鈉溶液可以和鹽酸發生中和反應。教師利用虛擬實驗軟件展示燒杯、氫氧化鈉溶液、酚酞溶液、紫色石蕊溶液、稀鹽酸、膠頭滴管、玻璃棒等，組織學生四人一組進行虛擬實驗方案的討論和設計活動。學生反饋方案：在燒杯中加入約10ml 的氫氧化鈉溶液→滴入幾滴酚酞溶液→用玻璃棒攪拌→用膠頭滴管緩慢地滴加稀鹽酸，不斷攪拌溶液，直至溶液無色。教師提問：為什么大家在方案中使用酚酞溶液做指示劑，而沒有選擇紫色石蕊溶液？學生闡述依據：因為紫色石蕊溶液在堿性溶液中顯現藍色，在中性溶液中顯現紫色，兩種顏色的變化和過渡很相近，不利于實驗觀察［3］。這樣通過交流實驗方案，學生就能對虛擬仿真實驗的操作流程了然于心。

（三）應用虛擬實驗軟件，帶領學生體驗虛擬仿真實驗的過程

學生在經歷實驗猜想和方案交流活動后，已經做好開展化學虛擬仿真實驗探究的充足準備。教師應該將虛擬實驗軟件和平臺開放給學生，利用軟件的模擬場景和仿生功能，引導學生根據先前編制的實驗方案在軟件和平臺上進行自主操作，從而感受接近于真實的實驗過程，積累充足的動手實操經驗。具體教學方法如下：

在應用虛擬實驗軟件開展化學實驗探究時，教師應該指導學生先打開計算機中的虛擬實驗軟件，了解軟件平臺所提供的實驗器材，然后結合實驗前的猜想和流程計劃，用鼠標點擊軟件界面的選項，在虛擬環境下開展實驗操作［4］。此外，虛擬仿真實驗軟件為學生提供了試錯和改錯的機會，如果學生出現操作失誤，教師就可以指導學生點擊退回上一步的選項重新操作，幫助學生扎實地掌握實驗的技術要點。如在關于白磷燃燒前后質量測定的實驗教學中，傳統實驗存在氣球易破裂、白煙逸出等缺點，教師應用NOBOOK 虛擬實驗軟件改進這項實驗。學生在教師的指示下啟動軟件平臺，界面上出現錐形瓶、細沙、鑷子、白磷、氣球、橡膠塞、酒精燈、天平等器材。學生熟悉器材后，點擊鼠標開始實驗操作：將細沙均勻鋪滿錐形瓶底部，用鑷子夾一小塊白磷放入瓶中，瓶口安裝一個帶有玻璃導管和氣球的橡膠塞，玻璃管的下端接觸到白磷，把整個裝備放到托盤天平上，記錄裝備的質量；在天平上取下錐形瓶，將橡膠塞上的玻璃管放在酒精燈的火焰上灼燒一分鐘左右，快速塞緊瓶口，引燃白磷反應一段時間，等錐形瓶冷卻之后，再放到天平上測量和記錄質量。操作結束后，有的學生反映白磷沒有被引燃，還有學生得到的結果是前后質量不等，這時教師可以讓學生回看軟件中的實驗錄像，分析探討出現失誤的步驟，返回到該步驟進行二次操作。這樣在虛擬實驗軟件的支持下，學生操作化學實驗的能力得到大幅提高。

（四）加強虛擬實驗觀察，指導學生填寫虛擬仿真實驗的報告

現象觀察是化學虛擬仿真實驗教學的關鍵環節。過往部分學生的注意力集中在軟件界面操作上，對實驗現象的觀察不夠仔細，導致學生錯失一些重要的細節，降低實驗探究的成效。為此，教師應該引導學生加強觀察，在操作的基礎上密切關注實驗對象的變化情況，并把觀察所獲填寫到虛擬仿真實驗報告中，并將其作為實驗結論的研究依據。具體教學方法如下：

在引導學生觀察化學虛擬仿真實驗的現象時，教師應該根據具體的實驗操作步驟提醒學生認真觀察實驗對象的狀態、顏色變化、氣體排放等情況，指導學生把實驗現象歸納成簡潔、準確的語言，記錄在虛擬仿真實驗報告單上。如在關于一氧化碳還原氧化鐵的實驗教學中，這項實驗所用的藥品具有危險性，教師采用虛擬仿真實驗的形式開展。在實驗的過程中，教師要提醒學生觀察：用酒精噴燈加熱玻璃管中的氧化鐵粉末，粉末顏色有什么變化？澄清的石灰水發生哪些變化？尾氣燃燒時產生什么現象？學生觀察后口頭反饋：氧化鐵粉末逐漸從紅色變成黑色，澄清的石灰水變渾濁，尾氣燃燒時產生藍色的火焰。教師指導學生把這些內容填寫在實驗報告單上。這樣通過加強對虛擬仿真實驗的觀察，學生對實驗現象就能產生清晰、完整的認識［5］。

（五）研究虛擬實驗結論，彌補學生反思虛擬仿真實驗的不足

在初中化學實驗教學中應用虛擬仿真實驗的最后一步就是研究實驗結論。由于學生操作虛擬仿真實驗的過程和能力都存在差異性，部分學生可能會對正確的實驗結論產生疑問。教師在結論研究環節，應該組織學生之間協作交流，相互分享實驗成果和觀點，彌補學生自主反思實驗操作中的不足，對實驗結論形成透徹的理解。具體教學方法如下：

在研究虛擬仿真實驗的結論時，教師應該把結果探討和互動評價結合起來，引導學生回顧虛擬實驗軟件中的錄像，參考實驗報告單中的現象記錄，合作分析實驗結果和課前假設是否相符。對于沒有獲得理想實驗成果的學生，教師需要組織學生互動評價實驗流程和操作方法，糾查其中是否存在失誤和錯漏，幫扶學生改進和完善實驗操作技巧［6］。如在教學“金屬資源的利用和保護”一課時，教師可以通過虛擬實驗室為學生演示一氧化碳、氧化鐵的反應過程，讓學生了解實驗步驟，同時分析若出現操作失誤會產生哪些實驗后果。比如虛擬實驗中出現未做尾氣處理的提示，這表示需要排出尾氣，但不能在空氣中隨意排放，以防CO 的劇毒泄出；試管炸裂是由于在點燃酒精燈后才通入CO；而液體倒吸則是由于先停止通入CO 后再停止加熱。學生可以通過反思實驗中的不同現象，思考產生這種現象的原因，在總結經驗后重新實驗。教師還應提示學生鐵釘需平放入實驗容器，水要蓋過鐵釘。通過虛擬實驗發現，只與氧氣或只與水接觸不會使鐵釘生銹，但鐵釘與氧氣和水同時接觸會生銹。

三、結語

總而言之，在初中化學實驗教學中引入虛擬仿真實驗，不僅有利于調動學生的實驗探索積極性，還能提高教師對化學實驗的管理和評價效率。教師應該針對具有危險性、污染性、可操作性低的實驗課題，實施虛擬仿真實驗教學，通過創設實驗導入情境、組織實驗方案交流、指導軟件平臺操作、加強虛擬實驗觀察、研究虛擬實驗結論等路徑，培養學生探索虛擬仿真實驗的興趣和能力，從而使初中化學實驗教學模式得到革新。