教師的得力助手——虛擬實驗室

摘? 要：隨著科學技術的發展，初中化學實驗課堂中引入虛擬實驗，能夠避免真實實驗存在的問題并促進教學.據此，文章在初中化學實驗中引入了可視化技術，構建虛擬實驗室，先介紹化學實驗課堂中運用虛擬實驗室的優勢，然后介紹兩者結合的教學設計與案例分析，旨在提升化學實驗教學效果，推動學生能力的全面發展.

關鍵詞：可視化教學；虛擬實驗室；初中化學

中圖分類號：G632??? 文獻標識碼：A??? 文章編號：1008-0333（2024）02-0122-03

收稿日期：2023-10-15

作者簡介：陳丹丹（1991.3-），女 ，江蘇省蘇州人，碩士，一級教師，從事初中化學教學研究.

當前，在初中化學實驗教學中還存在一些問題，如，實驗教學以教師演示為主，學生不能清晰地看到實驗現象；受資源限制影響，學生沒有機會自己動手操作，這些都極大地影響化學教學的質量.現階段隨著實驗技術的發展，市場上推出的“仿真物理實驗室”軟件能夠較高程度地仿真實驗現象，呈現精準的實驗數據，解決傳統化學實驗教學中受其他因素影響而無法順利開展的問題，為化學實驗教學領域注入新動力.

1 初中化學課堂中虛擬實驗室運用的優勢

1.1 激發學生學習熱情

在課堂中運用虛擬實驗室可視化教學的模式進行化學實驗教學，能夠讓學生“身臨其境”，建立對化學知識學習的熱情［1］.

1.2 借助信息技術創建虛擬實驗情境

為了提升初中生化學學習的熱情，加強學生們對化學抽象知識的理解與運用，體會人們生活工作中化學知識的重要性，教師往往在化學課堂中運用可視化技術創建虛擬實驗室，為學生創建化學教學情境.

2 虛擬實驗室輔助化學實驗教學的設計

2.1 教學設計原則

第一，綜合性原則.教師設計教學的時候，不但要思考教學目標與教學內容，還要考慮教學對象.教師可以帶領學生針對一個實驗開展不同形式的實驗，然后對實驗結果進行比較.教師還可以使用知識遷移的方法，將以往實驗的方法遷移到新的實驗中，讓學生能夠綜合運用實驗知識解決化學問題.

第二，可行性原則.教師在設計化學教學的時候，還要考慮涉及實驗操作的可行性，不僅要符合教學設計的內部條件，還要符合外部條件.在實施虛擬實驗教學設計的時候，教師要先確定初中生的認知特點，然后在此基礎上學習新的知識，完善自身知識網絡.另外，還要考慮借助可視化技術構建虛擬實驗課堂時的硬件條件，思考使用虛擬實驗室的可行性.

第三，反饋性原則.教師設計教學過程是為了讓學生更好地掌握知識，有時為了了解學生學習情況，需要獲得精準的數據信息并分析.教師利用學生回答問題的情況進行精準反饋，了解學生對知識理解能力與掌握情況.所以在借助可視化技術構建虛擬實驗室的時候，要注重使用虛擬實驗平臺觀察學生的實驗過程，及時準確地給予學生反饋信息.

2.2 基于可視化技術設計學習環境

第一，物理環境.此處的物理環境指能夠支持教師開展虛擬實驗的多媒體設備環境.在化學實驗教學前對化學實驗室中的物理環境進行調研，可知學校是否具備能夠開展虛擬實驗的物理環境條件.

第二，技術學習環境.從學生的角度著手，教師在為其設計技術學習環境時要注意知識結構導圖與學習目標導圖兩部分，讓學生能夠在虛擬實驗室的輔助下建立清晰的學習目標導圖，避免在學習過程中產生邏輯混淆問題，能夠明確知道自己是否實現學習目標.教師在設計技術學習環境的時候，要迎合學生自主合作交流的需求，在新環境下激發學生學習興趣.另外，教師還要注意學生知識結構導圖的構建，能夠理清學習知識間的關系，幫助學生能夠快速地內化知識，重構知識圖式.

第三，資源學習環境.教師在設計資源學習環境的時候要結合學生化學知識學習的情況，防止因為提供簡單的學習資源導致學生浪費學習時間.同時在信息環境下虛擬實驗室的構建中，要為學生開放資源學習環境，讓其有獨立虛擬實驗操作的機會.也就是說教師要著眼為學生組織信息化教學資源的需求，通過虛擬實驗室為學生整合并優化教學資源，提升信息的共享性，確保在教學設計中有針對性地為學生提供信息化資源.

2.3 基于虛擬實驗室設計教學過程

教師在以自己為主導設計教學活動的時候，應結合學生學情與教學設計的原則，有效設計虛擬實驗室輔助課堂的教學過程，在可視化技術虛擬實驗的輔助下，結合教學內容，組織學生自主運用信息技術實施自主探究活動.所以設計的教學過程為新課導入、布置任務、學生自主合作探究、完成任務、總結知識、布置作業［2］.

教師在以學生為主體設計教學活動的時候，要組織學生實施自主探究、合作交流，通過學習活動的設計讓學生真正融入虛擬實驗教學活動中.在教師引導學生研究學習任務、進行協作學習后，學生能夠學會學習.基于此設計的學生活動包括觀察實驗、設計實驗、討論交流等.在設計教學過程的時候

運用虛擬實驗室，不但要向學生提供實驗素材、創建情境，還要讓學生通過信息技術對實驗進行“操作”，以此能夠更好地思考知識、遷移知識，能夠通過在虛擬實驗中與同伴討論實驗裝置、實驗原理等，并完成實驗報告.

教學過程的設計，要聯系學生生活實際引入新知.化學實驗往往與人們生活生產密切相關，通過學生熟悉情境的構建，能夠激發他們的學習興趣，然后在新舊知識銜接下，使用啟發、討論、對比、總結的方法引導學生進一步遷移知識，教師此時使用虛擬實驗室為學生虛擬展示實驗步驟，清晰展示藥品的取用方法、實驗裝置的連接、數據的精準變化.然后教師布置啟發性任務，讓學生自己或者與同伴合作探究，通過自己操作虛擬實驗，觀察實驗步驟并記錄.教師此時要監督指導，讓學生熟悉實驗流程，加強對實驗環節的掌握.最后在教師的提問下由學生做匯報總結，完成知識的總結整理.

3 虛擬實驗室輔助化學實驗教學的實踐

以初三化學“二氧化碳的制取”探究性實驗課為例，教師將學生帶到計算機教室進行虛擬實驗探究課.課堂中使用生活情境導入法與新舊知識銜接法，先利用與學生生活有關的情景引發學生學習二氧化碳的興趣，然后經過與氧氣實驗的對比，讓學生回憶曾經學習過的氧氣的制取知識，通過知識遷移的手段能夠自主探究或者合作交流二氧化碳的制取步驟.如此，在知識的銜接下幫助學生更好地理解知識.具體教學過程如下.

3.1 創建情境引入新知

教師詢問學生見過泡騰片嗎？現場為學生展示維C泡騰片放入水中的現象，然后借助多媒體為學生播放關于全球變暖和溫室效應的相關視頻，告訴學生泡騰片與溫室效應、全球變暖都與二氧化碳有關.通過教師創建實際情境，讓學生對二氧化碳有一定的了解與認知，同時提升了學生的學習興趣，自然過渡到新知的講授.

3.2 新舊知識銜接

請學生回憶之前學習過的“氧氣的制取方法”，思考并回憶實驗室制取、收集氧氣的方法與化學方程式、氧氣的特點等知識.通過學生自主思考并總結反思歸納知識點，培養其知識總結與探究能力.

3.3 借助虛擬實驗室進行模擬演示

在計算機中實現下載好NB化學實驗軟件，在課堂中提出探究問題：“我們能不能用制取氧氣的思路來制取二氧化碳呢？”然后借助計算機中虛擬實驗平臺為學生展示制取氧氣的實驗，為即將進行的二氧化碳的制取提供示范，進一步激發學生動手做制取二氧化碳實驗的興趣.學生們在教師虛擬實驗的演示下，能夠掌握使用虛擬實驗的操作要領.

3.4發布實驗探究任務

以小組合作探究為主，教師先將學生進行分組，讓每一小組中的學生做好實驗的分工，一同合作操作實驗，觀察實驗，總結實驗結果［3］.

任務一，確定制取二氧化碳的反應物.教師給出三組制取二氧化碳的反應物，詢問學生哪組能夠作為實驗室制取二氧化碳理想的原料.三組原料分別是：碳酸鈉和稀鹽酸、石灰石和稀硫酸、石灰石和稀鹽酸.教師提出要求“請你借助虛擬實驗軟件做虛擬實驗，找到最適合制取二氧化碳的原料”.學生們通過虛擬實驗軟件做實驗，觀察并記錄不同原料反應生成二氧化碳時的現象，通過虛擬實驗平臺，學生們以碳酸鈉和稀鹽酸為原材料制取二氧化碳，發現

加入藥品之后馬上發生化學反應生成二氧化碳，反應過快，不容易收集氣體；石灰石和稀硫酸發生反應時產生二氧化碳的同時還生成硫酸鈣，硫酸鈣是微溶物，阻礙反應繼續進行；石灰石和稀鹽酸反應的速度適中，還沒有微溶物生產，所以與前兩種藥品相比，石灰石和稀鹽酸更加符合實驗室制取二氧化碳.學生們使用虛擬實驗軟件進行實驗操作，不僅可以鍛煉動手能力，還可以在小組合作中培養學生的合作精神，通過實驗的對比直觀得出最適合制取二氧化碳的原料.

任務二，確定制取二氧化碳的實驗裝置.請學生回憶制取氧氣實驗中的反應裝置與實驗方法，問題：（1）實驗室制取氣體的裝置要有幾部分？（2）選擇實驗裝置的時候要考慮哪些因素？（3）收集氣體的方法有哪些？在對這些問題思考后，教師借助多媒體為學生展示實驗室制取二氧化碳的裝置，包括發生裝置、收集氣體的裝置.請學生自主動手操作，按照教師提供的儀器確定制取二氧化碳的裝置.然后邊做實驗邊思考這個裝置是否最佳，通過實驗對比總結出最適合的裝置.在確定制取二氧化碳實驗裝置的任務中，教師為學生直接提供虛擬實驗環境與任務，然后讓學生自主思考討論，在虛擬實驗中確定實驗裝置.

任務三，確定二氧化碳的檢驗方法.教師提出層次性任務：二氧化碳的檢驗方法；二氧化碳的驗滿方法；實驗室制取二氧化碳的完整步驟.請學生通過對氧氣檢驗與驗滿的方法進行知識遷移，嘗試總結二氧化碳的檢驗與驗滿方法，然后請兩名學生到講臺上完整做出制取、收集二氧化碳的虛擬實驗，其他學生認真觀察并指出是否正確.以此通過師生互動提升學生實驗的參與感，提升其實驗操作能力.

4 結束語

虛擬實驗室輔助初中化學課堂，能夠幫助教師代替真實的實驗，解決學校教學資源不足、實驗課時少等問題.另外，在虛擬實驗室的運用下，還能有效培養學生的自主探究能力，增強化學學科素養.虛擬實驗室不僅為教師提供新的教學方式，還為學生提供了能夠自主學習的實踐操作平臺，符合新課標培養學生自主探究能力、合作意識與創新思維的要求.

參考文獻：［1］ 李燃，吳蘭，王春.虛擬仿真實驗在初中化學實驗教學中的探索與實踐［J］.中國現代教育裝備，2021（06）：36-38，41.

［2］ 吳曉紅，王沺菁，康澤偉.虛擬仿真軟件在中學化學教學中的應用研究綜述［J］.中國教育信息化，2020（20）：54-58.

［3］ 蘭曉琴，吳榮華.信息化工具支持下的四線式教學模式設計與應用［J］.中國教育技術裝備，2020（11）：23-26，34.

［責任編輯：季春陽］