虛擬實驗平臺在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，初中化學(xué)實驗教學(xué)對于學(xué)生今后的學(xué)習(xí)具有重要意義。新課改要求教師在傳授學(xué)生知識和技能的同時，還必須重視培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。而傳統(tǒng)真實實驗受各方面的限制，已無法滿足現(xiàn)階段化學(xué)實驗教學(xué)的需求。在此背景下，教師可以借助虛擬實驗來開展科學(xué)探究活動。基于此，本文就虛擬實驗平臺在初中化學(xué)教學(xué)實踐展開深入探討。

關(guān)鍵詞：初中化學(xué)；虛擬實驗；教學(xué)

隨著教育信息化2.0的發(fā)展，初中化學(xué)實驗教學(xué)技術(shù)也在不斷地改革和創(chuàng)新，并取得了突破性的進(jìn)展。如今，虛擬實驗平臺被廣泛應(yīng)用于初中化學(xué)實驗教學(xué)中，能夠很好地適應(yīng)當(dāng)前的教育需求，有助于提升學(xué)生化學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)探究能力。因此，在開展課堂教學(xué)活動時，教師需要充分發(fā)揮化學(xué)虛擬實驗平臺的優(yōu)勢，采取科學(xué)的方式引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷實驗設(shè)計等過程，讓學(xué)生獲得直觀地感受，以更積極的態(tài)度融入課堂學(xué)習(xí)中，進(jìn)而提高初中化學(xué)實驗教學(xué)水平。

一、虛擬實驗在初中化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用意義

虛擬實驗是初中化學(xué)實驗教學(xué)的重要組成，其主要是利用多媒體、虛擬現(xiàn)實等科技手段，在線上構(gòu)建能夠代替部分或全部實驗的操作環(huán)境。在教師的指導(dǎo)和幫助下，學(xué)生仿佛置身于真實環(huán)境中，能夠結(jié)合所學(xué)的知識和技能，在線開展相關(guān)的實驗項目。

（一）有助于提升實驗的生動性

近年來，隨著新課改的持續(xù)深入，教師除了需要注重基礎(chǔ)理論知識的傳授，還應(yīng)當(dāng)重視提高學(xué)生的探索和實踐能力。在課堂上，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生參與實驗過程并觀察真實的實驗現(xiàn)象，使其獲得更深刻地感受，接著引導(dǎo)學(xué)生在此基礎(chǔ)上展開更加深入地思考，總結(jié)相應(yīng)的化學(xué)規(guī)律。這種方式不僅可以幫助學(xué)生更好地理解相關(guān)理論知識，還可以有效地增強學(xué)生對知識的應(yīng)用能力。

此外，在具體實踐過程中，教師往往會運用到許多工具，但大多數(shù)知識的研究是在特定條件下進(jìn)行的，導(dǎo)致實驗無法在常規(guī)環(huán)境中實施，影響學(xué)生的進(jìn)一步學(xué)習(xí)。而虛擬實驗平臺能夠提供多種工具且功能強大，例如線上模擬軟件、虛擬實驗室等，能夠讓實驗教學(xué)過程變得更生動，使學(xué)生產(chǎn)生更加真實的體驗。

（二）有助于提升實驗真實性

教師需要建立以認(rèn)知主義的學(xué)習(xí)理論為前提的虛擬實驗教學(xué)，加強對各種虛擬教具的合理應(yīng)用，以此增強學(xué)生的自學(xué)意識和探索能力。在課堂上，對虛擬實驗的合理運用能夠真正實現(xiàn)主客體之間的信息互動，教師可以將教材上的基礎(chǔ)理論與實踐活動有效整合，引導(dǎo)學(xué)生在線上開展相關(guān)的實驗操作并觀看動畫演示，使其更好地理解所學(xué)知識，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)思維。

例如，在講解和分子有關(guān)的知識時，教師可以根據(jù)實際需要，制定分子特征的探究實驗方案，并積極落實，以此幫助學(xué)生理解現(xiàn)實化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象。在課堂教學(xué)過程中，教師可以按照分子結(jié)構(gòu)設(shè)計模擬動畫，以此增強課堂趣味性，并借助氫氣在空氣中燃燒的實驗，讓學(xué)生能夠更加生動、直觀地看到氫原子和氧原子重新組合成為水分子的過程，從而有效降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，使學(xué)生更加順利地理解化學(xué)變化的本質(zhì)。此外，在教學(xué)過程中，教師還可以利用視頻呈現(xiàn)虛擬實驗，以此增強教學(xué)效果，避免實驗過程中可能會出現(xiàn)的危險。

（三）有助于提升實驗探索性

1.可以利用虛擬實驗平臺做好實驗準(zhǔn)備，以教材中的相關(guān)知識為基礎(chǔ)，借助AR技術(shù)設(shè)計教學(xué)流程，提高整體效率，更好地指引學(xué)生深入學(xué)習(xí)并取得理想成效。

2.虛擬實驗具有交互性特點，有利于教師和學(xué)生更好地探討和溝通。在具體實踐過程中，為了實時反饋學(xué)生的實際學(xué)情，教師可以建立信息輸入與輸出的對應(yīng)場景。在開展課堂活動時，教師可以利用虛擬實驗?zāi)M些真實場景，以此提高學(xué)生對實驗探究的熱情，促使學(xué)生更加主動地投入進(jìn)去。此外，教師可以將化學(xué)問題與實際生活相聯(lián)系，幫助學(xué)生更加深入地理解所學(xué)的內(nèi)容。

3.在開展虛擬實驗活動時，為了呈現(xiàn)相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)與實驗現(xiàn)象，教師可以充分發(fā)揮仿真技術(shù)、交互技術(shù)等功能，整合有關(guān)信息，營造更加有利的課堂氛圍，并形成立體化學(xué)習(xí)模式。

二、虛擬實驗平臺在初中化學(xué)實驗教學(xué)的應(yīng)用策略

（一）以課件的形式融入課堂教學(xué)

虛擬實驗平臺在實際使用過程中主要是借助不同的技術(shù)手段構(gòu)建教學(xué)環(huán)境，再結(jié)合實際情況來科學(xué)地使用相關(guān)的課程資源，以此獲得較為良好的效果。虛擬實驗平臺的多媒體功能強大，能夠根據(jù)教材中的相關(guān)知識整合多種教學(xué)資源制作課件，從而立體地向?qū)W生展示各種實驗儀器和裝置。

同時，虛擬實驗平臺具有適時性特點，能夠結(jié)合實際情況有效地解決課堂某一環(huán)節(jié)存在的困難，例如需要利用模型展示或輔助實驗驗證。在具體實踐過程中，將課件形式融入課堂教學(xué)的時候，教師必須立足于實際，重點關(guān)注以下幾個方面：

1.必要性。在制作課件的環(huán)節(jié)中，教師應(yīng)當(dāng)利用平臺創(chuàng)建相應(yīng)的化學(xué)情境，以學(xué)生不易觀察到的知識點為基礎(chǔ)，以直觀形象的方式呈現(xiàn)出來。例如，對于傳統(tǒng)的PPT無法呈現(xiàn)三維分子模型、化學(xué)方程式等，教師就可以使用虛擬實驗平臺呈現(xiàn)出來。

2.使用時機。在課堂上，教師不能太早地借助直觀演示代替學(xué)生自主思考，而要為學(xué)生提供充足的思考時間，正確認(rèn)識到課件與其他教學(xué)環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系。

3.運用策略。在實踐過程中，教師應(yīng)當(dāng)積極地進(jìn)行探究式教學(xué)，利用與所學(xué)知識密切相關(guān)的問題啟發(fā)學(xué)生，讓學(xué)生能夠進(jìn)行更深層次地思考，進(jìn)而提高學(xué)生的解決問題能力和探究學(xué)習(xí)能力。

（二）以多媒體黑板的形式融入課堂教學(xué)

在新形勢下，教師在開展教學(xué)活動時必須注意學(xué)生在課堂中存在的問題，幫助其更好地參與到教學(xué)和化學(xué)學(xué)習(xí)的過程，促進(jìn)學(xué)生主動思考。學(xué)生的思維往往比較活躍，能夠在具體實踐中注意到一些教學(xué)設(shè)計以外的問題。根據(jù)相關(guān)資料表明，在許多時候，教師無法用常規(guī)手段來解釋學(xué)生的疑問。在這種情況下，教師可以使用虛擬實驗平臺，掌握平臺的操作技巧，在課堂上開展相應(yīng)的化學(xué)演示和驗證實驗，從而更好地解答學(xué)生的困惑。

（三）運用虛擬實驗，突破實驗條件限制

在開展教學(xué)活動時，課堂上的實驗條件由于受到多方面的限制，教師通常采用口頭講述的形式進(jìn)行講解，所產(chǎn)生的效果較為有限。而虛擬實驗的應(yīng)用能夠生動地呈現(xiàn)現(xiàn)實中無法完成的實驗，突破實驗條件限制，讓學(xué)生充分掌握相關(guān)化學(xué)知識，并獲得較為理想的效果。

例如，在進(jìn)行“二氧化碳”相關(guān)知識的教學(xué)時，教師通常先講述CO2所引發(fā)的溫室效應(yīng)。但是大部分的學(xué)生對溫室效應(yīng)缺乏一定地了解，在學(xué)習(xí)過程中只能機械化理解與記憶知識，無法真正地明白CO2導(dǎo)致溫室效應(yīng)的具體原因。在這種情況下，為了讓學(xué)生真實地體會到溫度變化，獲得更直觀地體驗，教師可以利用虛擬實驗平臺，帶領(lǐng)學(xué)生模擬添加云霧的效果，利用虛擬手段展示溫室效應(yīng)，讓學(xué)生觀察過程和現(xiàn)象，了解這種現(xiàn)象是空氣當(dāng)中的CO2過多導(dǎo)致的。

（四）突破空間地域限制，規(guī)避實驗安全風(fēng)險

在初中階段中，有不少實驗涉及工業(yè)生產(chǎn)模擬。但是，在實際的課堂教學(xué)中，受到實驗空間的限制，學(xué)生無法親身地前往相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)基地參觀。在此情況下，教學(xué)通常只能停留在理論知識講解的層面，無法提供相應(yīng)的機會帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行實驗操作探究。除此之外，初中階段還存在不少危險系數(shù)較高的實驗，一旦出現(xiàn)操作不當(dāng)?shù)葐栴}，很可能會影響到師生的人身安全或儀器設(shè)備安全。對于部分高危險類的化學(xué)實驗，為了避免出現(xiàn)意外，教師通常也不會安排學(xué)生去體驗，而是選擇在教室內(nèi)進(jìn)行模擬。例如，“金屬的冶煉”高爐煉鐵這節(jié)內(nèi)容涉及CO還原Fe2O3模擬工業(yè)上煉鐵。但是，在具體講解中，由于不能帶領(lǐng)學(xué)生到煉鋼廠體驗，導(dǎo)致對相關(guān)知識的認(rèn)識不深刻，在進(jìn)行工業(yè)煉鐵的基本原理實驗時，也僅僅只是停留在理論分析上。針對這種情況，教師可以利用虛擬實驗平臺，模擬工業(yè)煉鐵的真實場景，驗證操作時造成的硬質(zhì)玻璃管炸裂的過程，并帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行動手實踐，具體如圖1所示。

由此可見，虛擬實驗的應(yīng)用能夠模擬部分高危險性實驗，真正地突破時間和空間的限制，避免了實驗安全事故的發(fā)生，并從各個角度呈現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)情景和原理。

（五）突破時間進(jìn)度限制，提升課堂教學(xué)效率

化學(xué)學(xué)科的課堂時間有限，需要耗費一定的時間和精力來操作演示實驗，而且在大多數(shù)情況下，也很難獲得相關(guān)的結(jié)果，所以在進(jìn)行實驗時，教師通常以傳授知識為主，無法有效地鍛煉學(xué)生的思維能力，難以獲得良好的效果。例如，在進(jìn)行“金屬的腐蝕”的教學(xué)時，為了展現(xiàn)金屬鐵發(fā)生銹蝕所需的條件，教師往往需要在課堂上開展相關(guān)的實驗來探究每個條件，但由于耗時較長，一般不會直接在教室內(nèi)進(jìn)行展示。而利用虛擬實驗平臺，教師可以創(chuàng)造出有利的環(huán)境，安排學(xué)生設(shè)計實驗方案，向?qū)W生介紹相關(guān)的注意事項和操作方法，引導(dǎo)學(xué)生參與到金屬鐵發(fā)生腐蝕的實驗過程，并查看各階段金屬鐵發(fā)生銹蝕的實驗結(jié)果，具體如圖2所示。

這種方式能夠讓學(xué)生詳細(xì)觀看到金屬鐵生銹的全過程，打破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的局限，有效減少了實驗時間，并提升了課堂效率。

（六）作為學(xué)生問題解決的支持工具

虛擬實驗平臺可以分成不同類型的支持工具，主要有以下幾種：

1.探索型。在實踐過程中，教師可以使用虛擬實驗平臺模擬相似實驗中的化學(xué)規(guī)律，并圍繞已經(jīng)學(xué)習(xí)到的相關(guān)基礎(chǔ)化學(xué)規(guī)律，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.感知型。在具體實踐中，如果存在著無法用掛圖、模型和黑板展示的分子立體模型等問題，教師可以借助虛擬實驗平臺的相關(guān)功能進(jìn)行輔助教學(xué)，讓學(xué)生獲得直觀地認(rèn)識，并解決微觀現(xiàn)象無法展現(xiàn)等遺憾。

3.訓(xùn)練型。虛擬實驗平臺作為掌握相關(guān)技能的平臺，在任何時間和任何地點，教師都能夠帶領(lǐng)學(xué)生展開一系列相關(guān)的實驗操作練習(xí)，從而不斷提高學(xué)生的基礎(chǔ)操作技能。

4.驗證型。在具體實踐中，教師可以借助虛擬實驗平臺驗證化學(xué)現(xiàn)象間的關(guān)系，并圍繞已經(jīng)學(xué)習(xí)到的相關(guān)基礎(chǔ)化學(xué)原理和規(guī)律，以此培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力，進(jìn)一步強化學(xué)生對化學(xué)原理和規(guī)律的理解，訓(xùn)練學(xué)生的發(fā)散思維。

5.活動型。在實踐過程中，教師可以借助虛擬實驗平臺提高學(xué)生解決化學(xué)實際問題的能力，通過設(shè)計和布置相關(guān)的任務(wù)，讓學(xué)生借助虛擬實驗平臺進(jìn)行實驗，展開深層次的思考和研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計科學(xué)的實驗作品，以此培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新精神。

總之，在實踐過程中，教師不僅需要讓學(xué)生能夠綜合運用化學(xué)知識，還需要幫助學(xué)生掌握相關(guān)使用技巧。因此，教師需要制定出科學(xué)合理的方案，讓學(xué)生充分了解和掌握虛擬實驗平臺，不斷提高學(xué)生的積極性，在操作過程中增強學(xué)生的自信心，提高學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新精神。

三、結(jié)束語

綜上所述，虛擬實驗平臺不僅是提高教學(xué)質(zhì)量的主要方式，也是新時代教育發(fā)展的主要方向。在此背景下，教師必須充分發(fā)揮虛擬實驗平臺的優(yōu)勢，在課堂上更好地輔助學(xué)生探究化學(xué)知識，并根據(jù)學(xué)生在不同階段的具體狀況，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)有效且真實的實踐環(huán)境，以彌補現(xiàn)實中化學(xué)實驗存在的缺陷，讓學(xué)生能夠高效地進(jìn)行各種科學(xué)探究活動，進(jìn)而全方位提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和綜合能力。

作者單位：高延德 靜寧縣梁馬初級中學(xué)

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