虚拟实验在农村初中化学实验教学中的应用探究

袁凯

虚拟实验具有多种优势，可重复使用，杜绝了真实实验的安全隐患，可扩展，以及实现共享，在教学中的应用也较为频繁。农村初中化学实验教学中应用虚拟实验，可对一些真实实验存在的问题、弊端进行规避和克服，对提高化学实验教学的质量具有促进作用。也能激发学生的学习兴趣，提高学生的思维能力、动手操作能力，提升化学素养。本文则围绕当前初中化学应用虚拟实验的现状做一探究，就存在问题提出具体的应用策略，从而更好地提高虚擬实验在农村初中化学实验教学中的应用。

化学课标倡导在化学教学中开展实验科学探究活动，不断激发学生的兴趣，使学生的科学探究能力在参与中得到培养和提高。从传统化学实验教学来看，由于受到一些客观因素的限制，难以完成课标提出的要求。因此，当前的化学实验教学中，以真实实验为主、虚拟实验为辅成为新的教学趋势，颇受公众的关注，这一教学模式也受到一线教育者的认可。

1 虚拟实验

虚拟实验集多媒体仿真与虚拟现实技术为一体，创设了一个虚拟的实验环境，利用计算机模拟真实实验的具体操作过程以及实验过程中所发生的实验现象，实验者借助计算机融入到如真实实验一般的环境中，顺利完成实验项目。而虚拟实验的开发技术可谓是丰富多彩。当前，在初中化学中所开展的虚拟实验主要是运用flash技术，可用在任何主流平台操作所需的模拟设备与场景，学生借助这一虚拟实验参与其中，深入地探索。虚拟实验提供了更多的便利安全，师生都可尝试，不用像操作真实实验一样担心会损毁仪器或者存在安全隐患。这一虚拟实验既能降低实验成本，也能保障师生的人身安全，更能激发学习者的探究热情。不过，虚拟实验终究是一种虚拟性的体验，无法真正取代真实的实验。因此，虚拟实验是以真实实验作为依托，与真实实验形成了一种互补关系。基于此，虚拟实验才能发挥好自身的优势与功能，与真实实验相辅相成就，共同促进。

目前，我国对于虚拟实验的研究与开发呈现稳步上升态势。而中学化学虚拟实验基于其学科特点以及研发门槛较低，也成为一些研发者试水的首选。作为初中化学教师来说，很少参与到研发虚拟实验上，都是由高校学生和在校学生作为研发人员，成为研发这一虚拟实验的主要力量。

从虚拟实验的结构方面来说，初中化学虚拟实验着重分为演示、体验和探究三种类型。演示虚拟实验是与教师所讲解实验内容相配合开展，演示的主角是教师，通常进行简单操作演示，让学生认真观察的实验。目前，大多数教师已经很熟练地应用了这种虚拟实验，而且演示式的虚拟实验在初中化学教学中所占比例也很大。而体验式的虚拟实验，其所针对的对象是学生，课堂上教师为学生传授了相关的化学知识之后，学生调动自我的主动性，进行实验仪器的操作，对实验现象进行认真细致的观察，最终完成实验。体验式虚拟实验，体现了良好的操作性以及人机交互性，学生在参与、体验、亲历实验全过程，从而更好地认识和了解实验。在初中化学虚拟实验中，体验式的虚拟实验，越来越受到学生的青睐，发展很迅速。探究式虚拟实验多是由教师来创设实验情景，学生借助虚拟实验平台，可按照自身的学习所需，自主选择实验的方法，以及对实验过程加以设计，最终对实验结果进行深入探究的一类实验。探究式虚拟实验能激发学生求知的兴趣与欲望，使学生的自主探究能力得以培养。但探究式虚拟实验，实际上却对研发人员以及教师提出了很高的要求。为此，这一探究式虚拟实验，实际上目前还仍处于完善阶段。

2 农村初中化学实验教学中应用虚拟实验要遵循一定的原则

虚拟实验是应用计算机技术，通过有效结合图形图像、虚拟现实、仿真等技术，从而实现较为逼真的一个实验环境，而操作者在这一虚拟实验环境中通过必要的实验设备，对虚拟出现的物体加以实验操作，最终收获实验体验。而学生记住这一虚拟实验，能够真实体会到现实生活中无法体会到的情境，虚拟实验的应用也对一些实验环境不太完善的教学提供了智慧支持。可以说，在中学化学教学中，虚拟实验的地位特殊且重要。虚拟实验设计原理需要基于一定的依据，结合学生的认知水平，既要针对教师的教学功能，还要针对学生的学习功能。在设计过程中要遵循几点原则。

一是简约型原则，虽然虚拟实验环境其要求要与知识环境达成一致。但这并不是说虚拟实验就是简单复制真实的实验环境，而是尽可能地进行简化，突出核心部分，这样也能够使实验主体更鲜明地凸显出来。

二是遵循交互式原则，这也成为虚拟实验的重要特点。虚拟实验操作者与实验对象之间交互，从中获取反馈而得到的实验信息，最终完成整个实验学习，其交互性在这一实验过程中显得尤为重要。

三是要遵循一致性原则。虚拟性、一致性的保持实际上也是这一虚拟实验的基本要求。虚拟实验对象设计的特征与真实环境的对象应体现一致，还要和学习者的认知水平与规律相一致。

四是遵循趣味性的原则。为了切实引发学生的注意，激发学生学习的兴趣，体验化学过程的有趣性，虚拟实验中的化学实验也要体现趣味性，无论是从功能还是外观上吸引学生的眼球，激发学生的探究欲望。

3 当前初中化学中应用虚拟实验的具体现状

目前，农村初中化学应用虚拟实验方面来看，一些学校有待完善和配置多媒体、计算机网络等相关设备、设施，达到虚拟实验室应用所需的硬件条件。一些化学教师普遍认可在化学实验教学中虚拟实验所发挥的作用，而且在日常课上也通过演示性虚拟实验辅助教学，能够显著提高教学效率，引导学生更好地理解掌握所学的新的化学知识，这在一定程度上减轻了教师的授课压力与负担。但是对于仅使用演示虚拟实验显然还远远不够，学生通过观看演示性虚拟实验也仅仅是一种观察体验，而学生要动手操作虚拟实验，才能丰富自身实验经验，深刻体会，通过不断自主探究、自主思考发现实验背后化学知识的原理，从而构建自身的知识框架。但是体验式虚拟实验和探究虚拟实验的运用还比较少，难以满足学生的实验需求。

由于虚拟实验的开展要借助多媒体计算机以及网络教学室进行，这也对化学教师提出了更高的要求，即具备较高的信息技术能力与素养。对于化学教师来说，本身的教学任务较为繁重，精力有限，在化学实验教学中要应用这一虚拟实验，不仅要向学校申请教室，还要腾出时间了解虚拟实验操作的流程以及如何与课堂教学更好地结合起来。因此，化学实验教学中运用虚拟实验，无形中也使得教师的工作量加重，有的教师可能会认为这样的做法只是给自己徒增烦恼，不愿意进行尝试。

4 农村初中化学虚拟实验教学的具体策略

化学实验可以说具有其特殊性，尤其在中学化学实验教学中，常常会出现一些如实验设备匮乏、实验仪器以及材料化学实验过程中的安全隐患等诸多情况，无形中也会影响教学质量。将虚拟实验系统引入到农村中学课程教学中也成为必然的发展趋势，借助这一虚拟实验，不断提高学生的学习水平，引导学生由浅入深地探究实验，从中获得知识并建构自我的知识体系。

4.1 利用虚拟实验激发学生学习化学的兴趣

化学实验成为培养学生自主探究、想象创造以及逻辑思维能力的一大途径，而农村的初中化学教学条件并不佳，难以为学生提供充足的实验资源以及构建真实的环境。通过虚拟实验的应用，能激发学生积极参与实验的热情，突破传统实验中存在的一些问题，使受条件所限制的农村初中化学教学，切实激发学生学习化学的兴趣，提升教学效果。如，在教学“质量守恒定律”的实验课上，受到硬件设施以及实验工具的限制，在真實实验过程中，常常也因为操作问题或者受到外界环境的影响，导致真实实验产生的实际效果并不佳。传统实验教学教师为学生进行真实实验演示时，有的学生由于视线原因或者是位置影响无法全面观察实验，实验效果不理想。而虚拟实验则是通过直观的呈现，以及可满足不同层次学生需求，也能满足处于不同位置学生的观看。学生可结合自身的需求，通过利用实验工具进行自主拖拉，以及选择想观察的实验步骤，能够有效提高学生应用知识的能力。

4.2 利用虚拟实验优化实验的质量与效果

由于传统实验教学更注重的是师生的实践操作，为此，这对师生的实践能力提出了一定的要求。传统实验下，教师结合教材详解实验步骤，借助直观性图解，使学生逐步了解实验的步骤与原理。而实验完全要靠教师进行演示以及学生动手实践，才能顺利完成化学实验教学。农村学校由于实验室的软硬件配备上还不足，也影响了学生的实验体验。为此，通过应用虚拟实验来弥补农村学校条件有限的问题。如，在教学“水的净化方法——蒸馏法”中，由于开展水的蒸馏实验对于水质以及工具要求非常严格，而传统教学模式下，通常教师只是借助教材图片来引导学生对蒸馏现象进行分析。但虚拟实验则能突破所限，利用3D动态模拟技术在学生眼前呈现整个实验过程，而学生也能参与到这一实验的各个环节。比如，可停留在酒精灯燃烧情况的这一步骤，或者可停留在水沸腾之时的温度计的变化步骤，学生借助操作工具进行仔细的观看，对蒸馏水的形成过程进行全面而细致的了解。而到了最后，教师则是通过应用这一虚拟实验的效果，将其变为实际的真实实验。学生们主动参与动手模拟演练，教师提出问题，使学生加强自主合作探究，逐步深入对化学知识的应用。虚拟实验的应用，实际上也转变了学生的被动学习状态，拓展了学生的思维，不断优化了实验教学的质量与效果。

4.3 应用虚拟实验培养学生的科学素养

传统真实的化学实验所需时间较长，而且对于每一实验的步骤、环节都要持有严谨的态度，现今，农村初中化学实验室的条件也无法满足一些难度较高的实验。应用虚拟实验则对一些高难度化学实验做出精准控制，比如对化学实验所需的温度、湿度等条件、过程做到精准控制，确保化学实验取得实效，也有利于培养学生的思维品质。如，运用实验验证“空气中氧气含量的测定”教学时，这一实验对于温度与空气质量的要求比较高，而且实验花费的时间较长，要等到瓶内温度自然降到室温，这一过程学生要保有浓厚的学习兴趣，这也说明了对于学生学习兴趣的要求也比较高。而虚拟实验则能解决这些问题，可精准设定实验条件，省略瓶内温度降至室温的等待时长，直接呈现这一部分的结果。如，在水的电解实验之中，两个电解产生的气泡的速度非常慢，而且需要学生有足够的耐心进行等待。虚拟实验通过人为设定一些部分条件的格式，既能节约学习时间，也能够让学生的兴趣始终保持浓厚，在短时间参与实验中，提升了科学素养。虚拟实验中各种具有交互性功能的实验环境，也不断提高了学生的研究能力。

4.4 培养开发研发虚拟实验人才

开发虚拟实验必须具备一定的理论知识，也具有一定的技术门槛。这就需要在补充农村化学教师师资力量时，能招聘一些具有化学学科背景的研究生，既要有丰富的化学实验教学经验，同时也具有开发虚拟实验的能力，将其作为研发虚拟实验的主要力量。而且作为这些研发人员，还要加强与化学教师的沟通交流，全面了解一线教师真正的需求与想法，通过经验的学习、资源的共享，双方积极携手合作，使得在初中化学课堂中虚拟实验的应用能走得更好、更久、更深。走进农村初中化学课堂，不断加强虚拟实验的应用研究，农村初中化学虚拟实验最终面向的便是师生，而研究这一虚拟实验要能融入到教学现场，通过立足实际，弄清楚如何真正地有效应用虚拟实验更好地辅助教学，也能让师生提高运用虚拟实验的能力与水平，最大限度地发挥虚拟实验的辅助作用。

4.5 对虚拟实验给予人力支持

作为最终使用者的教师，其应用和推广虚拟实验尤为关键。通过提供一定的支持，让虚拟实验不再成为教师的一种负担，而是通过高校与中学的携手合作，并在一定范围内培训化学教师开展虚拟实验的技术水平。农村初中化学实验教学提供虚拟实验的应用支持以及人才方面的支持，不断地减轻由此带给教师的负担。虚拟实验可以说有助于化学实验教学的质量提升，但要真正落到实处，必须要提高教师的信息技术水平与素养，能够通过教师有效的教学，使学生也能运用这一资源，形成正确的教学策略以及学习方法，才能不断提高化学学习的效率，促进化学课堂教学朝着更深、更广的方向发展。

总之，虚拟实验与农村化学实验教学紧密结合，能够解决真实实验过程中存在的问题，突破限制，取得实效。而教育部门更要加强对化学教师有关虚拟实验技术方面的培训，提高教师的教学能力、信息素养，使得在农村中学化学实验教学中广泛应用虚拟实验。

本文系2022年度甘肃省“十四五”教育科学规划课题《虚拟实验在农村初中化学实验教学中的应用探究》，课题编号：GS[2022]GHB0855）。

（作者单位：甘肃省陇南市徽县第四中学）