虚拟实验室在“用高锰酸钾制取氧气”中的应用研究

方彦��

摘 要：虚拟实验室在“用高锰酸钾制取氧气”的新课教学中为教师提供了一种新的教学方式，不仅节省了教学时间，而且增强了学生学习化学的兴趣，提高了学生学习的主动性，使学生更积极地参与化学课内外的学习，在提高学习成绩的同时，真正体会到学习化学的快乐。

关键词：虚拟实验室；化学；实验；教学

在传统“实验室用高锰酸钾制取氧气”的新课教学中，多以教师演示、播放视频等教学方式进行教学。有条件的学校，在实验活动课时，学生可以进入实验室进行分组实验。而传统教学方式，也许能正确答题，但忽略了化学实验拥有大量的玻璃仪器和大量我们日常生活中接触不到的化学药品，所以仅看答题效果来判断实验新课的成果是十分片面的。

一、 虚拟实验室的定义

所谓虚拟实验室是指在计算机系统中采用虚拟现实技术（VR技术）的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实环境中一样完成各种预定的实验项目。虚拟实验室是模拟化学仪器、药品及实验现象等虚拟实验环境，便于学生操作的一种软件。它的目标是将学习者从大量的实验中解脱出来，节省大量的时间、人力、物力和精力，使之投入到更深入的研究工作中去。

二、 “实验室用高锰酸钾制取氧气”的案例

在上新课之前，先让学生对新知识进行预习，并完成练习册“知识梳理”的填写。有些学生会在家里运用网络观看视频，不明白的地方会做记号。

第二天上新课时，教师不再像以往那样进行演示实验，也无需带有大量的实验器材和实验药品进入课堂，师生不用担心实验失败所带来的不良后果，教师更不必担心因为实验的客观和主观原因影响教学进度，同时不存在学生只看视频热闹过后大脑空白的现象。

教师可根据学生的实际情况，简单讲解实验步骤。然后打开虚拟实验室中的实验“用高锰酸钾制取氧气”，一边播放动画，一边由学生熟悉实验过程。本实验的虚拟实验室，见图1。

图1 实验室利用高锰酸钾制取氧气

由学生亲自动手操作实验，学生可以清楚地看到实验仿真过程以及现象。在操作出错的时候，系统会出现警示，无法进行下一步操作。例如，实验结束时，还未将导管移出水面，就先熄灭酒精灯时，系统出现“不可先灭酒精灯，这样会使水通过导管逆流到试管中，使试管炸裂，应该先把水中的导管取出来再灭酒精灯。”点击“确定”后再进行“先将导管移出水面，再熄灭酒精灯”的操作，才能顺利完成实验。学生能及时发现存在的问题，并能快速解决问题，而观看的学生因有特别提醒和同伴的重新操作而印象深刻。更重要的是不会因为操作错误而真的发生危險，却能因为虚拟实验而认识到不当操作产生的不良后果。

三、 虚拟实验室的优点

首先，在本实验中，传统教学方式如教师演示、播放视频和使用虚拟实验室所消耗时间大不相同，见表1。

从表1显示教师演示实验需要消耗时间约为15′36″，播放视频约为6′42″，使用虚拟实验室大约为5′11″。可见，虚拟实验室的使用，节省了上课的时间。那么会不会因时间不充裕而影响学习效果呢？

其次，我们做了关于虚拟实验室进行新课学习的效果问卷调查，统计结果见表2。

从表2分析，用传统教学方式教学，只有少数学生感兴趣，大部分由于没能自己亲手操作，即使实验课去实验室亲手操作，也不能很顺利地将实验步骤和注意事项弄得那么清楚，因此大部分学生不太感兴趣。面对教师的演示实验、播放视频，没有机会参与实验，所以学习的主动性不强，主动参与实验的学生人数也是少之又少。据反映，完成作业已算是完成任务，不太愿意参与课外的学习。整体来说，只是课堂上实验有明显现象的时候会心动，没有真正尝到学习的快乐。而虚拟实验室的教学，让学生有了更多的机会自主学习，能自己发现问题并能马上解决，学习兴趣很浓，非常愿意主动参与实验，不仅课堂上学习主动性强，课后还愿意学习更多的实验内容，学习的快乐是发自内心的。

最后，本单元学习完后进行了单元测试，其中第20题是考查实验室制取氧气的相关知识。选择了实验班和对照班进行了本题的平均分统计，见表3。

从表3统计结果看出，P=0.043<0.05，说明实验班与对照班在采用了虚拟实验室进行教学，本题平均分存在显著性差异。使用传统教学方式的学生，很多学困生本道题几乎得不到分数，因此大幅度地降低了平均分。而使用虚拟实验室的实验班，那些本该沦为学困生的学生对此非常感兴趣，能主动地学习，因此他们的成绩反倒对平均分做出了不少的贡献。

因此，虚拟实验室的教学不会因为时间短而影响学生的学习效果，反而更能说明虚拟实验室的适当使用，能高效地完成教学工作。

四、 虚拟实验室在应用时需注意的问题

1. 学校配置短缺。如果每个班级只能用一台电脑安装虚拟实验室，操作实验的学生人数极其有限，大部分学生只能观看，不能切身体会。如果让每位学生配置一台平板，每位学生就能及时反馈实验过程及存在的问题，能更高效地完成教学。

2. 虚拟实验室与真实实验相结合。虚拟实验毕竟是虚拟的，优势主要体现在无污染、无破损、省时省力、方便快捷，但实操能力需要真实的实验才能体现出来。对于用高锰酸钾制取氧气如此重要的实验，虚拟实验可作为新课教学让学生体会，规避一些因操作不当等产生的不良后果。在教师总结归纳后，需要一节实验活动课学生亲手操作真实实验。这样，才能保质又保量，不仅能提高学生的兴趣，激发学生学习化学的积极性，更能实质性地参与到实验中去，真正体会实实在在的仪器和药品的组合产生了新的物质所带来的快乐。

参考文献：

[1]王晨，刘男.互联网+教育：移动互联网时代的教育大变革[M].北京：中国经济出版社，2015.6.

[2]吴美珠.虚拟实验室在中学生物实验教学中的应用[J].发明与创新（教育信息化），2015，02：55-59.

[3]杨晓哲.五维突破：互联网+教育[M].北京：电子工业出版社，2016.3.