虛擬實驗在中學化學教學中的應用研究

【摘 要】從虛擬實驗室的實用性和可操作性，分析了虛擬實驗在高中化學中應用的意義，及其在教學中的作用。對化學虛擬實驗進行比較深入的研究。

【關鍵詞】中學化學 虛擬實驗

【中圖分類號】G【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）07B-0063-02

化學是一門實驗科學。首先，化學知識的傳承要以實驗現象為基本依托。通過實驗中的發光、發熱、變色以及基本的物態變化來反應物質在化學范疇之內的特性。其次，化學認知的探究過程也離不開實驗。每一次新的化學技術的飛越都是以化學實驗為出發點的，實驗室是孕生化學理論的溫床。高中化學教學的實施，必須重視學生化學實驗能力的培養。但是，在實際教學過程中化學實驗課的開設受到了種種制約。化學實驗本身需要耗費化學藥品，試驗過程中存在一定的危險因素，實驗室空間以及設備配置情況并不能滿足每一位學生都能夠接受嚴格的實驗訓練。在計算機領域，模擬現實技術的不斷發展為改變化學實驗課開設的現狀創造了有利條件。教育研究工作者以及一線教師通過教育實踐研究，將教育教學活動與計算機技術相結合，通過圖像模擬、互動設計以及程序設計等科學手段，將化學實驗通過計算機環境設計出虛擬實驗情景。結合現代信息技術設備使得虛擬的實驗場景與學生見面，學生借此進行主動操作。這樣的教學方式可以改善傳統實驗室操作中的一些制約因素，在一定程度上使得化學實驗課以及化學教育教學工作變得更加有效、快捷。

一、模擬經典實驗，突出理論根源

化學反應原理的分析與化學反應現象總是相伴而生的，通觀高中化學教材，實驗總與理論描述相伴而生。大小實驗出現的頻率很高，教學中實驗現象的描述一般是以文字的形式出現，這對于學生而言，理解起來有一定的困難。首先是把文字符號翻譯成圖像畫面的腦力活動勢必會使得學習的精力分散而偏離學習的主題，影響到認知圖式的順利建構；其次，高中學生已經基本發展出一些天生的質疑精神，他們對沒有親眼見過的事物會持懷疑態度，總期望能夠得到驗證，純粹的文字描述說服力是蒼白的。模擬的實驗場景，會將學生帶入現實情境中，直觀地“觀察”實驗現象，使得實驗安排的目的性更加明確，課堂教學的重點更加突出，同時也理順了學生建構認知圖式的條件，提高課堂學習的效率。

比如，人教高中化學必修1“離子反應”的教學過程中，“實驗2.1.1：在2 ml Na2SO4溶液中滴入2 ml稀KCl溶液”和“實驗2.1.2：在2 ml Na2SO4溶液中滴入2 ml BaCl2溶液”這兩個對比試驗，設計的目的是要學生探究什么是離子反應，以及發生離子反應的條件是什么，而實驗現象的分析僅僅是借以探究這兩個問題答案的材料，沒有必要在這里花費太多時間讓學生回憶甚至進行實驗操作來理解反應的現象。直觀快捷地演示實驗的過程和現象，在這里變得很必要。工作中，課前教師將硫酸鈉和氯化鉀溶液、氯化鋇溶液的反應過程通過計算機技術制作成模擬課件，在必要的時候進行直觀演示，簡化了學生理解實驗現象的過程，加深了學生對實驗現象的印象。最重要的是，觀看完實驗過程，學生直接將學習的焦點聚集在討論核心問題上來，避免學生迷失于實驗過程的糾纏中致使課堂教學重點發生偏離。

二、促進實驗創新，培養探究能力

化學實驗充滿了無窮的魅力，一旦擁有便利的條件，高中學生就能夠充分發揮他們的想象力，不斷嘗試并開拓自己的創造能力。從理論來看，虛擬實驗室的構建，可以給學生提供一個自由探究的空間和平臺。一方面，虛擬的器材庫，可以提供應有盡有的實驗器材和實驗用的化學藥品，且不需后續的財力投資。另一方面，虛擬實驗通過人機互動來完成，實驗效果都是經過科學規律的控制而產生的，即使出現危險結果也不會有人員傷害事件發生。這兩大優點，為學生天馬行空的想象得以實踐提供了良好條件，也正是這樣的條件才孕生了學生創造能力得以開拓的土壤。

在實踐中，我們設計學生實驗的時候，要盡力為學生提供一些可選條件，以豐富的器材和藥品庫作為支撐，同時預設多種可能出現的方案，使得虛擬實驗課件盡量真實地展示各種藥物組合之后發生的實驗現象。此外，還要善于開拓教學資源。如今，虛擬現實技術的發展催生了許多虛擬實驗室的出現，其中不乏針對高中化學設計的化學虛擬實驗室。這種實驗室以模擬現實實驗室為終極目標，具備完善的實驗室系統，其中包含“器材庫”“藥品庫”這樣的實物模擬模塊，也包含了完備的化學定律控制層面的程序模塊，虛擬的“軟環境”和“硬環境”使其更逼真地將學生帶入實驗。

比如，實驗室制備氯氣的反應。首先是裝置的組裝問題，教師根據學生的學習經驗，首先出示了實驗室制備二氧化碳的裝置，引導學生研究實驗室制備氣體的裝置組裝的要素。然后讓學生發揮主觀能動性，根據化學反應方程式的提示來組裝使用高錳酸鉀和濃鹽酸制備氯氣的裝置。一般地，多數學生都組裝出了包括反應裝置、集氣裝置、尾氣處理裝置三大塊在內的反應裝置。但是隨著教師進一步提出問題，這樣的裝置制備的氯氣純凈嗎？學生再次分析化學反應方程式發現，由于加熱的緣故，制備的氯氣中很可能含有KCl和水蒸氣。于是，又討論如何添加凈化裝置。最終，在虛擬實驗環境中組裝好了包括反應裝置、凈化裝置、集氣裝置和尾氣處理裝置的完整的氯氣制備裝置。隨后，根據討論時的結論一一添加藥品。過程中，學生表現出強烈的探究欲望，他們不滿足于高錳酸鉀制備氯氣的一種途徑，此時，教師引導學生自行探究使用氯酸鉀、漂白粉等制備氯氣的反應。

虛擬實驗的過程中，體現了這樣幾個常規實驗不能達到的優點。其一，教師采用了動畫演示的方式，將反應裝置中的生成物以不同顏色的箭頭標識清楚。這樣學生直觀地看到生成物并不是理想的單一化物質，而是還有我們不需要的雜質。隨著一步步的凈化，雜質逐步去除，學生明確了實驗中每一個實驗器皿中的藥品起到的作用。第二，隨著虛擬過程中裝置的一步步改進，學生掌握了化學實驗中需要考慮的因素，為今后的創新性探究創造了條件。第三，虛擬操作不能代替常規化學實驗操作帶給人的感受和收獲，但是虛擬操作為實踐操作更加順利地進行奠定了基礎。最后，方便的操作環境，幫助學生實現了他們多種途徑制備氯氣的想法，拓寬了學生思路，發展了學生的創造能力。

三、構建分子模型，呈現微觀世界

化學分子的微觀結構與物質的物理、化學性質之間關系密切，傳統的教學要么單純使用文字語言描述來表達分子結構，要么使用二維圖片做簡單演示，這些都制約了學生的空間想象能力。虛擬實驗室的出現，在微觀分子結構演示方面做出了巨大貢獻。采用三維技術處理的“三維分子”虛擬功能，提供了物質中各微粒組成的基本方式。我們可以自由組合這些“微粒”并以不同形態、色彩來標識微粒，幫助學生更加直觀地了解物質的構成，進而學習物質的化學性質。

在這方面，有機物分子機構的展示意義尤為重大。以苯環為例，我們可以通過軟件先拖出一個苯環的球棒模型，然后根據需要拖出各種球棒模型與之進行組合，從而形成新的物質。這種三維模型，可以在x，y，z三個軸向上自由轉動，清晰地演示各原子微粒之間組合形式，一邊直觀地演示各個官能團的特征。此外，學生還可以自己組建分子模型。“三維分子”虛擬環境中的基團都受到“規律”的控制，不能夠組合的鍵位或者原子是不會產生連接的。比如，乙烷分子的構建，我們只需要拖動一個甲烷分子，然后選中其中一個氫原子再點擊甲基即可形成需要的分子結構。之后，可以觀察它的比例模型、三維文字模型、結構模型等。虛擬環境中對碳氫雙鍵、三鍵等的演示更是直觀。所見即所得的互動操作，使得師生能夠鮮明地觀察微觀世界，為學習探究提供了更大的方便。

綜上所述，虛擬技術引入化學教學后，方便了學生的實驗操作技能的培養，也方便了教學中師生的交流互動。虛擬實驗使得實驗室和理論學習課堂緊密結合，也讓學生敢于大膽操作，在微觀探究方面作用明顯。但同時，虛擬技術與常規實驗室之間的差距依然存在，重點是如何掌控學生在進行藥品的隨機組合時會發生的現象。這在虛擬環境下，對藥品反應結果的化學理論控制層面提出嚴苛的要求，如果能夠更好地突破這一瓶頸，虛擬實驗室將在化學教學以及化學研究事業當中發揮出巨大作用。