虚拟仿真技术在中学化学教学中的应用

陈丽芬 杨发福

一、问题的提出

近年来，随着信息技术的不断发展，我们已经跨入了“互联网+”、大数据、人工智能、虚拟仿真等的新时代，其改变了我们生活的方方面面，而教育作为社会的重要领域之一，其发展和变革也应该与时俱进。传统的教师“一言堂”已经不能满足中学生的实际需要，课堂要尽可能以学生为中心，注重培养学生的学习兴趣。并且由于化学实验本身的特殊性，如安全性、反应时间的限制以及反应现象的直观性等问题，也导致了很多中学教师无法在课堂上开展真实实验以给学生直观的认识。另外，2019年11月，教育部印发《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，其中对教师的实验教学工作提出建议：教师应重视传统的实验教学与现代信息技术进行有机整合，发挥信息技术对教学的促进作用。而虚拟仿真技术作为新兴的计算机辅助教学技术，可以利用其沉浸性、交互性等特征，发挥其在中学化学教学中的独特作用。因此，本研究以虚拟仿真技术为例，探究其在中学化学教学中的应用，为虚拟仿真技术在中学化学教学中的进一步应用提供参考。

二、虚拟仿真技术应用于中学化学教学的意义

1.改变常规教学中单向输入的方式，培养学生的自主探究精神

新课标规定的18个必做实验只是对学生实验能力培养的最低要求。很多实验受限于化学反应时长、反应条件等，教师都没有让学生进行动手探究，而是通过视频展示或者教师演示的方式进行。在应试教育的背景之下，很多教师甚至认为这样也是提高课堂效率的一种方式，可以把更多的时间留给高三进行总复习。但这样的教学方式太枯燥，忽略了学生的兴趣和自主性的培养。在新课改的推行下，传统的教学模式已经不适应社会对于人才培养的需求。在中学化学实验教学中引入虚拟仿真技术，教师可以在新教学理念的指导下，以问题为导向，让学生通过虚拟实验室展开实验探究，给学生以视觉、听觉、味觉、触觉等的冲击，从而加深学生对实验的理解，培养学生的自主探究精神。

2.促进化学实验安全化，培养学生的绿色环保意识

由于化学药品很多具有腐蚀性和毒性，对于刚接触化学实验不久的中学生来说，教师不放心让学生操作具有危险性的化学实验，且如果整个年级都开展一次具有安全性的实验课程，也会增加对环境的负荷。而利用虚拟仿真技术可以模拟这些真实课堂中无法开展的安全性实验，也能让学生体验由于操作的不规范导致仪器炸裂的现象，从而在安全的环境下培养学生对待实验的科学严谨性和绿色化学意识。化学核心素养中最后一点要求学生要具有科学精神和社会责任感，如果教师在使用虚拟仿真软件进行教学时讲明其使用前提，渗透环境保护教育，对于学生未来的影响也是有作用的。如学生进入大学参加技能比赛，在进行实验设计时，始终把绿色环保观念作为实验设计的考虑点之一，在共同原则的遵守下，创建绿色化、安全化的实验环境。

3.促进抽象概念形象化，培养学生宏观与微观相结合的思维视角

宏观一微观一符号是化学学习的三大表征水平，而理解并建立三者之间的内在关联是化学学习的关键。教师进行抽象概念或抽象原理的讲解时，仅依靠教师把书本晦涩难懂的语言进行通俗化转化和PPT的图片展示，学生难以对化学知识有一个较为深入的理解。如在进行晶体的结构与性质中离子晶体的讲解时，有些三维结构在人教版教材图片中只是呈现了NaCl和CsCI的单元结构模型（晶胞），学生难以在头脑中建立真实状态下的微观结构，从而导致后面教师推算微粒个数比时很多学生难以理解，只能靠死记硬背的方式来记住。而利用虚拟仿真技术，可以模拟相关的晶体微观结构，教师可以利用投影技术把i维的分子结构直接呈现在学生眼前，这样不仅可以减轻学生的认知负担，还能在提高学生对化学学科学习兴趣的同时，促进学生宏观现象与微观本质建立联系。

4.扩大实验教育范围，促进教育公平

据笔者调查，在一些较为偏远的地区，由于当地学校的教育经费不足，没有条件开设过多的实验。因此，可以在这些地区进行虚拟仿真技术应用于化学实验教学的推广活动。如在“送教下乡”活动中，教师讲解原电池时，在应用拓展环节可以通过虚拟仿真软件让学生体验简单燃料电池的制作，这是对所学知识进行巩固的方式之一，在制作过程中复习巩固、增进理解。又如在支教活動中，教师进行高中化学教材必修二化学键与化学反应规律这一章节的复习时，可以利用鲁科版教材的“研究车用燃料与安全气囊——利用化学反应解决实际问题”微项目进行展开。但在较为偏远的中学，学生很难有机会深入到大型的汽车厂进行研究学习，因此教师可以利用虚拟仿真实验平台，让学生结合之前所学知识并在教师的引导下，完成车用燃料的选择、汽车安全气囊的设汁活动，最后让学生进行成果展示。在巩固化学知识的过程中感受化学知识在实际生产生活中的实用价值。

三、虚拟仿真技术在中学化学教学中的应用举例

1.实验模拟类

（1）具有一定危险性的实验

中学化学的一些实验是具有一定危险性的，若让学生亲自动手探究，教师很难兼顾到每位学生的操作情况，因此一般情况下，对于这类具有较高危险系数的实验，教师主要采用播放视频或教师演示的方式进行，不会让学生进行实际操作。例如，初中化学中的“粉尘爆炸实验”，在实际教学中，由于教材中对这个实验的设计、采用的实验设备较为复杂，教师在课堂上进行演示的成功率不高，再加上实验本身具有一定的危险性，因此，初中化学教材中的粉尘爆炸实验教师通常采用播放视频的方式呈现给学生。这样会导致学生在课堂上的参与度不高，不能很好地调动学生的学习积极性。若教师在教室的多媒体上安装虚拟仿真软件，可以在课堂上请几位学生分别进行实验装置的搭建、点火等操作，最后教师引导学生进行总结实验现象、实验反思以及实验安全教育。由此可以得出，运用虚拟仿真技术模拟具有一定危险性的中学化学实验，可以提高学生对学习化学的兴趣，降低教师和学生出现化学安全事故的风险，让学生在绿色的环境下学习。

（2）反应现象难捕捉的实验83EADD15-E3AC-4E0A-B9C2-1ADE9E778997

在中学化学实验的学习中，有些实验的现象不明显，或者生成的物质很快又被空气氧化成另一种物质，导致学生很难清楚地观察到实验现象。例如，高中化学实验中的“氢氧化亚铁的制备”，由于Fe2+具有强还原性，因此教师在进行演示实验时，学生很难观察到氢氧化亚铁的白色絮状沉淀，看到的现象往往是灰绿色沉淀慢慢变成红褐色。教师在教学过程中通常采用的是教师演示实验的方式进行讲解，并且说明灰绿色沉淀是亚铁离子聚集所致，而红褐色沉淀是Fe（ OH）3。通过这样的学习之后，学生可能会对Fe（ OH）2具有强还原性有深入的理解，但却不能对Fe（ OH）2的物理性质有一个直观的认识。若教师在课堂中采用虚拟仿真实验进行氢氧化亚铁的制备，可以放大每个阶段的实验现象，让学生清楚且仔细地观察到从Fe（ OH）2沉淀到Fe（ OH）3生成的全过程。此外，教师还可以引导学生利用虚拟仿真设备对Fe（ OH）2存在时间短暂的原因进行探究，在设计实验方案、组装实验设备、探究可能因素的过程中培养学生的实验探究能力。由此可以得出，运用虚拟仿真技术模拟反应现象难以捕捉的实验，可以放慢或加快反应进程，通过控制反应让学生对物质的认识更加清晰，提升课堂效率。

2.物质结构类

“结构决定性质，性质决定用途”是学习化学的基本思维，从中可以看出对物质结构的学习是化学学习的基础。在中学化学的学习中涉及很多物质结构的学习内容，如不同晶体类型的典型化合物的晶胞结构、有机物的分子结构等。传统的中学化学课堂中，教师试图通过语言的描述并辅以PPT展示图片的形式，使学生在头脑中对物质结构有一个较为清晰的认识，从而锻炼学生的空间想象能力。而实际上学生很难跟上教师的上课节奏，导致学生对化学学习产生抽象、晦涩难懂的印象。而借助虚拟仿真技术，教师在课堂上可以应用3D投影技术，把准备好的分子结构投影到每位学生的眼前，拉近学生与化学的距离，让学生更加直观地感受所学物质的结构。此外，学校也可以创建“翻转分子教室”，给教师提供进行虚拟仿真技术微视频的录制空间和所需设备，实现翻转课堂。即教师把教学内容拍成影片，让学生在家里把上课内容通过影片预习一遍，上课时可以实现“以学生为中心”，学生可与教师讨论交流困惑的地方。由此可以得出，运用虚拟仿真技术展示物质结构，可以使课堂变得更加生动有趣，真正落实现代新兴科技促进教学发展。

3.抽象概念类

在中学化学的学习过程中，特别是到选修阶段的学习，会涉及到很多抽象概念的学习和理解，如共价键的形成、VSEPR理论中孤对电子对分子结构的影响以及杂化轨道理论等内容，下面以“杂化轨道理论”为例，阐述虚拟仿真技术在中学化学抽象概念类知识教学中的应用。传统的化学课堂教学中对于杂化轨道形成的讲解，教师往往在黑板上用方框代表杂化轨道，试图用简洁的图示和通俗的语言让学生明白杂化轨道的形成。但因为太过抽象，学生在上课之后可能只会记得几条杂化轨道形成的特点，在头脑中没有关于杂化轨道形成的直观认识。因此，可以将传统的讲授方式与虚拟现实技术结合起来，即教师可以在黑板上讲解完杂化轨道形成之后，在多媒体上通过虚拟仿真软件呈现不同杂化类型的形成过程，对学生起到辅助理解的作用。此外，教師还可以利用虚拟仿真软件和投影技术，将不同杂化类型分子的3D结构投影到学生眼前，让学生更加直观地观察分子结构。由此可以得出，运用虚拟仿真技术辅助学生理解化学相关抽象概念，可以在一定程度上减少学生机械学习的现象，让学习抽象概念的化学课堂也能变得生动有趣。

四、相关软件介绍

虽然目前虚拟仿真技术在中学化学教师中的认可度较高，但是存在的普遍现象是一线教师对于网络上充斥的各种虚拟仿真软件没有充分的了解，不清楚使用何种虚拟仿真软件能够更好地辅助教学，而且目前中学关于虚拟仿真实验的建设方面投入较少，许多中学并没有相应的虚拟教学设备。因此，笔者对目前应用较好的虚拟仿真软件进行归纳，以期增加虚拟仿真实验教学资源的获取途径，提升中学化学教师利用虚拟仿真技术进行教学的效率，也为中学安装虚拟仿真设备的选择方面提供参考。

NOBOOK虚拟实验室（以下简称NB）和金华仿真化学实验室面向的使用对象主要是中小学的师生群体，有电脑端、手机端、平板端可供下载。NB主要是以教材各单元的分布为主线，对教材中大部分实验进行虚拟仿真实验的设计，目前包含的教材版本有新旧人教版和鲁科版。NB支持按照自己的实验设计进行实验探究。如教师引导学生使用NB进行铝热反应时，可以在一开始先不加氯酸钾，让学生思考铝粉和氧化铁不发生反应的原因，在教师的引导下由学生自己得出二者反应需要助燃剂的支持。另外.NB还具有对反应数据进行实时监测的功能。学生只需右键点击装置就会出现反应物和生成物实时的数据追踪，可以用于判断反应的进行程度。这种呈现方式使实验现象与量化的实验数据相结合，有利于学生从不同的层面理解实验的本质。金华仿真化学实验室与NB相类似，在这里就不再赘述。

火花学院也是主要服务于中学化学的一个虚拟仿真平台，但是它侧重于将一些中学化学教材中较难理解的知识点以3D动画视频的形式呈现出来，如蔗糖在水中的溶解、晶胞结构展示、各种电池的工作原理等。教师在备课时可以直接从火花学院官网下载相应视频，避免了使用Adobe Flash等动画制作软件复杂的制作过程，可以有效提升教师的工作效率。而且学生在观看实验时可以同时看到宏观现象和微观反应原理，有利于培养学生宏观辨识与微观探析的化学核心素养。

MLabs主要涉及的是大学基础实验，虽然对于高中化学实验的开发较少，但这个平台的使用对中学化学教学具有一定的参考价值。如今“双减”已经成为教育领域的一大热词，要求教师要提高作业布置的质量，做到精准适量。因此，教师可以根据实际教学需要，把MLabs中的虚拟仿真实验作为拓展性作业布置给学生进行课后的操作学习，由于MIAbs在其微信公众号有较为完善的评价系统，教师在了解完学生的完成质量之后，在课上进行点评，从而起到复习巩固所学知识、拓展学生的思维和视野的作用。因此，MLabs在高中化学教学的应用，既可以丰富作业布置的形式，提高学生化学学习的趣味性，在一定程度上落实“双减”政策下减轻学生作业负担的要求，又可以拓展学生化学知识的广度，加强中学化学与大学化学的衔接。83EADD15-E3AC-4E0A-B9C2-1ADE9E778997

五、使用建议

1.明确虚拟仿真实验在教学中的辅助地位

虚拟仿真实验是科技发展的产物，是现代新兴科技与教育结合的必然结果，并且未来一定会有更加广阔的应用。但是，笔者从进行访问的很多教师中发现，很多教师乐于使用虚拟防真实验室的原因是它能让很多化学实验更快速地进行，不会出现一堂课下来学生还没完成的情况，明显提高了课堂效率。从中可以看出目前虚拟仿真实验的应用存在一定程度的“滥用问题”，对虚拟仿真实验在实际教学中的定位不明确。因此，教师在使用虚拟仿真实验进行教学时，应该明确其在中学化学教学中辅助教学的定位，明确虚拟仿真实验设计的意图是为了对课堂上无法开展的部分实验进行补充，增进学生理解，而真实实验的开展才是培养学生实验探究能力的主要手段，不要本末倒置。

2.掌握虚拟仿真软件的教学时机

有些学校的教师把虚拟仿真操作作为课前预习作业发布给学生进行操作，以期让学生对所要学习的实验内容有一个大致的了解，从而提高实验课上学生进行实验的效率。但由于学生进行虚拟仿真实验操作时屏幕上方会有下一步操作内容的提醒，很多学生往往只会根据提醒进行机械性的操作，在操作完成之后学生不能在头脑中对所学实验有一个自身的建构理解，不能很好地达到预习的目的。因此，学生在进行虚拟仿真实验操作之前，应该先对实验原理、实验步骤进行预习之后，再进行操作。教师也可以根据实验原理、实验步骤和注意事项进行相关思考题的设置并发布在雨课堂，检验学生的预习情况，在实际教学中根据学生回答情况进行针对性的讲解。

3.加强培训教师的虚拟仿真教学能力

据笔者调查，绝大多数一线教师都知道虚拟仿真实验，也十分认同其在化学实验教学中所能发挥的作用，但是中学化学教师在运用虚拟仿真软件教学时也存在诸多问题，如对虚拟仿真实验的使用时机不明确以及对虚拟仿真软件的操作不熟练等，导致其在实际运用过程中不能很好地与实际实验教学进行融合。因此，可以由师范院校研究这一领域的专家带头，以各地区的中学化学教师为培养对象，开设“虚拟仿真技术在中学化学教学中应用”的培训，制定培训计划，开设相关培训课程，最后进行成果汇报。在促进教师运用虚拟仿真实验协助教学的过程中，力求改变现有教学中的不足，最终实现中学化学教学与现代新兴科技的有效融合。

4.提升虚拟仿真实验的开发质量

目前很多虚拟仿真平台的中学化学实验模块的设计都是根据教材的实验内容来开发，并且笔者进行体验之后发现有些模拟实验还具有操作性错误或者在还未完成规范操作就进入下一步的实验操作，这些都不利于培養学生的实验操作技能和对待科学的严谨态度。对于这样的虚拟仿真软件，若学生在家里下载一些相关的虚拟仿真实验视频进行预习时，由于学生不能甄别仿真实验的科学性，因此极有可能对学生化学实验学习产生误导。即便是用于实验复习，也不能达到巩固实验的效果。因此，虚拟仿真实验的开发团队应该集思广益，邀请一些教龄较长的一线中学化学教师参与虚拟仿真实验的项目选择，在产品开发出来之后，再由教师首先进行体验，检查实验的操作是否严谨，实验的现象是否贴近真实实验，提出反馈意见。最后开发团队根据反馈意见进行优化，在一线教师所在的中学进行试行，做一些相关的实证研究探究其应用效果。

六、总结与展望

综上，随着科学技术的不断发展，虚拟仿真技术与中学化学教学的融合是大势所趋。在实验模拟方面，它的应用可以使中学化学的实验探究安全化、让学生更加细致地观察实验现象，以及“缩短”反应时间;在化学知识的理解方面，使许多中学化学的宏观知识微观化，促进学生深入理解。但在实际应用过程中也要注意：虚拟仿真技术只能作为教学辅助手段，在合适的时机运用虚拟仿真软件进行教学才能真正发挥其在化学教学中的最大价值。

（收稿日期：2022 -01 - 18）83EADD15-E3AC-4E0A-B9C2-1ADE9E778997