提升學生科學探究能力的高中化學數字化教學

南利蕊　韓玉霞　陳超林

摘要：為解決部分實驗受資源、環境、成本、安全等因素影響難以操作的問題，教師可以發揮信息技術在教學中的優勢，在教學中巧妙地引入虛擬實驗，引導學生自主設計實驗裝置并進行調試和改進，使其真正參與到實驗活動中。實踐證明，教師將虛擬實驗等信息技術應用于元素化合物教學中，對學生理解元素化合物的性質、建構物質的轉化關系有積極影響，有效地提升了學生的科學探究能力，達到了以虛補實的目的。

關鍵詞：信息技術；化學實驗；虛擬實驗；科學探究能力

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標）明確指出，化學實驗是科學探究的一種重要途徑?；瘜W實驗教學不僅可以鍛煉學生正確使用儀器設備的能力，而且可以提高他們優化實驗裝置的能力，進而提升學生設計實驗方案的能力。從更深的層次上講，它還有利于學生深刻理解理論知識，進而達到在實驗教學過程中培養學生的科學探究思維和能力的目標。但在實際的課堂教學中，化學實驗往往受諸多因素限制，導致學生對實驗的必要性感知被沖淡，極大地制約學生科學探究思維和能力的發展。隨著教育信息化的深入推進，越來越多的信息技術被應用于實驗教學中。如果教師能在教學中將傳統實驗和信息技術相融合，不僅能幫助學生更好地完成探究實驗，深入理解實驗過程中物質的微觀變化，而且能引導學生自主實驗，提高學生的科學探究能力。

一、虛擬實驗在元素化合物教學中的應用價值

在諸多信息技術中，虛擬實驗頗受教師和學生歡迎。通俗來講，虛擬實驗沒有普通意義上的實驗必備器材，而是在計算機上用軟件模擬現實的效果，通過圖形化界面展現實驗過程，同時運用一定的編程達到實驗目的。因此，在化學實驗教學中，教師借助虛擬實驗能夠突破以往教學在實驗平臺、空間與條件等方面存在的局限，為學生實驗思維與動手操作能力的培養提供充足空間，既可以開展實驗室無法操作的實驗，又在一定程度上解決了部分實驗流于形式的問題，對提高學生的科學探究能力起到了助推作用。

元素化合物知識是高中化學課程內容的重要組成部分，也是化學學科觀念的重要載體。新課標指出，教師應根據學生的認知發展特點，結合具體的化學知識，精心設計實驗探究活動，有效地組織和實施實驗探究教學，加深學生對科學探究的理解，提高學生的科學探究能力。

但是，受裝置復雜、對環境要求較高、實驗時間較長等因素影響，有些實驗在課堂上進行實物操作存在困難。除此之外，化學實驗教學活動是學生在教師或教材引導下對一些人類已知但是學生未知的原理或現象進行探索并快速取得實驗結果的過程，如缺乏教師引導，學生只能鍛煉觀察和操作等基本實驗技能，自主探究程度不高。其實，在實驗教學中巧妙地引入虛擬實驗，就可以在一定程度上解決這些問題。學生不僅可以自主設計實驗裝置，而且可以根據教師的要求或自己的想法自主對實驗進行調試和改進，真正參與到實驗活動中。這樣，既避免了在真實實驗中可能造成的資源浪費和環境污染等問題，又能激發學生的實驗探究熱情，提高學生的科學探究能力。

二、虛擬實驗在元素化合物教學中的應用案例

筆者以高中化學中氮、硫及其化合物的教學為例，探討虛擬實驗在元素化合物教學中的應用及其對學生科學探究能力的提升作用。

（一）氮氧化物的教學

硝酸型酸雨的形成原因及消除方法是氮氧化物教學重點。在課堂上，教師將動手實驗與虛擬實驗相結合，引導學生通過探究消除氮氧化物的方法，深化對氮氧化物化學性質的理解，進而構建完整的氮氧化物的知識體系，提高學生的科學探究能力。本節課的教學目標如下：（1）通過觀看視頻資料，培養從不同的媒介中提煉、獲取信息并轉化為化學用語的能力，初步獲得空氣中及汽車尾氣中含有氮氧化物的原因；（2）通過課堂實驗并結合虛擬實驗，探究二氧化氮與水反應的產物，知道氮氧化物導致硝酸型酸雨的原因及消除的方法，培養科學探究能力；（3）分析文獻資料，了解其他的消除氮氧化物的辦法，進一步培養社會責任和環保意識。

圍繞以上教學目標設計如下教學關鍵環節（如圖1）。在教學環節2中，虛擬實驗被多次應用。

虛擬實驗1：二氧化氮轉化為硝酸。

學生通過實驗證明了空氣中的NO會形成硝酸型酸雨。同時，學生通過閱讀資料得知，NO溶于水的過程也是工業生產硝酸中非常重要的一步，這樣的轉化既能消除氮氧化物，又能將其變廢為寶。但是通過剛才的實驗，學生很快發現氮元素并不能完全轉化為硝酸。教師此時提出問題，引導學生思考如何利用水將其全部轉化為硝酸，并提供虛擬實驗平臺引導學生自主探究。

圍繞教師提出的問題，學生分組討論后，在虛擬實驗平臺上進行探究，從平臺提供的試劑和儀器里選擇合適的用品，自主搭建實驗裝置，進行實驗探究。每個學生都積極參與到探究活動中。通過討論，學生不斷完善虛擬實驗設計。在此基礎上，學生利用教師提供的實驗用品，成功地進行了實際操作，既充分利用了時間，又避免了試劑的浪費，還減輕了環境污染。

虛擬實驗2：一氧化氮轉化為硝酸。

結合在任務二中利用符號表征的化學反應，學生明確了可用水吸收二氧化氮將其轉變為硝酸，以達到消除二氧化氮的目的。如何除去反應所得產物一氧化氮呢？教師借助虛擬實驗，引導學生利用化學反應，向盛有一氧化氮的試管中緩緩通入氧氣。試管中液面不斷升高，直至液體充滿試管，氮氧化物完全轉化為硝酸（如圖2）。

在學生通過虛擬實驗探究了氮氧化物轉化為硝酸的方法后，教師進一步引導學生閱讀資料，獲取處理氮氧化物的多種方法，依據氮氧化物的性質預測NO被NaOH溶液吸收、催化氧化可能的生成物，初步構建氮氧化物的知識框架。在這個過程中，學生的社會責任感和環境保護意識也在逐步增強。

在氮氧化物的教學中，圍繞其組成、來源和消除這三個方面，教師精心設計了教學活動，引導學生在理解氮氧化物性質的同時，學會從化學學科的視角關注環境問題，增強他們的環保意識和社會責任感。在這當中，虛擬實驗起到了重要的輔助作用，為動手實驗的成功創造了有利條件，促進教學目標的達成。

（二）硫及其化合物轉化的教學

含硫物質在工業上有著非常重要的應用。硫元素存在多種化合價，新課標中明確提出要建構以硫元素為中心的轉化關系，并規定了學生必做實驗。學生通過實驗學習含硫物質的性質，有利于建構不同價態的含硫物質的轉化。

在教學中，如果直接動手實驗，不可避免地會出現SO等有毒試劑，造成環境污染。在教學中，教師可以先借助虛擬實驗平臺，引導學生設計并完成實驗；在學生理解化學反應、明確裝置特點后，初步建構轉化關系，再讓學生選擇其中一個或若干個實驗進行實際操作，以達到事半功倍的效果。部分教學過程如下。

教學活動1：列舉常見的氧化劑和還原劑。

此活動的目的是啟發學生依據物質的氧化性、還原性，自主設計實驗，實現不同價態含硫物質的轉化，并預測產物和實驗現象，為后續在虛擬實驗平臺完成實驗奠定基礎。

教學活動2：設計實驗實現轉化。

以+4價的硫轉化為+6價的硫為例，學生會想到用酸性KMnO溶液或者HO溶液將SO氧化為SO，并用鹽酸和BaCl溶液檢驗SO的生成，完成該實驗在平臺所需的實驗試劑和裝置（如圖3），學生也可以根據自己的思路添加儀器和試劑。

教學活動3：評價實驗方案。

學生的設計思路不盡相同。教師讓學生交流分享，相互評價。

通過相互交流、評價，學生自然關注到SO的尾氣處理問題，同時能夠從裝置的差異中體會到連續性實驗裝置的優越性，即操作簡單、一氣呵成，一次性處理尾氣。學生在對他人的設計進行評價的同時，也在反思自己的實驗設計與操作，這對于提升學生的探究能力無疑是有效的。

反思本節課的教學，不難發現，在建構含同種元素的不同價態物質間的轉化時，虛擬實驗起到了重要的作用。虛擬實驗可以幫助學生從反應物和生成物中相關元素的價態出發，結合所給試劑的氧化性或還原性，設計合理的轉化路徑，在實現具體物質轉化的同時，逐步建構轉化的思維方法。這對于提升學生的科學探究能力大有裨益。

三、虛擬實驗應用于元素化合物教學的思考

虛擬實驗在元素化合物實驗教學中的應用，對于學生理解元素化合物的性質、建構物質的轉化關系、提升學生的科學探究能力、發展學生的學科核心素養產生了積極的影響。但虛擬實驗不是萬能的，其在化學實驗教學中的應用仍有不足之處，有以下問題值得深思。

（一）虛擬實驗是一種輔助手段

雖然新課標明確提出要發揮信息技術在教學中的優勢，鼓勵教師運用信息技術提高課程的教學效率和質量，強化信息技術與化學教學的深度融合，以全面提高學生的科學探究能力，但是虛擬實驗這種信息技術只是一種輔助教學的手段，而不是最終的目的。教師在選用信息技術前，要考慮如何有效地使用信息技術促進教育方式的創新和更好地達成教學目標。以本文第一個案例中提到的氮氧化物的教學為例，教學目標是學生在學習本節課新知識的基礎上，能夠設計合適的實驗，將氮氧化物全部轉化為硝酸，但是這種設計性實驗，如果學生進行實際操作，難以一次成功，甚至會出現意外，造成資源浪費和環境污染，影響教學進度。為解決這些問題，學生先在虛擬實驗平臺上，對自己設計的實驗進行驗證。每次驗證也是一次試錯的過程，這也能激發學生在探究過程中有效思考。在此基礎上，學生再次使用真實的實驗試劑和裝置進行操作，就能知道如何更好地完成實驗。教師將虛擬實驗和實際動手實驗有機結合，不僅能檢驗學生當堂學習效果，加深對氮氧化物性質的理解，而且能有效提高學生的實驗設計和探究能力。教師在課堂教學中還發現，因為學生已經在虛擬實驗平臺上成功模擬，在實際操作時，很流暢地就完成實驗。由此可見，虛擬實驗能有效地輔助化學實驗教學，是一種很好的輔助手段。教師在開展課堂教學時，一定要結合實際情況，合理使用信息技術，讓虛擬實驗更好地為化學實驗教學服務。

（二）虛擬實驗不可以代替動手實驗

雖然虛擬實驗對于激發學生探究實驗的好奇心具有積極作用，但是它永遠也不能取代動手實驗。例如，在前面提到的氮氧化物的教學中，有的學生雖然已經在虛擬實驗平臺上完成模擬實驗，但是在實際操作時，因為沒有控制好裝二氧化氮氣體的試管，導致二氧化氮泄漏，以致吸入極少量的二氧化氮氣體，最終未能完成實驗。

由此可見，虛擬實驗雖然是一種很好的實驗教學輔助手段，但是虛擬實驗終究不能完全代替真實的操作實驗，如果強行替代會極大地制約學生實踐能力的培養，影響學生合作探究能力的發展。因為在實際的操作實驗中，學生面對的是真實的情境，需要根據自己所學知識和生活常識及時、迅速作出判斷并進行處理。例如，學生在實際操作時，不小心導致二氧化氮氣體泄漏，如果他們只是在課本上或視頻里看到二氧化氮氣體，沒有見過二氧化氮氣體，遇到氣體泄漏可能都不知道該如何更好地保護自己。

此外，動手實驗還可以為學生提供真實、生動的實驗現象，為證據推理提供有力的保證，這是僅靠智能技術是無法做到的。在第二個教學案例中，教學目標是學生在已學知識的基礎上，能夠選擇合適的氧化劑和還原劑，實現不同價態的含硫化合物的轉化，不需要學生對每個轉化實驗都進行實際操作與驗證。因為通過前面硫及其化合物的新授課，學生已經對硫及其化合物的性質實驗有了一定的感性認知。所以，教師只需要選擇其中一個或若干個實驗進行實際操作。在該案例中，學生設計出了兩種不同的實驗裝置，認真觀察即可發現，有一種裝置不僅關注到SO的尾氣處理問題，在實驗操作上還具有連貫性。但是，利用這樣的實驗裝置進行實驗是否具有可操作性，能不能達到實驗效果，僅憑虛擬實驗還是沒有說服力的，還是需要學生進行真實的動手操作實驗。真實的實驗現象更有說服力。與此同時，學生在對他人的設計進行評價的同時，也在反思自己的實驗設計與操作，這對于提高學生的科學探究能力無疑是有益的。

因此，教師在教學工作中應精心設計虛擬實驗，保證信息技術應用的適切性。

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。

參考文獻

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[3] 畢華林，萬延嵐.化學的魅力與化學教育的挑戰[J].化學教學，2015（5）：3.

（作者南利蕊、韓玉霞、陳超林系北京市第十七中學教師）

責任編輯：祝元志