基于虛擬仿真的高中“限制類”化學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用探析

【摘要】從當(dāng)前高中“限制類”化學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用現(xiàn)狀出發(fā)，通過六個(gè)方面分析了化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高中教學(xué)中的優(yōu)勢，文章重點(diǎn)探析了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐的三個(gè)方面：破“?！苯狻岸尽保タ藗鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)“盲點(diǎn)”；抓“微”突“本”，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)“痛”點(diǎn)；培“核”育“才”，全面提升“素養(yǎng)”點(diǎn)。【關(guān)鍵詞】虛擬仿真；限制類；高中；化學(xué)實(shí)驗(yàn)化學(xué)是一門基于實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的科學(xué)，隨著科技的發(fā)展，利用虛擬仿真等技術(shù)手段破解傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的短板，成為當(dāng)前亟待解決的問題。教育部發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)意見》的文件中明確指出了“對于因受時(shí)空限制而在現(xiàn)實(shí)世界中無法觀察和控制的事物和現(xiàn)象、變化太快或變化太慢的過程，以及有危險(xiǎn)性、破壞性和對環(huán)境有危害的實(shí)驗(yàn)，可用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段呈現(xiàn)”。[1]因此，作為高中化學(xué)教師應(yīng)深刻認(rèn)識虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值，用好用巧虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，助力提升教學(xué)效果。一、高中“限制類”化學(xué)實(shí)驗(yàn)“限制類”實(shí)驗(yàn)也就是傳統(tǒng)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的幾類特殊性實(shí)驗(yàn)，即毒性和危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)難以做，微觀性實(shí)驗(yàn)不好做，誤差性實(shí)驗(yàn)做不好，時(shí)間周期類實(shí)驗(yàn)不易表現(xiàn)。由于“限制類”化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了幾乎高中化學(xué)階段的所有重難點(diǎn)內(nèi)容，如何讓學(xué)生體會到化學(xué)的神奇，感受到親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的魅力，加深對知識的理解和深化，借助虛擬實(shí)驗(yàn)仿真技術(shù)尤為重要。二、高中化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢（一）實(shí)驗(yàn)成本低虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有節(jié)約人力、物力和時(shí)間成本的優(yōu)勢。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)并不需要搭建專門的實(shí)驗(yàn)室，不需要進(jìn)行煩瑣的實(shí)驗(yàn)各種器具、原材料的購買和制備，實(shí)驗(yàn)中所用到的所有元素都是可重復(fù)使用的，實(shí)驗(yàn)軟件的定時(shí)更新性，也使學(xué)生在不斷的學(xué)習(xí)過程中，能體驗(yàn)到更多樣、更優(yōu)秀、更精彩的實(shí)驗(yàn)樂趣。（二）可重復(fù)性強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是試錯(cuò)性強(qiáng)。在操作過程中由于步驟或方法的失誤而造成的實(shí)驗(yàn)不成功，允許學(xué)生改進(jìn)和完善后進(jìn)行再次甚至多次實(shí)驗(yàn)，直至實(shí)驗(yàn)成功。另一方面是加強(qiáng)理解力。學(xué)生為了提高實(shí)驗(yàn)的熟練程度或加深知識點(diǎn)的理解情況，可反復(fù)多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或者在課下也可以利用線上課程進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。（三）安全性強(qiáng)依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，不僅具有綠色環(huán)保的特征，還可以特意將那些由于誤操作所帶來的危險(xiǎn)后果反復(fù)展現(xiàn)的形式，甚至讓學(xué)生親自體驗(yàn)的形式，提升學(xué)生主觀上的安全意識。（四）教學(xué)實(shí)用性強(qiáng)利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的壁壘，使實(shí)驗(yàn)在時(shí)間上更為靈活，同時(shí)還擺脫了實(shí)驗(yàn)室空間上的限制，將實(shí)驗(yàn)隨時(shí)引進(jìn)到課堂理論講授中，教師可以在理論課程講授的同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)上的同步論證，學(xué)生也可以邊學(xué)習(xí)邊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。（五）功能體驗(yàn)性強(qiáng)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件在設(shè)計(jì)層面上具有較好的人機(jī)交互性、實(shí)用性以及美觀性，不僅支持實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、知識點(diǎn)的總結(jié)和回顧等諸多功能，還通過設(shè)置的情境任務(wù)等方式，具有較強(qiáng)的參與性和趣味性，學(xué)生易于接受。（六）創(chuàng)新意識強(qiáng)虛擬實(shí)驗(yàn)對于學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作持開放性態(tài)度，學(xué)生不必完全接受課本或輔導(dǎo)書上的方法，根據(jù)自己理解可自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)改進(jìn)，就為學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展提供了支持。三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐（一）破“危”解“毒”，攻克傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)“盲點(diǎn)”高中化學(xué)“危”“毒”實(shí)驗(yàn)的長期缺席，使學(xué)生無法切實(shí)感受到這些知識領(lǐng)域中化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中所帶來的感性認(rèn)知和直觀體驗(yàn)。例如，在乙醇脫水制作乙烯的實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)課堂體驗(yàn)感較差。利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)則可以通過學(xué)生自主動(dòng)手選擇虛擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，利用可視化數(shù)字技術(shù)進(jìn)行溫度精準(zhǔn)控制，利用可標(biāo)識專用收集器皿進(jìn)行產(chǎn)物的收集，并將高錳酸鉀、溴水、品紅溶液等試劑對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物進(jìn)行檢驗(yàn)的形式，將這種集“?！薄岸尽备鞣N因素的知識點(diǎn)進(jìn)行巧妙化解，使學(xué)生在保證真實(shí)體驗(yàn)感的同時(shí)，還極大地提高了實(shí)驗(yàn)成功的概率[2]。（二）抓“微”突“本”，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)“痛”點(diǎn)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，微觀實(shí)驗(yàn)、反應(yīng)現(xiàn)象不突出、實(shí)驗(yàn)過程周期長以及復(fù)雜實(shí)驗(yàn)易產(chǎn)生誤差的實(shí)驗(yàn)等，往往都是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“痛”點(diǎn)問題，利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)則可以既抓微觀，又突出本原，有效克服“老大難”問題。1.理論微觀實(shí)驗(yàn)微觀實(shí)驗(yàn)由于涉及原子、分子、離子等微觀的變化，理論性和抽象性較強(qiáng)，有些學(xué)生不能將理論知識與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有機(jī)地融合起來。利用虛擬仿真技術(shù)可以構(gòu)建一種具有透視性、全息影像形式的模擬仿真環(huán)境，學(xué)生可以“第一視角”的形態(tài)滲入到物質(zhì)的內(nèi)部，融入微觀粒子之中，通過親身式直觀的感受，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理以及實(shí)驗(yàn)過程中底層粒子分子、原子、離子間種類、形態(tài)、化合價(jià)、移動(dòng)過程和數(shù)量、濃度等數(shù)據(jù)的微觀變化過程。例如，傳統(tǒng)教學(xué)中化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)部分，需要學(xué)生具有較強(qiáng)的邏輯轉(zhuǎn)化和空間思維能力，之前一直是教學(xué)難點(diǎn)，學(xué)生理解起來有難度，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，將微觀空間，通過構(gòu)建成色彩各異，全立體、全視角三維模型的形式，并配以“旅游式”的講解和“軌跡式”的運(yùn)動(dòng)，清晰地展示出雜化軌道、空間結(jié)構(gòu)以及晶體的晶胞和相鄰原子間距離的計(jì)算等復(fù)雜的問題，學(xué)生通過這種仿佛置身于游戲世界的方式，[3]實(shí)現(xiàn)了透過現(xiàn)象看本質(zhì)的本領(lǐng)，由此可增強(qiáng)學(xué)生對抽象問題的理解，降低了難度，全面激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情。2.反應(yīng)現(xiàn)象不突出類實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作過程中，有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化過程非常迅急，且人為不好控制，主體變化就在一瞬間，導(dǎo)致學(xué)生很容易忽略實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵點(diǎn)。以氫氧化亞鐵的制備實(shí)驗(yàn)為例，由于氫氧化亞鐵在空氣中被氧化的進(jìn)程非常短，很快就從白色沉淀氧化為灰綠色沉淀，當(dāng)學(xué)生集中注意力觀察時(shí)，所看到的顏色是灰綠色，并將其誤認(rèn)為是原本的顏色，很容易影響后面的實(shí)驗(yàn)探究。利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在虛擬營造的真空無干擾的環(huán)境下，學(xué)生可以不必?fù)?dān)心外界環(huán)境所帶來的各種干擾因素，直接突出了實(shí)驗(yàn)的本原特色，清晰地觀察到當(dāng)氫氧化鈉溶液滴入氯化亞鐵溶液中時(shí)，會產(chǎn)生白色的氫氧化亞鐵沉淀的具體過程，[4]突出了實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。3.實(shí)驗(yàn)周期長類實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，有些實(shí)驗(yàn)化學(xué)反應(yīng)過程較為緩慢，要看到明顯的效果往往得按小時(shí)甚至以天算，一堂課內(nèi)很難讓學(xué)生感受到實(shí)驗(yàn)全過程、全周期。例如，以鐵的腐蝕試驗(yàn)為例，要從視覺上看到明顯的實(shí)驗(yàn)效果，課上的時(shí)間肯定是不足以支撐的。利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，使學(xué)生在快速化學(xué)反應(yīng)變化的環(huán)境下，加快實(shí)驗(yàn)整體的進(jìn)程，突破時(shí)空的限制，使學(xué)生觀察到試管中鐵吸氧腐蝕生銹的全變化過程。4.操作復(fù)雜，易產(chǎn)生誤差類實(shí)驗(yàn)在化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)部分，關(guān)于中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測定實(shí)驗(yàn)中，該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)非常熟練并且快速，給學(xué)生思考和設(shè)計(jì)的時(shí)間很少，以減少打開瓶塞加入藥品時(shí)造成熱量的損失，減少熱量散布到空氣環(huán)境中造成的熱量損失，由于傳統(tǒng)環(huán)境下熱量的缺失不可避免，因此，學(xué)生所完成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論上的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的差異，而且在這種匆忙的氛圍中，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)感并不高。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生只需要考慮到實(shí)驗(yàn)主體要素是否正確，不必考慮熱量損失的影響而帶來的誤差，有充足的設(shè)計(jì)與規(guī)劃時(shí)間，甚至在實(shí)驗(yàn)不成功后，還可以重新反思，查找問題，再次驗(yàn)證，直至實(shí)驗(yàn)順利完成。（三）培“核”育“才”，全面提升“素養(yǎng)”點(diǎn)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》提出了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)概念，[5]在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的核心素養(yǎng)主要指信息素養(yǎng)、思維素養(yǎng)、實(shí)踐素養(yǎng)以及創(chuàng)新素養(yǎng)和社會責(zé)任素養(yǎng)。在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以將核心素養(yǎng)有機(jī)地融入教學(xué)環(huán)節(jié)中，全面性培育人才。1.信息素養(yǎng)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)其實(shí)就是學(xué)生利用計(jì)算機(jī)或智能終端平臺模擬實(shí)驗(yàn)的全過程，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中通過對數(shù)字化接口、硬件和軟件平臺的不斷磨合，會極大地提高他們對計(jì)算機(jī)的信息處理能力，對相關(guān)信息的加工和利用能力，并培養(yǎng)他們的信息素養(yǎng)。2.思維素養(yǎng)思維素養(yǎng)是指具備批判性思維、發(fā)散性思維、邏輯性思維和創(chuàng)新性思維等多種思維方式和方法。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，可利用反復(fù)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，教師可提出一些帶有反思性的實(shí)驗(yàn)問題，通過鼓勵(lì)學(xué)生利用可重復(fù)實(shí)驗(yàn)的“復(fù)盤”去“反推”的方式，開拓其思維的寬度和廣度，通過去梳理其內(nèi)在的邏輯關(guān)系、系統(tǒng)關(guān)系和內(nèi)在聯(lián)系，提高其思維素養(yǎng)。3.實(shí)踐素養(yǎng)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可體驗(yàn)到從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)回顧總結(jié)和實(shí)驗(yàn)拓展與展望的“全鏈路”一體化、全過程、沉浸式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，學(xué)生在此過程中積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鍛煉了實(shí)踐動(dòng)手能力，開拓了實(shí)踐學(xué)識，培養(yǎng)了實(shí)踐素養(yǎng)。4.創(chuàng)新素養(yǎng)在虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺中，各類實(shí)驗(yàn)器材和原料都是獨(dú)立模塊，可以單獨(dú)調(diào)用的，這就破除了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器具和材料的阻礙，使學(xué)生具備了在完成常規(guī)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，能夠“突發(fā)奇想”式地將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行延伸，或者將前后節(jié)，甚至不同學(xué)科的實(shí)驗(yàn)組合起來，也許在探尋的過程中會遇到一次次的失敗，但就是在這種反復(fù)式的改進(jìn)和完善中，無形中培養(yǎng)了其創(chuàng)新素養(yǎng)的形成。5.社會責(zé)任素養(yǎng)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，對于具有毒性或危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生物，教師可以安排成項(xiàng)目式的研討方案，讓學(xué)生運(yùn)用科學(xué)環(huán)保的方法去處理，并通過實(shí)驗(yàn)的形式去驗(yàn)證、判斷和對比，學(xué)生也會在這種潛移默化中形成社