高中化學(xué)虛擬實驗室提升學(xué)生科學(xué)探究能力的策略研究

摘" 要：為探討高中化學(xué)虛擬實驗室提升學(xué)生科學(xué)探究能力的策略，文章首先介紹了高中化學(xué)虛擬實驗室的基本內(nèi)涵，指出了其在模擬實驗環(huán)境、提供安全互動學(xué)習(xí)、節(jié)約資源等方面的優(yōu)勢。其次，分析了虛擬實驗在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢，包括節(jié)約資源、提高安全性和培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力。再次指出了虛擬實驗中存在的學(xué)習(xí)曲線、缺乏真實感等制約因素。最后提出了借助小組合作、結(jié)合實地實驗和虛擬實驗以及激發(fā)學(xué)生自主探究能力等途徑，以提升學(xué)生的科學(xué)探究能力，旨在為教學(xué)實踐提供有益的參考和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué);虛擬實驗;科學(xué)實踐;路徑探究

高中化學(xué)學(xué)科本身具有探究性與實驗性，這種特性促使實驗教學(xué)活動成為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的理想舞臺。但是學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)課程時，難免會因為學(xué)習(xí)基礎(chǔ)或?qū)W習(xí)思維等因素，導(dǎo)致學(xué)習(xí)出現(xiàn)各種各樣的困難，造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高。當(dāng)代教育越來越重視實踐性和體驗性，尤其是化學(xué)教育。隨著科技的飛速發(fā)展，虛擬實驗室已成為傳統(tǒng)教學(xué)的重要補充，高中化學(xué)虛擬實驗室作為現(xiàn)代科學(xué)教學(xué)的重要工具，為學(xué)生提供了一個安全、可控的實驗環(huán)境，讓學(xué)生在沒有實驗條件下的情況下也可以進行科學(xué)探究和學(xué)習(xí)。本文將聚焦高中化學(xué)領(lǐng)域，通過比較傳統(tǒng)實驗和虛擬實驗的優(yōu)劣勢，探討虛擬實驗室如何有效地促進學(xué)生的科學(xué)探究。

一、虛擬實驗在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢

實驗教學(xué)是高中化學(xué)教學(xué)體系中最為基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容，對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力而言，具有一定的推動價值。為了深化學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，教師在開展高中化學(xué)實驗教學(xué)時，需要引導(dǎo)學(xué)生開展自主實踐，親身驗證所學(xué)化學(xué)理論與原理，以增強學(xué)生的科學(xué)探究能力。虛擬實驗作為一種新興的教學(xué)輔助手段，具備多方面的優(yōu)勢，特別是在資源節(jié)約、安全性以及培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力方面。

（一）有利于節(jié)約設(shè)備資源

傳統(tǒng)的化學(xué)實驗通常需要大量的實驗器材、化學(xué)藥品以及安全設(shè)施，這對學(xué)校和教育機構(gòu)的資源投入提出了較高的要求。虛擬實驗室通過模擬真實的實驗過程，將實驗環(huán)境數(shù)字化呈現(xiàn)，可以顯著減少對物質(zhì)和設(shè)備的需求。另外，虛擬實驗室還避免了許多實驗所需的昂貴設(shè)備和易耗品的需求。這包括實驗室常用的玻璃器皿、化學(xué)試劑和實驗儀器等。學(xué)校不再需要頻繁購買這些物品，節(jié)省了大量經(jīng)費，使得教育資源可以更加合理地分配到其他方面，例如提升師資力量、購買其他教學(xué)輔助設(shè)備等。長期來看，使用虛擬實驗室可以替代多種實驗所需的試劑和設(shè)備，不僅可以減輕學(xué)校的經(jīng)濟負擔(dān)，還可以讓更多學(xué)生獲得高質(zhì)量的實驗教育。

（二）有利于提高實驗的安全性

虛擬實驗在高中化學(xué)教學(xué)中具備顯著的安全性優(yōu)勢。傳統(tǒng)的化學(xué)實驗可能涉及使用有毒、易燃或腐蝕性的化學(xué)物質(zhì)，同時需要復(fù)雜的實驗操作，這些因素都增加了學(xué)生和教師在實驗室中面臨的安全風(fēng)險。虛擬實驗通過數(shù)字化模擬實驗過程，極大地降低了這些潛在風(fēng)險。一方面，虛擬實驗避免了直接接觸危險化學(xué)物質(zhì)的需求，減少了學(xué)生接觸有害物質(zhì)的機會。這樣可以有效地避免因操作失誤導(dǎo)致的傷害，保障學(xué)生的安全。另一方面，虛擬實驗提供了一個安全的實驗環(huán)境，減少了實驗中可能發(fā)生的意外情況。學(xué)生可以在虛擬場景下進行操作和實驗，即便出現(xiàn)錯誤也不會對自身和周圍環(huán)境造成實質(zhì)性危險，這有助于培養(yǎng)學(xué)生正確處理化學(xué)實驗的態(tài)度和技能。

（三）有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力

高中化學(xué)實驗不僅是為了傳授知識，還要為學(xué)生提供自主實踐的機會。虛擬實驗通過互動性和實時性，激發(fā)了學(xué)生的參與熱情，讓他們更積極地參與實驗過程。在模擬實驗的環(huán)境下，學(xué)生能夠自主探索化學(xué)現(xiàn)象背后的原理和規(guī)律，有助于培養(yǎng)他們的觀察、思考和解決問題的能力。化學(xué)虛擬實驗室的出現(xiàn)，構(gòu)建了一個充滿平等、生動性、共享式的學(xué)習(xí)環(huán)境，潛移默化地引導(dǎo)學(xué)生自主參與實驗，深入探究化學(xué)知識，顯著提升其科學(xué)探究力，為學(xué)生化學(xué)綜合素養(yǎng)的全面發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。此外，這種自主學(xué)習(xí)模式顯著增強了學(xué)生對化學(xué)知識的吸收與理解，通過引入虛擬實驗平臺，能夠激發(fā)學(xué)生對化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在自主探究的過程中養(yǎng)成嚴謹科學(xué)的學(xué)習(xí)態(tài)度，促進學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)與實踐能力的全面提升。

總而言之，虛擬實驗在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用不僅節(jié)約了資源，提高了安全性，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。這種創(chuàng)新的教學(xué)手段為學(xué)生提供了更廣闊的學(xué)習(xí)空間，降低了實驗成本，同時創(chuàng)造了更安全、更具有互動性的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過虛擬實驗，學(xué)生能夠在更自主、更安全的環(huán)境下探索科學(xué)世界，從而更好地掌握和應(yīng)用化學(xué)知識。

二、虛擬實驗中提升學(xué)生科學(xué)探究能力的制約因素

（一）虛擬實驗受到學(xué)習(xí)曲線和指導(dǎo)需求的限制

虛擬實驗室在高中化學(xué)教學(xué)中是一種新穎的教學(xué)手段，然而，學(xué)習(xí)曲線和指導(dǎo)需求是其中一個重要的制約因素。學(xué)生對虛擬實驗室的操作可能需要一定的時間和指導(dǎo)，特別是對那些不熟悉技術(shù)操作的學(xué)生而言。有些學(xué)生可能對技術(shù)工具的使用不夠熟練，需要額外的時間來適應(yīng)虛擬實驗的操作界面和功能。這可能導(dǎo)致教學(xué)過程中出現(xiàn)學(xué)生參與度不高、學(xué)習(xí)效率下降的情況。針對虛擬實驗，學(xué)生可能需要更多的指導(dǎo)和解釋，以幫助他們理解實驗過程背后的化學(xué)原理。教師需要投入更多的時間來解答學(xué)生關(guān)于虛擬實驗的疑問，指導(dǎo)操作和解釋實驗原理。這可能對教師的工作量提出了更高的要求，需要他們具備更強的技術(shù)支持和教學(xué)能力，以便有效地引導(dǎo)學(xué)生完成虛擬實驗，并確保他們對實驗背后的化學(xué)概念有深入的理解。

（二）虛擬實驗缺乏真實感和互動性

盡管虛擬實驗?zāi)M了實驗過程，但無法完全替代真實實驗室的親身體驗。學(xué)生在虛擬實驗中無法感受到真實實驗中的觸感、氣味等感官刺激，這限制了他們對化學(xué)實驗的全面體驗。例如，在實驗室中，學(xué)生可以親自操作器材，觀察物質(zhì)的顏色、質(zhì)地變化，而虛擬實驗無法提供這種真實感。而這種親身體驗對理解化學(xué)原理和培養(yǎng)實驗技能至關(guān)重要。此外，虛擬實驗也限制了學(xué)生的互動性和實踐經(jīng)驗積累。在真實的實驗室中，學(xué)生可以進行合作，分享觀察和實驗結(jié)果，這有助于學(xué)生之間的交流和思維碰撞。然而，在虛擬實驗中，這種互動可能受到限制，難以達到與同伴和教師間真實的交流互動水平。同時，親身操作實驗器材和化學(xué)物品是培養(yǎng)實踐經(jīng)驗的關(guān)鍵，但虛擬實驗無法提供這種實踐機會，從而影響學(xué)生對實驗技能的培養(yǎng)和積累。因此，盡管虛擬實驗在某些方面提供了便利和模擬實驗的部分體驗，但它仍然無法取代真實實驗室所帶來的親身體驗和實踐經(jīng)驗積累。

三、高中化學(xué)虛擬實驗室提升學(xué)生科學(xué)探究能力的途徑

（一）借助小組合作和導(dǎo)向教學(xué)的方式，提升學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力

小組合作實驗是提升學(xué)生在高中化學(xué)虛擬實驗室中實操理解能力的重要方法之一。教師可以通過組建小組，讓學(xué)生共同完成虛擬實驗任務(wù)。在小組中，教師可以將實驗任務(wù)分解成不同步驟，讓每位學(xué)生負責(zé)其中的一部分，并在小組內(nèi)共同討論、協(xié)作完成整個實驗過程。這種合作模式可以激發(fā)學(xué)生的互助精神和團隊合作能力。例如，學(xué)生A負責(zé)實驗操作，學(xué)生B觀察實驗現(xiàn)象，學(xué)生C記錄數(shù)據(jù)，然后他們共同分析和討論實驗結(jié)果，共同得出結(jié)論。這種合作模式不僅增強了學(xué)生的實操能力，還促進了他們之間的交流和協(xié)作，提升了對化學(xué)實驗原理的理解。

同時，通過學(xué)生導(dǎo)向式的教學(xué)方式，教師可以充當(dāng)引導(dǎo)者的角色，鼓勵學(xué)生自主探究和解決問題。例如，在虛擬實驗中，教師可以提出一個開放性的問題，鼓勵學(xué)生通過實驗操作和觀察，自主探究并找到答案。這種方式可以激發(fā)學(xué)生的自主性和探究欲望，讓他們更深入地理解化學(xué)現(xiàn)象和實驗原理，從而增強實操理解能力。此外，教師可以通過建立在線合作學(xué)習(xí)平臺，破除虛擬實驗受到學(xué)習(xí)曲線和指導(dǎo)需求限制的弊端。通過這樣的平臺，學(xué)生可以分享經(jīng)驗、討論問題，并相互提供解決方案。這種交流平臺為學(xué)生提供了一個開放的環(huán)境，讓他們能夠在互聯(lián)網(wǎng)上隨時交流和學(xué)習(xí)。

（二）模擬實驗與實地實驗相結(jié)合，提升實操的交互性

教師可以將模擬實驗與實地實驗相結(jié)合，在虛擬實驗中預(yù)先展示實驗步驟和化學(xué)原理，然后在實地實驗中加強學(xué)生的實操能力。例如，在虛擬實驗中，學(xué)生可以模擬實驗的步驟、操作和觀察，理解實驗原理。隨后，在實地實驗中，學(xué)生可以重復(fù)虛擬實驗的步驟，進行實際操作，觀察真實的化學(xué)現(xiàn)象，從而加深對化學(xué)知識的理解。這種方式可以彌補虛擬實驗無法提供的真實觸感和實操經(jīng)驗，讓學(xué)生在虛擬實驗中先行了解，再在實地實驗中鞏固，可以提高學(xué)生對實驗過程的真實感知和參與度，同時拓展其實踐經(jīng)驗和化學(xué)探究能力。

針對高中化學(xué)虛擬實驗室缺乏真實感和互動性的限制，現(xiàn)代科技方式如虛擬現(xiàn)實（VR）或增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)提供了一定的彌補措施。通過采用VR或AR技術(shù)，學(xué)生可以獲得更具沉浸感的實驗體驗。虛擬實驗室可以模擬真實實驗室的環(huán)境，讓學(xué)生仿佛置身其中。例如，利用VR技術(shù)，學(xué)生可以通過頭戴式顯示器進入虛擬實驗室，感受到逼真的實驗操作和環(huán)境，如拿取試劑、攪拌溶液等，這些互動動作能夠模擬真實實驗的操作感，從而彌補缺乏觸感、氣味等感官刺激的不足。此外，沉浸式體驗也可通過模擬實驗過程中的聲音、光線變化以及物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的視覺效果，增加學(xué)生對化學(xué)現(xiàn)象的直觀感知，使其更加身臨其境地參與實驗，從而提升實驗的真實感和互動性。

（三）創(chuàng)設(shè)生活情境，激發(fā)學(xué)生的自主探究能力

化學(xué)學(xué)科的知識技能是人類認識世界、探索自然的重要工具，與學(xué)生的日常生活聯(lián)系緊密。學(xué)生平日見到的許多現(xiàn)象都可以利用化學(xué)原理進行解釋，同時巧妙地利用化學(xué)知識也可以解決生活中的許多困難。因此，在高中化學(xué)的教學(xué)過程中，教師可以聯(lián)系生活創(chuàng)設(shè)情景，用那些生活中較為常見但原理還并未被大多數(shù)人知曉的現(xiàn)象來吸引學(xué)生的注意力，引發(fā)學(xué)生的思考和探索，從而讓學(xué)生對化學(xué)產(chǎn)生興趣。

高中化學(xué)包含了大量的實驗教學(xué)內(nèi)容，很多實驗操作也是學(xué)生必須要掌握的技能，這是一個鍛煉學(xué)生動手能力以及培養(yǎng)學(xué)生自主探究能力的好機會。教師可以先在課堂上進行實驗演示，通過讓學(xué)生觀察奇妙的化學(xué)實驗現(xiàn)象，產(chǎn)生進一步探究的興趣，然后組織學(xué)生開始實驗學(xué)習(xí)過程，在有趣的實驗操作中鍛煉自己的技能。教師也可以設(shè)計一些有趣的實驗探究活動，將學(xué)生分為各個學(xué)習(xí)小組，以小組為單位去完成這些探究活動，讓學(xué)生通過自己的努力和小組合作共同突破學(xué)習(xí)難點。比如，在講授化學(xué)反應(yīng)與電能這節(jié)課時，教師可以為學(xué)生演示一些有趣的水果電池實驗，然后以小組為單位，鼓勵學(xué)生發(fā)掘生活物品制作原電池。通過這種方法，學(xué)生不僅可以鍛煉和提升實驗操作技能，還可以掌握一定的自我學(xué)習(xí)技能和合作技能。

四、結(jié)語

高中化學(xué)虛擬實驗的靈活應(yīng)用，能夠激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，也可以為高中化學(xué)課堂教學(xué)質(zhì)量的提升提供必要保障，讓學(xué)生在教學(xué)過程中跟上教師的節(jié)奏，體現(xiàn)了化學(xué)實驗教學(xué)的合理性和可行性，成為教師教學(xué)策略的重要參考。通過結(jié)合現(xiàn)代科技、創(chuàng)新教學(xué)方式以及學(xué)生自主學(xué)習(xí)，教師有機會培養(yǎng)出更具實踐能力和科學(xué)探究精神的學(xué)生。這不僅是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的補充，更是對學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團隊合作和科學(xué)素養(yǎng)全面發(fā)展的有益嘗試。雖然虛擬實驗存在一些限制，但通過不斷探索、創(chuàng)新和結(jié)合多種教學(xué)方式，教師可以克服這些挑戰(zhàn)，為學(xué)生提供更優(yōu)質(zhì)、更安全、更具有實踐性的化學(xué)學(xué)習(xí)體驗。

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（責(zé)任編輯：孫曉林）

* 本文系2023年度福建省電化教育館教育信息技術(shù)研究課題“基于矩道虛擬實驗室助力區(qū)域化學(xué)課堂教學(xué)的應(yīng)用研究”（課題編號：KT23048）;2023年泉州市教育信息技術(shù)研究課題“基于矩道虛擬實驗室的化學(xué)教與學(xué)應(yīng)用研究”（課題編號：QZDJKT2341）研究成果。