虛擬實驗室環(huán)境下高中化學探究式教學研究

摘要：虛擬實驗室教學是科技發(fā)展的產(chǎn)物，也是構建虛擬實驗的重要載體。能利用其科技優(yōu)勢和技術優(yōu)勢為學生提供安全、高效、科學、活動、真實的實驗環(huán)境和操作過程。對此，基于虛擬實驗室環(huán)境的高中化學探究式教學，要利用虛擬實驗室條件搭建探究、思考、實踐操作過程，為學生深度研究和細致觀察提供載體和環(huán)境。對此，教師要靈活利用虛擬實驗室條件為學生創(chuàng)建探究式化學研究過程，從設計實驗、操作、情境研究、問題思考、情景回顧反思、總結和復習微視頻錄制等環(huán)節(jié)設置探究式學習研究過程，促使學生的化學思維、研究能力及計算、思考能力得到提升。文章針對虛擬實驗室技術的內(nèi)涵、教學優(yōu)勢展開討論研究，并重點探究基于虛擬實驗室環(huán)境的高中化學探究式教學模式，提出教學建議。

關鍵詞：虛擬實驗室環(huán)境；高中化學；探究式教學

中圖分類號：G633.8文獻標識碼：A文章編號：1673-8918（2025）06-0112-04

虛擬實驗室環(huán)境的構建規(guī)避傳統(tǒng)高中化學實驗教學的危險性、污染性和復雜性，為學生提供安全、有效、參與性的實驗過程，助力學生完成實驗過程探究實驗原理和現(xiàn)象，提高化學認知能力。對此，教師要在高中化學課堂上建立虛擬實驗室環(huán)境，引導學生在參與體驗中觀察現(xiàn)象，運用知識進行研究思考，探究化學知識，形成學科思想與能力，進而針對學生探究思考力和達成鍛煉提升，推動學生化學素養(yǎng)的構建，打造基于科技信息技術的高品質(zhì)化學實驗課堂。

一、 虛擬實驗室技術內(nèi)涵

虛擬實驗室技術是一種高新技術，利用Web技術、VR虛擬現(xiàn)實技術，構建網(wǎng)絡化的虛擬實驗環(huán)境，為學生搭建數(shù)字化、虛擬化的實驗參與體驗和探究過程，致力于打造參與體驗式教學互動環(huán)節(jié)。教師借助虛擬實驗室環(huán)境引導學生自己整合器材、設計實驗思路和原理、搭建實驗過程、操作虛擬實驗器材，觀察實驗現(xiàn)象，記錄思考實驗原理和結論，進而理解實驗結論和知識。這種依靠計算機、智能技術、傳感器技術和人機交互技術的虛擬環(huán)境，為學生創(chuàng)建多元化的實驗體驗參與過程，在人機交互中發(fā)展學生化學思維，推動學生化學素養(yǎng)的提升，實驗感知能力的強化。基于現(xiàn)代科技的虛擬實驗室技術有以下教學特征：

第一，沉浸性。虛擬實驗室技術搭建虛擬實驗能讓學生在安全的環(huán)境中操作各種實驗，接近真實環(huán)境的實驗操作過程，促使學生沉浸在實驗中操作、思考、設計、推理和探究。這種身臨其境的感覺，讓學生沉浸在實驗中感知實驗的趣味性和科學性，體驗實驗操作過程，從而完成知識的思考、探究過程，激發(fā)學生主動研究化學知識的積極性，構建高質(zhì)量實踐參與的探究互動過程。

第二，交互性。虛擬實驗室技術下的交互性是人與計算機形成的交互環(huán)境，通過傳感器與技術的應用，形成一種與真實環(huán)境類似的虛擬互動過程。這種互動過程促使學生產(chǎn)生與真實客觀世界相一致的視覺感觀，提高學生參與實驗的真實性，在虛擬環(huán)境中達成實驗互動效果，完成實驗研究與操作，提高參與性與體驗性。

第三，實踐性。虛擬實驗技術下的實踐性能引導學生基于化學知識開展實驗操作與研究，在邏輯思考的過程中開展不同層次的研究和實踐操作，在思考與實踐同步開展中拓展認知和思維，進而提升學生化學知識理解與應用能力。這樣的虛擬實驗技術能強化學生的思考和邏輯思維，實現(xiàn)理性與感性的融入性體驗。

二、 虛擬實驗室環(huán)境下高中化學探究式教學優(yōu)勢

（一）開展自主學習研究模式

傳統(tǒng)化學教學模式更重視理論教學，阻礙學生發(fā)散思維、創(chuàng)新能力及實踐力的培養(yǎng)。在虛擬實驗室技術下的化學教學改變傳統(tǒng)教學中的理論主導模式，更重視學生自主設計、研究、操作和總結實驗的過程，有利于學生對化學基礎知識的利用，幫助學生深度理解化學實驗原理和現(xiàn)象，推動學生化學素養(yǎng)提升。這與新課標的育人理想相契合，引導學生在虛擬實驗環(huán)境中開展研究、思考和實踐，探究化學知識的奧秘。

（二）創(chuàng)設微觀世界研究過程

高中化學很多內(nèi)容涉及微觀粒子的概念和研究過程，在課堂教學中受到教學條件和硬件設備的限制，導致學生對微觀粒子的研究只能局限于視頻觀看或者理論學習，不能構建實踐參與的研究體驗過程，不能開展直觀的微觀粒子研究。但是在虛擬實驗室環(huán)境中，教師利用虛擬實驗工具和設備帶領學生對微觀世界開展探索研究，觀察微觀世界的粒子運動過程，研究微觀空間結構等。構建現(xiàn)實教學環(huán)境不能完成的研究過程，促進學生對化學知識的深度研究和參與體驗，獲得更加直觀的探究體驗。借助虛擬現(xiàn)實技術將宏觀現(xiàn)象進行微觀化仿真模擬，能有效展示構成物質(zhì)的空間結構，并能動畫模擬微觀粒子在一定條件下的運動，有效突破教學難點。

（三）規(guī)避實驗風險大膽探究

高中階段的化學研究有很多屬于危險系數(shù)較高的實驗，學生在進行實驗時，可能會由于操作不慎或其他原因，使人身安全或儀器設備安全受到威脅或造成損失。因此，很多具有危險性的實驗只能通過視頻展示，引導學生思考和研究。但是在虛擬實驗室環(huán)境下，教師借助虛擬實驗工具和材料構建化學研究實驗，能打破地域限制，規(guī)避化學制品和實驗的危險性，提高實驗的安全度，引導學生在各種實驗中操作，探究不同物質(zhì)的化學反應，研究危險材料的化學屬性，拓展實驗研究種類和領域，帶領學生充分體驗化學實驗的研究特點和創(chuàng)新特點。這樣，學生能探究、體驗參與各種化學實驗，能對多種危險物質(zhì)進行化學研究，規(guī)避傳統(tǒng)課堂的單一性、危險性和理論性。

（四）打破時間限制提升效率

高中階段很多實驗的開展過程時間相對較長，需要等待反應過程。但是課堂時間有限，在開展這類實驗時一般有兩種選擇：一種是教師開展實驗的前部分，省略反應過程，直接展示反應的結果；另一種是進行理論研究，借助學生想象理解實驗反應和操作過程。這樣的化學教學不利于學生思維和能力發(fā)展，限制學生對實驗的觀察研究。而在虛擬實驗室環(huán)境中，教師借助實驗工具能加快反應過程，讓學生親眼看見實驗過程和反應過程，對其中物質(zhì)的變化有直觀認知。這樣能節(jié)省化學反應時間，又能構建觀察探究過程，推動學生素養(yǎng)和能力的發(fā)展。

三、 虛擬實驗室環(huán)境下高中化學探究式教學策略

（一）學生自主設計探究實驗

高中化學教學旨在培養(yǎng)學生自主學習能力和思考能力，借助對化學知識的運用開展化學現(xiàn)象和實驗研究，落實化學素養(yǎng)培育。對此，教師在教學中要重視學生自主研究能力的發(fā)展和強化，重視對化學知識的靈活運用，進而發(fā)展學生創(chuàng)新力和發(fā)散思維。對此，依據(jù)虛擬實驗室環(huán)境利用虛擬實驗工具，教師引導學生基于化學知識與研究題目自主設計實驗、自主開展實驗步驟思考、自主探究實驗注意事項、自主參與實驗操作、自主觀察實驗現(xiàn)象、自主總結實驗規(guī)律和結論。通過自主學習模式的開展，發(fā)展學生探究能力，推動其理論知識靈活運用能力。教師可以利用虛擬實驗室中的資源，從對實驗儀器的拓展和對教材實驗方法的生活化應用兩個角度構建設計型實驗課題及其具體教學內(nèi)容。

例如，學習蘇教版高一必修上冊專題四第二單元《硫及其化合物的相互轉(zhuǎn)化》時，在虛擬實驗室，教師讓學生以小組的模式自主設計研究實驗，探究硫單質(zhì)和汞、硫粉與鐵粉的生成物。學生根據(jù)課本中的知識自主設計實驗步驟、思考其中注意事項、自主記錄實驗過程、自主觀察和發(fā)現(xiàn)、自主總結實驗報告等，并在小組人員相互幫助的情況下科學、精準的完成虛擬實驗操作。利用虛擬實驗室環(huán)境，學生可以利用虛擬實驗物質(zhì)、設備、器材等觀察實驗現(xiàn)象，思考實驗反應過程，獲得直觀的參與感與體驗感，增強學生研究硫及其化合物化學屬性的主動性。同時，利用小組研究模式，不僅可以發(fā)展學生自主設計與探究能力，還能培養(yǎng)學生協(xié)作精神，在相互探究與討論中理解化學物質(zhì)間的反應原理，懂得化學實驗中的危險因素，理解化學實驗的嚴謹性，進而提高虛擬化學實驗的正確性和順利性。這為學生深度探究構建虛擬實驗環(huán)境，推動學生大膽設計、大膽猜想、大膽實驗的主動性提升，構建有利于學生探究的互動過程，提升化學研究直觀性和體驗性。

（二）反面教學引發(fā)深度探究

在高中化學實驗教學中，一般教師會強調(diào)注意事項、教授學生實驗過程的正確操作方法，促使學生形成正確的操作認知，規(guī)避錯誤操作方式。但是很多學生對錯誤實驗操作引發(fā)的后果感興趣，由于害怕引發(fā)實驗風險和人員傷害及設備損壞，學生只能將這種好奇心隱藏在心底。興趣、好奇是探究與學習的動力來源，只有對化學研究充滿好奇才能推動學生在化學探究中克服困難和問題，突破能力發(fā)展瓶頸，實現(xiàn)大跨步前進。但基于學生生命安全、化學實驗設備及儀器安全考慮，一般教師不會帶領學生探究錯誤操作過程，阻礙了學生興趣發(fā)展和能力突破。因此，借助虛擬實驗室環(huán)境，教師就能帶領學生研究各種具有危險性的化學實驗，在正確操作與錯誤操作的對比分析中，引導學生探究物質(zhì)反應過程、現(xiàn)象和結果，形成全面、科學的化學思考、探究過程，完成深入研究體驗，助力其對化學實驗的創(chuàng)新設計。對此，虛擬實驗室環(huán)境下的反面教學能對學生創(chuàng)新思考力、探究力開展深度培養(yǎng)，落實素質(zhì)教育，構建提質(zhì)增效的體驗模式。

例如，學習蘇教版高二選擇性必修1專題一第二單元《化學能與電能的轉(zhuǎn)化》時，教師引導學生研究化學能與電能之間的轉(zhuǎn)化原理，借助實驗的方式探究化學能如何轉(zhuǎn)化成電能，并思考二者之間轉(zhuǎn)化效率提高的方式等。其中學生要在實驗探究中清楚電池的正負極，開展正確的線路連接和實驗操作，否則有可能會導致實驗中的電池出現(xiàn)短路或者爆炸等問題。對此，教師借助虛擬實驗室環(huán)境，引導學生探究化學能與電能的轉(zhuǎn)化過程，在實驗操作中讓學生嘗試開展錯誤的實驗操作，觀察實驗現(xiàn)象，獲得正確操作實驗步驟的思想認知。這樣學生在對比分析研究中懂得化學實驗的危險性和嚴謹性，理解教師反復強調(diào)安全操作化學實驗的意義。通過虛擬實驗室環(huán)境的構建，學生在反面教學中獲得探究過程，并依據(jù)錯誤操作導致的局面開展分析研究，創(chuàng)新實驗方案，促進學生探究實驗、創(chuàng)新思考開展強化培養(yǎng)。因此，虛擬實驗室的構建不僅能引導學生探究實驗的真實性，還能在教學中引發(fā)學生思考、探究，獲得對化學物質(zhì)的深層次思考，進而根據(jù)化學知識原理開展探究性創(chuàng)新實踐，獲得新的思路與學習突破，助力學生化學素養(yǎng)的提升、發(fā)散思維的發(fā)展和實踐力的增強。

（三）構建情境研究粒子運動

高中化學很多內(nèi)容都在研究微觀粒子運動規(guī)律及現(xiàn)象，形成理論性研究過程。這種抽象的研究過程不利于學生思考和理解，導致學生的探究過程呈現(xiàn)表面化特點，頭腦中不能形成客觀的畫面，因此探究難度大、吸收效率低。對此，教師憑借虛擬實驗室環(huán)境為學生構建研究情境，在近距離觀察與探究中懂得微觀粒子運動軌跡，研究直觀、形象的微觀世界，促使學生在視覺與思考共同加持下形成完整的理解過程，形成動態(tài)化的記憶畫面，有利于對抽象粒子運動的深度理解。利用虛擬實驗室環(huán)境構建情境教學，促使學生更加深入探究微觀物質(zhì)，增強學生研究化學的興趣，營造濃厚的學習氛圍，有利于化學高品質(zhì)課堂的構建，讓學生專注研究與思考，呈現(xiàn)動態(tài)研究過程，幫助學生觀察與理解。

例如，學習蘇教版高二選擇性必修2專題二第一單元《原子核外電子的運動》時，教師利用虛擬實驗室環(huán)境引導學生構建研究核外電子運動的情境，讓學生近距離觀察核外電子運動軌跡和能量集中性，并通過虛擬實驗室的技術搭建電子云示意圖，引導學生在觀察中思考電子能量狀態(tài)，探究能量高和能量低時電子運動模式及匯聚程度，進而理解電子云的含義和描述方法。之后，教師帶領學生在情境中研究原子核外電子的運動特征，基于課本知識的理解與運用，觀察并理解其運動軌跡，形成視頻記憶畫面，進而理解課本第28頁圖2-6S軌道和P軌道的示意圖（圖1），讀懂其中蘊含的電子運動特征，將抽象的知識轉(zhuǎn)變?yōu)樾蜗蟮囊曨l情境，提高理解吸收效率，簡化學生學習探究深度。對此，教師要靈活利用虛擬實驗室環(huán)境構建教學情境，引導學生基于情境開展觀察、思考、探究，獲得深度體驗和探究收獲。

（四）錄制微視頻強化實驗理解

虛擬實驗室環(huán)境基于信息技術能進行實驗操作和錄制過程，能利用科學技術對學生的實驗操作過程進行錄制、播放、下載，為學生反復觀看學習研究提供載體。對此，教師可以利用虛擬實驗室環(huán)境的技術條件在學生實驗操作過程中引導學生記錄自己的操作過程，形成學習微課視頻；在實驗結束后，便于學生反復觀看、探究其中的實驗步驟和原理，觀察實驗現(xiàn)象，討論實驗結論。教師引導學生先開展實驗嘗試，在掌握整體操作步驟后，開展實驗過程微課視頻錄制，記錄實驗過程、現(xiàn)象和結論。在化學課復習階段，引導學生利用微課視頻開展實驗探究，強化實驗理解和理論研究，有利于對知識的綜合分析，增強復習效果。對此，教師借助虛擬實驗室環(huán)境的技術條件及學生熟練操作過程，引導學生錄制微課視頻，作為復習、探究資料開展深度、反復研究，推動學生深入性研究和過程性思考。

例如，學習蘇教版高三選擇性必修3專題五第三單元《有機合成設計》時，教師從課本拓寬視野引導學生通過實驗探究離子液體中的有機反應。這樣的研究與生活發(fā)展關聯(lián)緊密，在高考中容易涉及。因此，教師引導學生利用虛擬實驗室環(huán)境開展實驗探究，觀察N-丙烯酰基噁唑烷酮與環(huán)戊二烯在離子液體和二氯甲烷中的不同反應，探究其產(chǎn)物及反應過程，進而研究有機化合物轉(zhuǎn)化研究的科技性和時代性。在學生熟練操作后，引導學生利用虛擬實驗室的技術開展微課視頻錄制，將有機物轉(zhuǎn)化、反應過程進行錄制，并在錄制時加速反應時間，提高視頻學習指導性，同時為學生后期研究和視頻探究提供載體及資料，促進復習高效化。

四、 結論

將虛擬實驗室技術應用于高中化學研究是科技發(fā)展的必然趨勢，也是提高學生化學探究的必然過程。因此，教師要靈活引導學生利用虛擬實驗室環(huán)境搭建學習過程，開展實驗探究與思考，在設計與操作中收獲知識理解，在試錯與微課視頻錄制中開展深度研究與思考。虛擬實驗技術教學為學生探究化學知識提供渠道，為其深度研究化學實驗過程提供載體，促使學生在實踐操作中推動創(chuàng)新思維的發(fā)展，推動教學高品質(zhì)落實，學生化學素養(yǎng)高質(zhì)量培育。

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