初中化学虚拟实验的设计及应用研究

丁玲杰 王永臻

（徐州市第三十六中学，江苏 徐州 221000）

想要高效地开展初中化学课堂教学，实验是必不可少的环节，它能够激发学生学习化学的兴趣，帮助他们了解科学研究的全过程，在锻炼实践操作能力的同时，还能够进一步学习化学基础知识与基本技能。然而，有些实验存在操作难度与危险系数，所以虚拟实验作为一种新型教学形式获得了广大教育工作者的青睐，它可以增强实验教学的趣味性，能够有效吸引学生的课堂注意力，提高他们的课堂参与度，使他们积极主动地参与化学课堂教学，为沉闷的课堂氛围注入一股新鲜的活力。借助虚拟实验开展课堂教学可使学生直观地观察实验操作过程，可以避免一些危险事情的发生，解决实验操作中遇到的一些问题，更好地促进学生对实验教学的认知。

一、初中化学实验教学的现状

（一）教师自身存在感不足

高效的课堂教学应当是符合新课改“以生为主”的教学要求，教师则应该起到引导的作用。但在实际开展实验教学过程中，教师经常是口头讲述实验操作过程，仅仅教授学生相关的理论知识，将自己的思维方式直接传授给学生，如此会导致学生缺乏一定的独立思考能力，在一定程度上固化了学生的思维。另一方面，教师在开展课堂教学时缺乏合理严谨的设计，不能给学生呈现一堂生动有趣的实验课堂，无法使学生从中感受到科学的魅力。一些教师运用多媒体设备的能力较弱，缺乏创新思维，一直沿用传统的课堂教学模式。

（二）学生现状分析

初中生已经具备一定的逻辑思维能力，但他们正处在青春期，十分叛逆，对于新鲜事物都比较好奇，很容易对化学实验产生兴趣，但是欠缺持久力，因此教师必须精心设计教学内容，做好课前准备工作，才能在课堂教学中调动学生对化学实验的兴趣。另一方面，学生已能接受小组合作学习、自主学习等新型学习模式，但学生之间存在一定的差异性，学习的积极性与主动性仍不高，教师要对他们进行及时的引导与鞭策，培养学生的自主学习能力。

二、化学应用虚拟实验教学的优点

（一）相对安全，有效降低实验风险

化学实验是一项具有危险系数的实验，但凡有一个环节操作不当，都可能会导致意外出现。而许多化学药品在不同程度上具有一定的危险性，因此专业人员必须进行规范的实验操作，才能避免危险的发生。要想切实提高学生的实践操作能力，就需要他们进行规范系统的操作。教师最头疼的问题是如何保证学生的安全，借助虚拟实验可以在最大限度上降低意外的发生，同时，通过虚拟实验的方式还能确保实验结果更加精准。

（二）减少资源浪费，提高教学效率

虚拟实验的设计非常人性化，能够为学生创造更大的操作空间，能够使学生了解到更多的实验现象。操作简单且耗费时间较短，当课堂时间节省下来后，便可以帮助学生掌握更多的知识，从而大大提高化学课堂教学的整体效率。另一方面，化学实验是耗材的过程。化学实验本身对于器材以及药品剂量的要求都十分严苛，如果操作不当，不仅浪费了资源，还达不到实际效果，而通过虚拟实验在减少资源浪费的同时，还不会产生废弃物，不会造成环境污染，从而大大提高教学效率。

三、初中化学虚拟实验的设计原则

（一）一致性与简约性原则

虚拟实验的设计要符合初中生的年龄及心理发展需求，因此在设计虚拟实验时要遵循一致性原则和节约性原则：一致性原则是开展虚拟实验设计的最基本原则。化学虚拟实验主要是为学生提供一个比较真实的虚拟环境，所以它在设计过程中要与真实世界的环境保持一致性，如此才能符合学生的认知规律。此之，简约性原则也是虚拟实验要遵循的一个重要原则，在设计虚拟实验时，一些不重要的部分可以简化，只保留必不可少的部分，这样才能够突出重点，引导学生更好地解决遇到的问题。

（二）趣味性原则与交互性原则

化学实验对学生有着比较强的吸引力，主要是因为学生对一些新鲜事物都有好奇心，在实验操作过程中出现有趣的现象时，会给学生带来更佳的学习体验。趣味性原则是指在设计虚拟实验的内容及过程要能够激起学生学习的求知欲以及好奇心，从而调动他们主动学习化学实验的兴趣。另一方面，虚拟实验的一个重要特征是交互性，在真实的实验操作过程中，学生通过实验现象进行交互并得到最终结果，所以在虚拟实验过程中要注重交互性原则，要符合学生日常生活的操作习惯，如此才能更好地模拟真实的实验情境，使学生能在短时间内适应虚拟的环境，提高学生探究实验的兴趣。

四、初中化学课堂运用虚拟实验教学的策略

（一）采用虚拟实验开展具有风险系数的实验

任何化学实验的操作都是有一定风险系数的，许多化学药品如果使用或者保存不当，不仅会对学生造成一定的伤害，还可能会发生一些意想不到的后果。尤其是实验操作涉及一些有腐蚀性药品时，教师要特别注意学生的人身安全。此时就可以采用虚拟实验代替真实实验开展教学，不仅可以降低实验的风险系数，还能够使学生更加直观、准确地看到操作过程以及实验现象。随着科学技术与社会的不断发展，在课堂教学中可以采用很多高效的教学辅助工具，能够有效地激发学生学习化学实验的兴趣。

例如，在学习“应用广泛的酸碱盐”一课时，实验操作难免会涉及强硫酸等具有腐蚀性等化学物品，无论是药品的制作还是使用过程都存在极大的风险，很容易对学生造成一定的伤害。因此，教师可以借助现代信息技术开展虚拟实验，利用多媒体技术开展实验教学，可以通过在虚拟的环境中展示出比较真实的实验现象，学生能够很清楚地了解不同物质溶液的酸碱性，有的呈碱性，有的呈酸性，有的呈中性，能够使紫色石蕊试液变红的溶液为酸性溶液，比如，苹果汁和食醋。同时，还可以丰富初中化学实验教学的形式，虚拟实验可以使实验操作步骤更加生动形象，实验现象也会呈现得十分清晰，更有利于学生仔细观察、用心体会。在观看完虚拟实验的相关视频后，教师要及时引导学生对视频中的重要知识点进行总结归纳。如酸性溶液包含酸溶液，但它不一定是酸溶液。碱性溶液也包含碱溶液，但它也不一定是碱溶液；使用pH 试纸可以测定溶液的酸碱度，教师可以引导学生将pH 试纸的使用方法以及注意事项记录在笔记本上，与虚拟实验呈现的化学现象进行对比。虚拟实验的使用可以很好地化解实际课堂教学中遇到的问题，能够更好地推进课堂教学效率。

（二）通过虚拟实验拓宽学生视野

虚拟实验具有非常多的优点，其中一个比较显著的方面是，它能够有效拓宽学生的视野，增加他们对于化学实验的认知程度，能够帮助他们更好地分析实验操作过程，进而帮助学生真正理解实验原理。随着信息技术的高速发展，虚拟实验已经能够为学生呈现清晰准确的实验现象，甚至实验操作过程也十分标准。这种新型的实验手段能够最大限度地深化学生对于化学的认知，促使他们在较短的时间内吸收相关知识点，能够有效提高教学效率。

例如，在学习“氧化还原反应”内容时，教师可以在虚拟实验中使用一氧化碳还原氧化铜，在整个实验操作过程中，教师可以利用色彩调节吸引学生的注意力，凸显黑色固体逐渐变为红色固体的实验现象。同时，针对那些导管中有气泡的实验现象，教师可利用多媒体技术将其放大，给出特写，学生就会知道这一部分是重点内容，由此会对此现象产生更深刻的印象和记忆。通过虚拟实验，学生能够对化学实验现象观察得更加透彻，能够真正从实验现象中掌握相关化学知识点，进而提高初中化学实验教学课堂的整体效率与质量。通过虚拟实验，学生可以很清楚地了解氧化反应是元素化合价升高的反应，而还原反应是元素化合价降低的反应。同时，学生还能够了解金属单质一般都具有比较强的还原性，对于一些常见元素的化合价应该熟记于心。虚拟实验能够打破传统实验教学的局限性，它可以进行无限延伸与发散，这种教学模式能够深化学生对于实验现象以及实验操作过程的认知，能够提高学生化学核心素养，为以后的实验操作奠定坚实的基础，对学生实验水平的提升起到推动作用。因此，在化学实验课堂教学中使用虚拟实验是大势所趋，无论教师还是学生，都应对其给予足够的重视。

（三）利用虚拟实验减少资源浪费问题

资源浪费是当今全球共同面临的问题，而在化学课堂借助虚拟实验，可以减少许多浪费。同时，还可以培养学生勤俭节约的良好意识。化学学科具有一定的特殊性，许多化学药品以及实验室的操作仪器都是比较昂贵的，甚至是稀缺的。对于实验操作不够娴熟的学生而言，很容易在实验操作过程中造成药品的浪费，不仅得不到应有的实验效果，可能还会损坏一些实验器材。因此采用虚拟实验的方式能够减少浪费，能够在很大程度上确保实验课堂教学高效地开展，从而提高学生的化学核心素养。

例如，教师在开展课堂教学时必然会讲到一些基本的操作方法，也一定会告知学生试管加热的方法，使他们明白如果试管加热不均匀很容易会发生爆裂，不仅会造成资源浪费，还可能危及人身安全。但如果仅通过口头讲述，学生可能会不以为然，也不会引起足够的重视，为此要求教师通过虚拟实验展示实验的过程以及发生意外的后果，使学生真切地观察到如果加热不均匀而发生的危险，进而将正确的操作方法熟记于心。同样具有危险系数的实验比比皆是，比如在纯氧中燃烧铁丝，曾经有真实的事件发生：教师在演示时，将一名学生崩伤。又比如硫的燃烧，虽然这个实验不算太危险，但它产生的气味令人无法接受。因此，当涉及这些实验时，教师就可以利用虚拟实验展示给学生，可有效避免危险产生，同时也会避免资源的浪费。如果仍然采取传统的实验教学模式，很多实验无法开展，学生就无法深层次掌握实验知识，因此，利用虚拟实验可有效规避此类事件的发生。

（四）采取新颖的教学模式开展虚拟实验

通过在化学实验教学中引入虚拟实验，可有效改变枯燥的教学课堂，激发学生学习的主动性与积极性。与此同时，化学教师在开展实验课堂教学时，也可以为学生营造轻松的教学情境，引发他们的好奇心，针对实验现象进行主动探究，教师不能只抛出一些比较简单的问题，要在符合学生认知范围内提高难度，引发学生进一步思考，提高学生的发散思维，在不断地思考探究中掌握正确的学习方法，虚拟实验也不再受时间及空间的局限，能够使学生有更多的选择余地。

例如，在学习“高锰酸钾制取氧气”这一课的内容时，学生必须掌握一些常用化学仪器的名称以及基本用途，通过实验操作可以了解氧气的化学性质以及检验方法。但这一实验过程比较烦琐，传统的实验教学方法很难吸引学生的注意力，使学生对本节内容的学习兴趣不高。因此，教师可以采取虚拟实验的教学方法完成检查气密性、装药品、固定装置、加热等一系列操作，可有效避免因学生操作失误而造成的药品浪费。这种教学模式可以更好地引导学生对知识点进行举一反三，使他们更加清晰地了解到实验操作中提取红磷要足量或者过量，在实验前也要检查装置的气密性，这一步是必不可少的，但许多学生都会忽略这一环节。通过多媒体技术进行的虚拟实验放大技能展示，可以使学生将此注意事项牢记于心，等到红磷完全熄灭后，再给它一定的冷却时间，最后打开止水夹，让学生仔细观察实验现象以及水面的变化。完成所有步骤后，教师可以通过播放重复实验功能，利用虚拟实验强化学生对实验操作的记忆，有效提高学生的学习兴趣，在潜移默化中提升课堂教学的效率。

综上所述，根据初中化学新课改的要求，教师必须摒弃传统的课堂教学方法，将化学实验与现代科技结合不仅能够丰富课堂教学，还能够开阔学生视野，提高学生的化学核心素养。化学虚拟实验的教学模式可以有效转变教师与学生间的角色，能够使学生成为课堂教学的主体，帮助学生掌握更多的学习思路，进而激发学生的创造力与想象力。