高中化學仿真性實驗的類型及開展

張蓮

摘? ?要

在信息技術條件下，在尊重化學科學與化學學科規律的基礎上，采取風險藥品替代、仿真實驗室的虛擬實驗、危險發生時的仿真自救演練、危險嚴重后果的仿真展示等多樣性仿真實驗，為高中生創設了安全、交互、共享、可重復與“真實”的實驗課堂，讓其在動手實踐、親自驗證、知識現場生成與團隊全員參與的自主學習過程中，培養化學學習興趣、激發化學探索精神與培養化學實驗能力。

關鍵詞

高中化學? 仿真實驗? 信息技術? 實驗安全

高中化學實驗作為培養高中生“實驗與探究能力、化學方法和分析能力、化學信息處理能力”等“化學關鍵能力”的重要教學載體[1]，由于化學藥品多為有腐蝕性、有毒、易燃等物質，以及高中生活躍性所導致實驗過程的不穩定性等特點，導致化學實驗過程存在各種安全隱患。信息技術尤其是“虛擬現實技術”在高中化學實驗中的創新與應用，以“沉浸感、交互性、構想性”的特點[2]，創設了高仿真、多次重復、交互參與、全程安全、實時指導與實驗信息反饋的仿真性實驗，在實現智慧學習的基礎上提升了高中生的實踐能力、信息技術研發與應用能力。

一、高中化學仿真性實驗的作用

信息技術條件下高中化學仿真性實驗是兼顧學生安全與學生化學實踐能力培養的探索，具有避免各類危險發生的作用。

1.避免有毒有害藥品引發安全隱患

高中化學實驗中各種化學藥品起到了根本性的支持與推動作用，其中有毒藥品、腐蝕性藥品與易燃易爆等藥品本身就是高中實驗安全隱患。為避免在實驗過程中發生各種危險，運用實驗教學軟件等信息教育技術開展仿真性實驗，是既保障化學實驗教學順利開展又保證學生安全的首要選擇。為了切實培養學生的實踐能力，可以采取安全藥品替代有毒有害藥品，避免有危險藥品自身可能造成的傷害。

2.避免有毒有害氣體、液體造成傷害

盡管教育現代化的實現為高中化學實驗建造了標準化、安全的實驗室，但一些實驗會產生某種有毒有害氣體或液體，例如產生劇毒氯氣的實驗，在吸入達到某種量的情況下會導致嚴重后果。仿真性實驗能有效避免現場實驗時，因為學生的空間位置、不當動作、實驗室排風排水等系統的意外不工作等，導致的誤吸有毒有害氣體、皮膚迸濺或直接浸入等方式接觸有毒有害液體等造成的傷害。

3.防止易燃易爆化學實驗造成傷害

易燃易爆類化學實驗是危險性最大的實驗之一。尤其是當活躍的化學藥品在活躍的學生操作下，實驗過程中發生不可預知危險的可能性顯著提高。即使實驗室內有完善且有效的消防設施，但爆燃一旦發生都可能造成不同程度的傷害。在保持學生對此類實驗興趣的基礎上，采取讓學生能操作的仿真性實驗，是兼顧安全、知識探究與實踐能力培養的首選。

二、高中化學仿真性實驗的類型

高中化學仿真性實驗是在“信息技術與化學實驗教學的完美融合”的基礎上，以“實驗手段數字化、測量呈現實時化、現象規律可視化、操作測量簡單化”等方式去開展“真實實驗”[3]。

1.全面仿真性實驗

手持技術數字化實驗與化學教學的融合，為高中化學全面仿真性實驗創設操作性的條件[4]。從高中化學實驗學習的有效性觀察，第一是學生實驗技術的全面性操作仿真。以“仿真化學實驗室”的應用為例，學生運用實驗軟件的相關功能，從搭建實驗儀器開始開展實驗。如儀器選擇、正確位置擺放、藥品選擇、藥品劑量控制、實驗過程觀察與實驗過程的記錄等。這種實踐環節或細節的全面仿真，能讓學生在“動手”的過程中，強化實驗化學“藥品”的化學性知識，以及在不同條件下化學反應及其應用價值，進而生成學生自己的化學實驗探究能力。第二是實驗變化的全面仿真。如化學反應中物質的顏色、體積、形態、燃燒速度、溫度與產生的其他能量等，在“DIS數字化實驗系統”等信息技術教學工具的支持下，都能全面且“真實”地觀察或體驗到。值得注意的是，應用仿真系統的實驗能直觀的量化實驗細節，如化學反應中產生熱量的多少等，甚至在聯網的情況下能直接展示生活應用的相關鏈接，為學生的學習和創新提供啟發。

2.原料仿真實驗

為保證高中化學實驗的嚴謹性、科學性與安全性，選用具有相同化學性質的替代藥品，開展實驗藥品仿真的實驗，是激發學生化學創新精神的有益探索。出于培養學生發現生活中的化學與應用化學服務生活的興趣，對易直接產生各種危險的有毒有害易燃易爆類藥品，采用生活常見物品替代值得思考與探究。如食鹽——氯化鈉、白酒或消毒酒精——乙醇、白醋——醋酸、火柴盒貼——紅磷、汽車蓄電池——硫酸、木炭——活性炭、干燥劑——生石灰等。由于這些生活用品大家非常熟悉，對其能熟練且安全地操作，并且其毒性低等特點不至于對學生產生多大的傷害甚至構不成傷害。當然，需要在化學實驗的藥品方面開發創新，例如發明全新的既能保證化學實驗的順利開展，又能確保環保、安全與實驗效果的替代藥品。

3.嚴重后果仿真展示與自救仿真演練

綜合高中化學實驗教學中出現的各種危險，盡管大多數是有驚無險，但依然暴露了學生安全自救意識不強的問題。利用現代仿真實驗技術對高中化學實驗時可能發生的各種危險及其后果，進行仿真性地展示與自救演練，使學生在“真實”的情境中生成謹慎且樂觀的安全意識和化學實驗操作能力。第一，利用各種信息技術條件開展化學實驗操作失誤或錯誤后的嚴重后果仿真演示。播放特定化學實驗條件下危害后果的視頻，如爆炸、燃燒、強酸腐蝕、有毒氣體散發等情況，對動物、植物與其他周圍的近距離物品等造成的直接損害。第二，利用信息技術條件開展化學危險下的自救與逃生仿真演練活動。為切實培養學生的自救意識與逃生能力，教師可以采取情境仿真的方式，例如創設學生在“強酸”加熱反應時發生試管等“爆炸”的情境，讓其在這種情況下利用科學的方法展開自救，以避免或降低被燒傷、腐蝕傷與燙傷等造成的傷害。可以利用網絡實驗平臺、虛擬仿真實驗室等方式，開展全信息化的虛擬仿真體驗或演練活動。

三、高中化學仿真性實驗的開展

信息技術支持下的高中化學仿真性實驗，是“整合意義聯接的實驗內容”以“建構真實批判的實驗情境”，支持學生親自開展的體驗性、實踐性、探究性與協作性的自主操作學習過程[5]。

1.智能化操作

教育現代化的普遍實現與不斷創新升級，為高中化學智能化仿真性實驗做好了軟硬件的準備。根據學生在仿真性實驗中參與的程度，智能化操作有兩種方式：第一種，虛擬仿真實驗室智能操作。學生在特定的實驗室內，運用現代計算機信息技術在特定的化學實驗工藝流程內開展仿真實驗活動。化學試劑、化學反應與化學實驗結果都在特定軟件程序內虛擬“真實”，能為學生的學習提供直觀的實驗技術性知識、實驗安全性知識與實驗過程中量變和質變性的知識。例如，在實驗過程中，系統會根據學生實驗的步驟自動生成化學方程式，以及展示各種實驗藥品的化學性質與各種化學反應的特點等。第二種，“真實”情境下學生親自操作的仿真性實驗。受真人CS游戲的啟發，可以研發一種使學生在“真實”實驗情境中的化學實驗室。學生可以在特定的實驗室中，按照化學實驗要求的步驟，運用各種“真實”存在卻虛擬的儀器、藥品等，安全地開展必需的化學實驗活動。例如學生在特定的化學實驗項目程序中，只要在特定的情境位置，就能按部就班地拿起試管或裝有強酸的玻璃瓶，開展教材內要求以及能支持自己創新的各種化學實驗活動。

在現有的技術條件下，虛擬仿真實驗室或“DIS數字化實驗系統”等在發達地區的學校，已經被應用到化學實驗教學中。對于類似真人CS游戲的“真實”實驗，在教育技術領域還沒有得到研發，建議相關科研機構能研發此類“實驗室”，讓學生在特定的實驗情境中開展更加安全、全面、可重復與智能化的實驗活動。

2.特殊仿真裝置操作

出于化學實驗的精確性與安全性等方面的考慮，針對那些危險性相對較高的化學實驗研發特殊的仿真性實驗裝置，使其能在各種隱患發生時采取針對性安全措施。第一類，防爆炸、防燃燒類的仿真性實驗裝置。借鑒警方的排爆裝置與汽車安全氣囊的性能與原理，根據化學實驗中發生爆炸或爆燃時熱量大小、沖擊波強度等數據波動幅度，結合可能造成老師與學生受傷的最小閾值，研制具有自動感應的相關防護裝置，如防護氣囊、防護手套、自動感應滅火系統等，以便在實驗爆炸等危險發生時對手、眼睛、面部、頭部與其他身體部位進行保護。第二類，針對強酸強堿迸濺或誤沾防護的仿真性實驗裝置。對于加熱等情況下發生的迸濺，依然可以同理采取防爆炸等裝置;對于操作失誤的誤滴、誤沾、不小心伸進腐蝕性溶液里的情況，裝置內要有輕觸自動稀釋清洗功能、其他相關藥品中和功能等，以第一時間把傷害降低到最低限度。第三類，有毒氣體中和、凈化與再利用吸收類仿真性實驗裝置。在加強傳統實驗室內排氣與通風的情況下，采取化學辦法創造安全的化學實驗環境，是高中化學仿真性實驗的潛在基本要求之一。例如在裝置內有實驗后有毒氣體的自動吸取凈化設施，既能利用化學反應的原理中和有毒氣體，也避免學生因實驗室內有毒氣體濃度高，造成中毒甚至傷害等意外情況。

為確保高中化學實驗的有效性、經濟性、操作性與時效性，在現有實驗室的空間與裝置基礎上，以每個實驗桌為單位，研發一個個相對獨立的小裝置，即使一個實驗小組或學生出現某種操作失誤，也能安全化解且不會對其他同學造成干擾性的影響。同時，升級實驗室內整體的通風排氣與供水排水的系統，使其能支持每個實驗桌的仿真性安全實驗裝置。

3.實驗視頻仿真操作

整合課前錄制的實驗視頻等教學資源，發布到微信等公眾平臺上讓學生根據自己的學習情況開展在線觀看學習。以氯氣的制備及其性質實驗為例，諸多課前對氯氣制備實驗進行綠色化改進的錄制探索[6]，就是當前最簡易且使用最多的仿真性實驗辦法。第一，直接播放實驗視頻。教師運用教室教學多媒體技術播放相關視頻，既有教師本人實驗的錄制視頻，也有某種教學平臺上的更優質的實驗視頻等;利用微信公眾平臺、釘釘與騰訊會議室等模式，采取實驗視頻直播與重復點播等方式。前者適用于新課教學中，后者適用于學生的自主學習中。第二，制作與播放3D或5D實驗視頻。為增強學生的體驗感，借鑒3D電影或3D游戲的制作技術，為學生制作3D實驗視頻，讓其在觀看的學習中增強實驗的操作感。此類技術，能讓“真實”感官體驗去強化學生的實踐意識，使學生能在觀看中積極地“操作”起來，如實驗步驟的仿真演練、實驗藥品的勾兌與實驗器材的安全放置等;也更適合于各種實驗“安全”教育中，如實驗過程中發生的爆炸、燃燒、強酸強堿迸濺與有毒氣體散發等情況，能讓學生在“真實”的情境中強化安全意識，了解實驗失誤的各種危險及其傷害等。

隨著現代教育技術的不斷升級，尤其是信息技術的飛速發展，教師積極地行動起來立足教學實際開展創新。如與發達地區的學校開展遠程同步化學仿真性實驗，共享諸如仿真化學實驗室等硬件與DIS數字化實驗系統等軟件，在培養學生化學學習與實驗探索興趣的基礎上，啟發學生開展更多的化學仿真性實驗創新。

信息技術的飛速發展與教育教學領域的創新應用，為高中化學實驗插上了安全、交互、實時點評與可重復的高質量翅膀。因此，各教育技術研發單位要立足高中化學學科實際與化學實驗實際，加快關于化學仿真性實驗的軟件開發、硬件制造與全新實驗系統的建設，有條件的學校可以裝備如真人CS游戲類的全仿真實驗室，條件相對較差的學校可以裝備3D類型的實驗室或實驗系統，以滿足多層次、多實驗內容的需要，為培養學生的化學能力服務。

參考文獻

[1] 楊季冬，王后雄.高中化學關鍵能力的內涵及構成要素研究[J].化學教學，2019（04）.

[2] 李中強.虛擬現實技術支持下高中化學實驗教學的開展[J].教學與管理，2018（11）.

[3] 周佳梅.數字化實驗在沈陽市高中化學教學中應用的現狀研究[D].沈陽：沈陽師范大學，2017.

[4] 王立新，錢揚義，蘇華虹，等.手持技術數字化實驗與化學教學的深度融合：從“研究案例”到“認知模型”——TQVC概念認知模型的建構[J].遠程教育雜志，2018（04）.

[5] 劉玉榮，史鵬園.“深度學習”視野下高中化學實驗教學：問題與對策[J].化學教育，2018（17）.

[6] 楊宏偉.微信公眾平臺輔助高中化學實驗的教學案例研究——以《氯氣的制備及其性質實驗》為例[J].內蒙古師范大學學報：教育科學版，2018（09）.

【責任編輯? 郭振玲】