初中化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

初中化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究丁玲杰王永臻

（徐州市第三十六中學(xué)，江蘇徐州221000）

想要高效地開展初中化學(xué)課堂教學(xué)，實(shí)驗(yàn)是必不可少的環(huán)節(jié)，它能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，幫助他們了解科學(xué)研究的全過程，在鍛煉實(shí)踐操作能力的同時(shí)，還能夠進(jìn)一步學(xué)習(xí)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能。然而，有些實(shí)驗(yàn)存在操作難度與危險(xiǎn)系數(shù)，所以虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種新型教學(xué)形式獲得了廣大教育工作者的青睞，它可以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性，能夠有效吸引學(xué)生的課堂注意力，提高他們的課堂參與度，使他們積極主動(dòng)地參與化學(xué)課堂教學(xué)，為沉悶的課堂氛圍注入一股新鮮的活力。借助虛擬實(shí)驗(yàn)開展課堂教學(xué)可使學(xué)生直觀地觀察實(shí)驗(yàn)操作過程，可以避免一些危險(xiǎn)事情的發(fā)生，解決實(shí)驗(yàn)操作中遇到的一些問題，更好地促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的認(rèn)知。

一、初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

（一）教師自身存在感不足

高效的課堂教學(xué)應(yīng)當(dāng)是符合新課改“以生為主”的教學(xué)要求，教師則應(yīng)該起到引導(dǎo)的作用。但在實(shí)際開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師經(jīng)常是口頭講述實(shí)驗(yàn)操作過程，僅僅教授學(xué)生相關(guān)的理論知識(shí)，將自己的思維方式直接傳授給學(xué)生，如此會(huì)導(dǎo)致學(xué)生缺乏一定的獨(dú)立思考能力，在一定程度上固化了學(xué)生的思維。另一方面，教師在開展課堂教學(xué)時(shí)缺乏合理嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)，不能給學(xué)生呈現(xiàn)一堂生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)課堂，無法使學(xué)生從中感受到科學(xué)的魅力。一些教師運(yùn)用多媒體設(shè)備的能力較弱，缺乏創(chuàng)新思維，一直沿用傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式。

（二）學(xué)生現(xiàn)狀分析

初中生已經(jīng)具備一定的邏輯思維能力，但他們正處在青春期，十分叛逆，對(duì)于新鮮事物都比較好奇，很容易對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生興趣，但是欠缺持久力，因此教師必須精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，做好課前準(zhǔn)備工作，才能在課堂教學(xué)中調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣。另一方面，學(xué)生已能接受小組合作學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)等新型學(xué)習(xí)模式，但學(xué)生之間存在一定的差異性，學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性仍不高，教師要對(duì)他們進(jìn)行及時(shí)的引導(dǎo)與鞭策，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

二、化學(xué)應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

（一）相對(duì)安全，有效降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)具有危險(xiǎn)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)，但凡有一個(gè)環(huán)節(jié)操作不當(dāng)，都可能會(huì)導(dǎo)致意外出現(xiàn)。而許多化學(xué)藥品在不同程度上具有一定的危險(xiǎn)性，因此專業(yè)人員必須進(jìn)行規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作，才能避免危險(xiǎn)的發(fā)生。要想切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力，就需要他們進(jìn)行規(guī)范系統(tǒng)的操作。教師最頭疼的問題是如何保證學(xué)生的安全，借助虛擬實(shí)驗(yàn)可以在最大限度上降低意外的發(fā)生，同時(shí)，通過虛擬實(shí)驗(yàn)的方式還能確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精準(zhǔn)。

（二）減少資源浪費(fèi)，提高教學(xué)效率

虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)非常人性化，能夠?yàn)閷W(xué)生創(chuàng)造更大的操作空間，能夠使學(xué)生了解到更多的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。操作簡單且耗費(fèi)時(shí)間較短，當(dāng)課堂時(shí)間節(jié)省下來后，便可以幫助學(xué)生掌握更多的知識(shí)，從而大大提高化學(xué)課堂教學(xué)的整體效率。另一方面，化學(xué)實(shí)驗(yàn)是耗材的過程?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)本身對(duì)于器材以及藥品劑量的要求都十分嚴(yán)苛，如果操作不當(dāng)，不僅浪費(fèi)了資源，還達(dá)不到實(shí)際效果，而通過虛擬實(shí)驗(yàn)在減少資源浪費(fèi)的同時(shí)，還不會(huì)產(chǎn)生廢棄物，不會(huì)造成環(huán)境污染，從而大大提高教學(xué)效率。

三、初中化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則

（一）一致性與簡約性原則

虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要符合初中生的年齡及心理發(fā)展需求，因此在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)要遵循一致性原則和節(jié)約性原則：一致性原則是開展虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的最基本原則?；瘜W(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)主要是為學(xué)生提供一個(gè)比較真實(shí)的虛擬環(huán)境，所以它在設(shè)計(jì)過程中要與真實(shí)世界的環(huán)境保持一致性，如此才能符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。此之，簡約性原則也是虛擬實(shí)驗(yàn)要遵循的一個(gè)重要原則，在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，一些不重要的部分可以簡化，只保留必不可少的部分，這樣才能夠突出重點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生更好地解決遇到的問題。

（二）趣味性原則與交互性原則

化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生有著比較強(qiáng)的吸引力，主要是因?yàn)閷W(xué)生對(duì)一些新鮮事物都有好奇心，在實(shí)驗(yàn)操作過程中出現(xiàn)有趣的現(xiàn)象時(shí)，會(huì)給學(xué)生帶來更佳的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。趣味性原則是指在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容及過程要能夠激起學(xué)生學(xué)習(xí)的求知欲以及好奇心，從而調(diào)動(dòng)他們主動(dòng)學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣。另一方面，虛擬實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要特征是交互性，在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作過程中，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行交互并得到最終結(jié)果，所以在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中要注重交互性原則，要符合學(xué)生日常生活的操作習(xí)慣，如此才能更好地模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境，使學(xué)生能在短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)虛擬的環(huán)境，提高學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)的興趣。

四、初中化學(xué)課堂運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略

（一）采用虛擬實(shí)驗(yàn)開展具有風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)

任何化學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作都是有一定風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的，許多化學(xué)藥品如果使用或者保存不當(dāng)，不僅會(huì)對(duì)學(xué)生造成一定的傷害，還可能會(huì)發(fā)生一些意想不到的后果。尤其是實(shí)驗(yàn)操作涉及一些有腐蝕性藥品時(shí)，教師要特別注意學(xué)生的人身安全。此時(shí)就可以采用虛擬實(shí)驗(yàn)代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)開展教學(xué)，不僅可以降低實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，還能夠使學(xué)生更加直觀、準(zhǔn)確地看到操作過程以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。隨著科學(xué)技術(shù)與社會(huì)的不斷發(fā)展，在課堂教學(xué)中可以采用很多高效的教學(xué)輔助工具，能夠有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣。

例如，在學(xué)習(xí)“應(yīng)用廣泛的酸堿鹽”一課時(shí)，實(shí)驗(yàn)操作難免會(huì)涉及強(qiáng)硫酸等具有腐蝕性等化學(xué)物品，無論是藥品的制作還是使用過程都存在極大的風(fēng)險(xiǎn)，很容易對(duì)學(xué)生造成一定的傷害。因此，教師可以借助現(xiàn)代信息技術(shù)開展虛擬實(shí)驗(yàn)，利用多媒體技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以通過在虛擬的環(huán)境中展示出比較真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生能夠很清楚地了解不同物質(zhì)溶液的酸堿性，有的呈堿性，有的呈酸性，有的呈中性，能夠使紫色石蕊試液變紅的溶液為酸性溶液，比如，蘋果汁和食醋。同時(shí)，還可以豐富初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式，虛擬實(shí)驗(yàn)可以使實(shí)驗(yàn)操作步驟更加生動(dòng)形象，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也會(huì)呈現(xiàn)得十分清晰，更有利于學(xué)生仔細(xì)觀察、用心體會(huì)。在觀看完虛擬實(shí)驗(yàn)的相關(guān)視頻后，教師要及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)視頻中的重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)歸納。如酸性溶液包含酸溶液，但它不一定是酸溶液。堿性溶液也包含堿溶液，但它也不一定是堿溶液；使用pH試紙可以測定溶液的酸堿度，教師可以引導(dǎo)學(xué)生將pH試紙的使用方法以及注意事項(xiàng)記錄在筆記本上，與虛擬實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)的化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比。虛擬實(shí)驗(yàn)的使用可以很好地化解實(shí)際課堂教學(xué)中遇到的問題，能夠更好地推進(jìn)課堂教學(xué)效率。

（二）通過虛擬實(shí)驗(yàn)拓寬學(xué)生視野

虛擬實(shí)驗(yàn)具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，其中一個(gè)比較顯著的方面是，它能夠有效拓寬學(xué)生的視野，增加他們對(duì)于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知程度，能夠幫助他們更好地分析實(shí)驗(yàn)操作過程，進(jìn)而幫助學(xué)生真正理解實(shí)驗(yàn)原理。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)能夠?yàn)閷W(xué)生呈現(xiàn)清晰準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，甚至實(shí)驗(yàn)操作過程也十分標(biāo)準(zhǔn)。這種新型的實(shí)驗(yàn)手段能夠最大限度地深化學(xué)生對(duì)于化學(xué)的認(rèn)知，促使他們?cè)谳^短的時(shí)間內(nèi)吸收相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，能夠有效提高教學(xué)效率。

例如，在學(xué)習(xí)“氧化還原反應(yīng)”內(nèi)容時(shí)，教師可以在虛擬實(shí)驗(yàn)中使用一氧化碳還原氧化銅，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過程中，教師可以利用色彩調(diào)節(jié)吸引學(xué)生的注意力，凸顯黑色固體逐漸變?yōu)榧t色固體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。同時(shí)，針對(duì)那些導(dǎo)管中有氣泡的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，教師可利用多媒體技術(shù)將其放大，給出特寫，學(xué)生就會(huì)知道這一部分是重點(diǎn)內(nèi)容，由此會(huì)對(duì)此現(xiàn)象產(chǎn)生更深刻的印象和記憶。通過虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠?qū)瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察得更加透徹，能夠真正從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中掌握相關(guān)化學(xué)知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)而提高初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂的整體效率與質(zhì)量。通過虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以很清楚地了解氧化反應(yīng)是元素化合價(jià)升高的反應(yīng)，而還原反應(yīng)是元素化合價(jià)降低的反應(yīng)。同時(shí)，學(xué)生還能夠了解金屬單質(zhì)一般都具有比較強(qiáng)的還原性，對(duì)于一些常見元素的化合價(jià)應(yīng)該熟記于心。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼蚱苽鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，它可以進(jìn)行無限延伸與發(fā)散，這種教學(xué)模式能夠深化學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及實(shí)驗(yàn)操作過程的認(rèn)知，能夠提高學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)，為以后的實(shí)驗(yàn)操作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平的提升起到推動(dòng)作用。因此，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中使用虛擬實(shí)驗(yàn)是大勢所趨，無論教師還是學(xué)生，都應(yīng)對(duì)其給予足夠的重視。

（三）利用虛擬實(shí)驗(yàn)減少資源浪費(fèi)問題

資源浪費(fèi)是當(dāng)今全球共同面臨的問題，而在化學(xué)課堂借助虛擬實(shí)驗(yàn)，可以減少許多浪費(fèi)。同時(shí)，還可以培養(yǎng)學(xué)生勤儉節(jié)約的良好意識(shí)?；瘜W(xué)學(xué)科具有一定的特殊性，許多化學(xué)藥品以及實(shí)驗(yàn)室的操作儀器都是比較昂貴的，甚至是稀缺的。對(duì)于實(shí)驗(yàn)操作不夠嫻熟的學(xué)生而言，很容易在實(shí)驗(yàn)操作過程中造成藥品的浪費(fèi)，不僅得不到應(yīng)有的實(shí)驗(yàn)效果，可能還會(huì)損壞一些實(shí)驗(yàn)器材。因此采用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式能夠減少浪費(fèi)，能夠在很大程度上確保實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)高效地開展，從而提高學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

例如，教師在開展課堂教學(xué)時(shí)必然會(huì)講到一些基本的操作方法，也一定會(huì)告知學(xué)生試管加熱的方法，使他們明白如果試管加熱不均勻很容易會(huì)發(fā)生爆裂，不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，還可能危及人身安全。但如果僅通過口頭講述，學(xué)生可能會(huì)不以為然，也不會(huì)引起足夠的重視，為此要求教師通過虛擬實(shí)驗(yàn)展示實(shí)驗(yàn)的過程以及發(fā)生意外的后果，使學(xué)生真切地觀察到如果加熱不均勻而發(fā)生的危險(xiǎn)，進(jìn)而將正確的操作方法熟記于心。同樣具有危險(xiǎn)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)比比皆是，比如在純氧中燃燒鐵絲，曾經(jīng)有真實(shí)的事件發(fā)生：教師在演示時(shí)，將一名學(xué)生崩傷。又比如硫的燃燒，雖然這個(gè)實(shí)驗(yàn)不算太危險(xiǎn)，但它產(chǎn)生的氣味令人無法接受。因此，當(dāng)涉及這些實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師就可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)展示給學(xué)生，可有效避免危險(xiǎn)產(chǎn)生，同時(shí)也會(huì)避免資源的浪費(fèi)。如果仍然采取傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，很多實(shí)驗(yàn)無法開展，學(xué)生就無法深層次掌握實(shí)驗(yàn)知識(shí)，因此，利用虛擬實(shí)驗(yàn)可有效規(guī)避此類事件的發(fā)生。

（四）采取新穎的教學(xué)模式開展虛擬實(shí)驗(yàn)

通過在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬實(shí)驗(yàn)，可有效改變枯燥的教學(xué)課堂，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性。與此同時(shí)，化學(xué)教師在開展實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)時(shí)，也可以為學(xué)生營造輕松的教學(xué)情境，引發(fā)他們的好奇心，針對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行主動(dòng)探究，教師不能只拋出一些比較簡單的問題，要在符合學(xué)生認(rèn)知范圍內(nèi)提高難度，引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考，提高學(xué)生的發(fā)散思維，在不斷地思考探究中掌握正確的學(xué)習(xí)方法，虛擬實(shí)驗(yàn)也不再受時(shí)間及空間的局限，能夠使學(xué)生有更多的選擇余地。

例如，在學(xué)習(xí)“高錳酸鉀制取氧氣”這一課的內(nèi)容時(shí)，學(xué)生必須掌握一些常用化學(xué)儀器的名稱以及基本用途，通過實(shí)驗(yàn)操作可以了解氧氣的化學(xué)性質(zhì)以及檢驗(yàn)方法。但這一實(shí)驗(yàn)過程比較煩瑣，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法很難吸引學(xué)生的注意力，使學(xué)生對(duì)本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)興趣不高。因此，教師可以采取虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法完成檢查氣密性、裝藥品、固定裝置、加熱等一系列操作，可有效避免因?qū)W生操作失誤而造成的藥品浪費(fèi)。這種教學(xué)模式可以更好地引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行舉一反三，使他們更加清晰地了解到實(shí)驗(yàn)操作中提取紅磷要足量或者過量，在實(shí)驗(yàn)前也要檢查裝置的氣密性，這一步是必不可少的，但許多學(xué)生都會(huì)忽略這一環(huán)節(jié)。通過多媒體技術(shù)進(jìn)行的虛擬實(shí)驗(yàn)放大技能展示，可以使學(xué)生將此注意事項(xiàng)牢記于心，等到紅磷完全熄滅后，再給它一定的冷卻時(shí)間，最后打開止水夾，讓學(xué)生仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)