虚拟仿真实验在初中化学实验教学中的探索

秦建进

（甘肃省金塔县第三中学，甘肃金塔 735300）

随着教育信息化2.0 的发展，初中化学实验教学技术也在不断地推陈出新，其中虚拟仿真实验就是一项新技术。整合化学传统实验和虚拟仿真实验，是提高学生化学素养和实验探究技能的主要途径。为此，教师应该明确虚拟仿真实验在初中化学实验教学中的应用意义，依托于虚拟仿真实验的功能和优势，合理地策划实验教学计划，带领学生经历实验设计、操作探究等过程，增强学生对实验活动的参与感和体验感，从而持续地提升初中化学实验教学水平。

一、虚拟仿真实验在初中化学实验教学中的应用意义

虚拟仿真实验是基于仿真软件的新型实验模式。在初中化学实验教学中引入虚拟仿真实验，主要是指教师根据实验课的目标和内容，综合利用信息资源和仿真软件，为学生构建虚拟的实验环境，引导学生开展实验猜想、设计、操作、观察、结论研讨等活动，以此拓展学生的实验探究空间，破除传统实验模式存在的积弊。笔者简单介绍虚拟仿真实验在初中化学实验教学中的应用意义：

首先，应用虚拟仿真实验有利于调动学生的探索积极性。学生的化学实验素养正处在形成阶段，以往教师通常是先让学生通过课本阅读，了解实验的原理和步骤，再组织学生进行实验观摩或操作，过程耗时长且枯燥无味，无法迅速唤起学生的探索动机。虚拟仿真实验具有良好的人机交互性，能够直观地为学生呈现实验环境和器材，把书本上静态的文字、图片转化成生动、立体的情景，从而缩短实验导入的时间，使学生对化学实验产生求知欲和探索欲。其次，应用虚拟仿真实验有利于弥补传统化学实验资源的不足。由于资源和条件有缺陷，很多实验课题无法在真实环境下实施，比如微观实验、危险性较高的实验等等，学生只能凭借教材或现成的视频课件粗浅地了解实验现象和操作流程，很难形成深刻的实验认知。虚拟仿真实验依靠信息技术的支持，能够将微观实验可视化，使危险实验变得可行，从而确保化学实验的实效性。最后，应用虚拟仿真实验有利于教师管理和评价化学实验的过程。在传统化学实验教学模式下，教师对实验过程存在辅导不便捷、考核不及时等问题，难以关注每个小组、每个学生的实验操作情况，总结评价也比较简略，影响学生开展实验反思。虚拟仿真实验的操作流程非常易于控制，学生的实验步骤、实验方法在软件中也有据可查，教师可以灵活、便捷地参与实验管理和辅导，及时纠正学生的操作错误。在最终的实验评价阶段，师生也可以利用软件中的实验记录详细地研究结论，探讨实验过程中的疏漏，从而提高教师对化学实验的管理和评价效率［1］。

二、虚拟仿真实验在初中化学实验教学中的应用策略

（一）创设实验导入情境，激发学生探索虚拟仿真实验的兴趣

学生接触化学虚拟仿真实验的时间尚短，教师如果直接发布实验任务，容易给学生造成认知理解压力，不利于后续实验活动的开展。因此，教师必须考虑学生的认知基础，做好实验教学的激趣导学工作。情境创设法适用于虚拟仿真实验的导入，教师应该根据化学实验课题采集有关的信息资源和生活资源，创设实验导入情境，引导学生结合情境了解实验目的，作出初步的实验假设，从而激发学生探索虚拟仿真实验的兴趣。具体教学方法如下：

在创设导入情境时，教师应该立足实验课题，筛选适宜的情境素材，并且这些素材要联系生活和学生的认知经验。如教师可以选择化学知识在生活中的应用实例，并以图片、文字、短视频等形式展示出来，创设真实的实验情境，设计问题引导学生开展情境讨论。之后教师再揭示虚拟仿真实验任务，启发学生结合已有的知识经验提出实验假设或猜想，从而加深学生对实验课题的理解，达到激趣的目的。如在关于氨碱法制纯碱的虚拟仿真实验课上，教师就可以用电子白板出示馒头的图片，同时提出生活常识性的问题：假如做馒头的面团发酸了该怎么办？学生回答加食用碱。教师引出虚拟仿真实验课题：制纯碱实验耗时比较长，所以我们要在虚拟软件上完成这项实验。真实验和虚拟实验的原理都是相同的，请大家阅读氨碱法的工艺介绍资料，回顾学过的化学知识，合作讨论制纯碱的实验方法和原理。学生交流后反馈猜想：用氨碱法制纯碱，可以把氯化钠、石灰石、氨气作为原料，将氨气通入饱和食盐水中生成氨盐水，再通入二氧化碳，生成溶解度较小的碳酸氢钠沉淀和氯化铵溶液，经过滤和洗涤得到HaHCO3的微小晶体，最后加热煅烧制得纯碱产品。这样在实验导入情境的驱动下，学生能够自主构建可行的实验猜想，对化学虚拟仿真实验活动产生浓厚的参与兴趣［2］。

（二）组织实验方案交流，锻炼学生设计虚拟仿真实验的能力

学生在正式参与化学虚拟仿真实验探究之前，需要先形成比较完善的实验方案，然后按部就班地在软件平台上操作。以往实验方案一般由教师提供，学生缺少自主思考和设计的机会，后续操作的机械性较强。为此，在初中化学实验教学中引入虚拟仿真实验时，教师应该发挥学生设计实验方案的主体性，组织学生分组交流、编制实验方案，对实验流程作出合理预设，从而锻炼学生设计虚拟仿真实验的能力。具体教学方法如下：

在组织学生交流化学虚拟仿真实验的方案时，教师应该指导学生联系在导入环节提出的猜想，以小组为单位讨论和设计实验方案，将操作步骤和要点细化分解，在练习纸上用“→”把各步骤连接起来，并标注每步的注意事项和控制措施。教师还可以巡视、提问，引导学生阐述实验设计依据，促进学生动脑、动口，形成自主设计虚拟仿真实验方案的意识和能力。如在关于酸碱中和反应的化学实验教学中，这项实验具有微观的特点，学生提出的假设是氢氧化钠溶液可以和盐酸发生中和反应。教师利用虚拟实验软件展示烧杯、氢氧化钠溶液、酚酞溶液、紫色石蕊溶液、稀盐酸、胶头滴管、玻璃棒等，组织学生四人一组进行虚拟实验方案的讨论和设计活动。学生反馈方案：在烧杯中加入约10ml 的氢氧化钠溶液→滴入几滴酚酞溶液→用玻璃棒搅拌→用胶头滴管缓慢地滴加稀盐酸，不断搅拌溶液，直至溶液无色。教师提问：为什么大家在方案中使用酚酞溶液做指示剂，而没有选择紫色石蕊溶液？学生阐述依据：因为紫色石蕊溶液在碱性溶液中显现蓝色，在中性溶液中显现紫色，两种颜色的变化和过渡很相近，不利于实验观察［3］。这样通过交流实验方案，学生就能对虚拟仿真实验的操作流程了然于心。

（三）应用虚拟实验软件，带领学生体验虚拟仿真实验的过程

学生在经历实验猜想和方案交流活动后，已经做好开展化学虚拟仿真实验探究的充足准备。教师应该将虚拟实验软件和平台开放给学生，利用软件的模拟场景和仿生功能，引导学生根据先前编制的实验方案在软件和平台上进行自主操作，从而感受接近于真实的实验过程，积累充足的动手实操经验。具体教学方法如下：

在应用虚拟实验软件开展化学实验探究时，教师应该指导学生先打开计算机中的虚拟实验软件，了解软件平台所提供的实验器材，然后结合实验前的猜想和流程计划，用鼠标点击软件界面的选项，在虚拟环境下开展实验操作［4］。此外，虚拟仿真实验软件为学生提供了试错和改错的机会，如果学生出现操作失误，教师就可以指导学生点击退回上一步的选项重新操作，帮助学生扎实地掌握实验的技术要点。如在关于白磷燃烧前后质量测定的实验教学中，传统实验存在气球易破裂、白烟逸出等缺点，教师应用NOBOOK 虚拟实验软件改进这项实验。学生在教师的指示下启动软件平台，界面上出现锥形瓶、细沙、镊子、白磷、气球、橡胶塞、酒精灯、天平等器材。学生熟悉器材后，点击鼠标开始实验操作：将细沙均匀铺满锥形瓶底部，用镊子夹一小块白磷放入瓶中，瓶口安装一个带有玻璃导管和气球的橡胶塞，玻璃管的下端接触到白磷，把整个装备放到托盘天平上，记录装备的质量；在天平上取下锥形瓶，将橡胶塞上的玻璃管放在酒精灯的火焰上灼烧一分钟左右，快速塞紧瓶口，引燃白磷反应一段时间，等锥形瓶冷却之后，再放到天平上测量和记录质量。操作结束后，有的学生反映白磷没有被引燃，还有学生得到的结果是前后质量不等，这时教师可以让学生回看软件中的实验录像，分析探讨出现失误的步骤，返回到该步骤进行二次操作。这样在虚拟实验软件的支持下，学生操作化学实验的能力得到大幅提高。

（四）加强虚拟实验观察，指导学生填写虚拟仿真实验的报告

现象观察是化学虚拟仿真实验教学的关键环节。过往部分学生的注意力集中在软件界面操作上，对实验现象的观察不够仔细，导致学生错失一些重要的细节，降低实验探究的成效。为此，教师应该引导学生加强观察，在操作的基础上密切关注实验对象的变化情况，并把观察所获填写到虚拟仿真实验报告中，并将其作为实验结论的研究依据。具体教学方法如下：

在引导学生观察化学虚拟仿真实验的现象时，教师应该根据具体的实验操作步骤提醒学生认真观察实验对象的状态、颜色变化、气体排放等情况，指导学生把实验现象归纳成简洁、准确的语言，记录在虚拟仿真实验报告单上。如在关于一氧化碳还原氧化铁的实验教学中，这项实验所用的药品具有危险性，教师采用虚拟仿真实验的形式开展。在实验的过程中，教师要提醒学生观察：用酒精喷灯加热玻璃管中的氧化铁粉末，粉末颜色有什么变化？澄清的石灰水发生哪些变化？尾气燃烧时产生什么现象？学生观察后口头反馈：氧化铁粉末逐渐从红色变成黑色，澄清的石灰水变浑浊，尾气燃烧时产生蓝色的火焰。教师指导学生把这些内容填写在实验报告单上。这样通过加强对虚拟仿真实验的观察，学生对实验现象就能产生清晰、完整的认识［5］。

（五）研究虚拟实验结论，弥补学生反思虚拟仿真实验的不足

在初中化学实验教学中应用虚拟仿真实验的最后一步就是研究实验结论。由于学生操作虚拟仿真实验的过程和能力都存在差异性，部分学生可能会对正确的实验结论产生疑问。教师在结论研究环节，应该组织学生之间协作交流，相互分享实验成果和观点，弥补学生自主反思实验操作中的不足，对实验结论形成透彻的理解。具体教学方法如下：

在研究虚拟仿真实验的结论时，教师应该把结果探讨和互动评价结合起来，引导学生回顾虚拟实验软件中的录像，参考实验报告单中的现象记录，合作分析实验结果和课前假设是否相符。对于没有获得理想实验成果的学生，教师需要组织学生互动评价实验流程和操作方法，纠查其中是否存在失误和错漏，帮扶学生改进和完善实验操作技巧［6］。如在教学“金属资源的利用和保护”一课时，教师可以通过虚拟实验室为学生演示一氧化碳、氧化铁的反应过程，让学生了解实验步骤，同时分析若出现操作失误会产生哪些实验后果。比如虚拟实验中出现未做尾气处理的提示，这表示需要排出尾气，但不能在空气中随意排放，以防CO 的剧毒泄出；试管炸裂是由于在点燃酒精灯后才通入CO；而液体倒吸则是由于先停止通入CO 后再停止加热。学生可以通过反思实验中的不同现象，思考产生这种现象的原因，在总结经验后重新实验。教师还应提示学生铁钉需平放入实验容器，水要盖过铁钉。通过虚拟实验发现，只与氧气或只与水接触不会使铁钉生锈，但铁钉与氧气和水同时接触会生锈。

三、结语

总而言之，在初中化学实验教学中引入虚拟仿真实验，不仅有利于调动学生的实验探索积极性，还能提高教师对化学实验的管理和评价效率。教师应该针对具有危险性、污染性、可操作性低的实验课题，实施虚拟仿真实验教学，通过创设实验导入情境、组织实验方案交流、指导软件平台操作、加强虚拟实验观察、研究虚拟实验结论等路径，培养学生探索虚拟仿真实验的兴趣和能力，从而使初中化学实验教学模式得到革新。