虚拟实验在初三化学实验教学中的实践与应用!
发布于 2021-04-22 12:17 ，所属分类：知识学习综合资讯
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谭瑞芳
（广东省广州市美华中学 广东 510000）
稿件编号：2020-12-0120
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初三化学的实验学习并不是单纯的知识记忆和利用，虽然内容简单有限，但承载着帮助学生打下重要基础和培养探究能力的重要任务。在切实开展实验课的过程中，笔者发现了一些问题。第一，学生在课前不清楚实验目的和原理，无法分析实验，导致瞎起哄看热闹、低效无序的情况。第二，学生对教材解读存在困难。笔者分析九年级人教版化学课本，其中只有八个详细的学生实验活动，其他的实验只有简单的实验步骤描述。书本信息的缺乏导致学生没有足够的资料对实验进行事前的预习，无法做好实验前的知识准备，最终导致一节糊里糊涂的实验课。第三，缺乏实验反馈。实验教学的反馈很多时候只局限于习题的练习反馈，这仅仅只能看出学生知识的掌握，无法评价学生实验能力的强弱，使教师无法进一步对实验教学进行反思和改进。
本教学利用的虚拟实验室来自于广州市教育信息中心“中小学智慧校园”工程中化学学科平台中的一个软件工具，其模拟构建一个简单的实验环境。该软件可以安装在教室的教学一体机、电子白板或者电脑平台，其中包含了演示实验、探究实验、仪器学习和仿真工具四大部分。
教师在实验授课时，若在课堂上进行演示实验，由于实验空间的有限性，会导致学生难以观察实验现象。或者以实验视频的形式展示实验，导致学生失去了实验的参与感，学习效果大打折扣。虚拟实验室模拟了一个接近真实的实验过程，学生可以模拟进行取用药品，加热，通入气体等等实验操作，并能看到每一步操作的实验现象，可给学习者提供详细的操作练习以及即时的实验操作反馈，为教师授课和学生学习提供了良好资源。
其次，虚拟实验室打破了实验时间和空间的限制[1]。化学是一门以实验为基础的科学，因而实验教学不只限于在实验课堂，而是贯穿于整个化学学习的过程中。学生实验学习也不限于课堂的学习，也包括课前的预习和课后的复习巩固，这也是实验教学的开始和延续。虚拟实验室的利用，让实验不再是不可重现的和短暂的，而是拥有了可重复性。除了在课堂上利用虚拟实验室外，学生可以在课前利用平台进行实验的预习，在预习中发现问题，在课堂上解决问题。教师也可以提前了解学生已有的疑问，从而在课堂上有的放矢，增强实验教学的有效性。
最后，虚拟实验室能够提供大量直观的实验情境，让学生进行探究式的实验。由于课堂时间有限，没有足够的时间让学生进行自主探究。利用虚拟实验室把难以用语言描述清晰的实验情境生动形象地展现在学生面前，可以给学生一个真实的问题探究情境，进而开展小组合作探究学习，增强学生的探究能力。
由此可见，将虚拟实验室应用于化学实验教学，将会有不错的效果，但目前有针对性地利用虚拟实验优化初三化学实验教学的研究比较少，因此笔者希望将虚拟实验融入化学实验教学中，分别从课前、课堂、课后三个阶段利用虚拟实验改善目前化学实验教学中存在的一些问题，增强教学效果。
在常规教学中，教师经常要求学生通过阅读书本预习实验。但由于书本中对于实验操作等陈述不详尽，知识呈现也缺乏指导性，导致了实验预习效率低下，浪费时间等情况。预习是教学中很重要的一环，预习能让学生在课堂上带着疑问听课，在课堂上做到有的放矢。其次，演示实验和学生实验都限制于教室中和实验室中，是一次性的教学呈现，学生无法多次回顾。学生对知识的接受程度不同，一次性的教学呈现也会导致部分学生无法跟上正常的教学进度，如何进行个性化教学，也成了教学中的一大难题。学业的负担和时间空间的有限性，也让学生无法重复动手操作实验进行实验的巩固和复习，导致实验教学的短期性效果。
借助虚拟实验室软件进行中学化学实验教学不但可以有效地弥补传统化学实验教学中所存在的主要问题，而且对打破传统授课和在线授课之间的壁垒具有举足轻重的作用[2]。虚拟实验室把书本单纯的文字、图片的实验呈现方式转化成文字、图片、声音、视频、模拟操作、模拟实验现象等多重的实验呈现方式，从而加强了学生自主探究的学习。课前模拟操作，使还没进入实验室的学生身临其境，能切身地预习实验，引导学生在课前理清实验思路，明确实验要求，高效做好课前预习，提高了实验教学的质量。同时通过网络增多了师生、生生之间的互动，更是带给师生真实实验的体验感，增强了实验教学的有趣性，加强了复习的有效性。
正确的实验操作是保证实验成功和实验安全的必要条件。实验过程很多注意事项，而且一旦操作错误，轻则实验失败，打击了学生的学习化学和实验的兴趣，重则发生安全上的事故，存在极大的隐患。其次，对面临实验操作考试的学生来说，操作上的失误会导致在操作考试中丢分。在目前的教学中，部分教师会通过演示实验帮助学生落实实验操作，但由于演示实验的时间和空间的限制性，学生错过实验细节，看不清楚实验操作，因而在自行操作时“肆意妄为”，导致操作错误百出。因此在进入实验室前要确切帮助学生落实好实验操作上的细节，帮助学生巩固操作要求。
利用虚拟实验室进行录制微课，在实验前推送给学生多次观看，可以帮助学生熟悉实验操作，掌握实验方法。比如粗盐提纯实验，如图4 所示录制前利用思维导图将其繁杂的实验步骤一一拆分，明确告诉学生本微课的实验分成四个步骤，每个步骤的注意事项有哪些，明确了学习目标，做到有的放矢。
录制微课时，如图5和6所示，通过虚拟实验室放大每项注意事项的操作细节，同时分析模拟的实验现象，通过添加图片等等使讲解步骤时更加清晰，十分真实。
虚拟实验将计算机和网络技术来辅助或部分替代甚至全部替代传统实验环节，实验者可以像在真实环境中一样完成各项实验，所取得的效果一定程度上等价于在真实环境中的效果[3]。为了加强微课的学习效果，学生可以直接在虚拟实验室上进行该实验，通过模拟操作，检验自己的学习成果，进一步落实实验细节，为真正进入实验室做好学习准备。
在教学中根据教学需求挑选出虚拟实验室中的仿真仪器进行操作，进而可以看到模拟的现象。同时结合书本的实验资源和其他有效教学资源，通过录制微课对已有的教学资源与虚拟实验室进行整合和优化利用，把预习变成一节短小而精彩的自学课，生动形象地展示出实验内容和实验操作，让学生身临其境地感受实验过程，使预习不再烦闷的同时，效果增倍。再加上微习题，可以让学生检测自学的效果，也为实验课打下一个好的开始和必要的知识储备。
化学教学离不开实验教学。在课堂上，教师应尽量创造条件让学生亲身体会实验的乐趣，在实际动手实验中学习知识，获取知识。但由于部分学校实验设备不足，导致真正能开展的学生实验的次数并不多，更别说让学生按照学习需求充分利用实验室了。其次，具有一定危险性的实验，在初中课堂上也因为安全问题未能搬上讲台。也有一些实验占时比较长，由于课堂时间的有限性，也无法进入课堂。这些因素阻碍了学生亲自动手实验，获取实验成果。面对这些困境，目前大部分教师利用实验视频来帮助学生了解实验内容，获取实验知识。在无意中，实验视频就成了学生某些实验的知识来源，缺少了探究的过程，只是知识的灌输，缺少了知识的内化和升华。视频实验是一个已生成的固定化的结果和过程，在观看视频时，学生没有实验的参与感，也缺乏实验的切身体会，更缺乏实验教学的引导性，无法真正落实实验教学。
实验教学有利于突出学生的主观能动性，促使学生主动进行实验探究，以便学生在不断探究的过程中掌握化学知识[4]。由于一氧化碳的可燃性，一氧化碳还原氧化铁实验是比较危险的，存在安全隐患，因而难以搬上讲台。该实验是初中化学中的一大难点，实验装置比较复杂，实验操作有一定的先后顺序要求。利用虚拟实验室可以让师生在堂上模拟操作，将拟真的化学仪器直接动手连接成一套装置，根据实验操作加入化学药品后，更可以看到模拟的实验现象和实验结果。这样在虚拟实验室上既可以动手操作，让学生分析模拟的现象，得出结论，真正模拟了科学探究的实验过程，实现实验教学，同时突破了实验教学对客观条件的依赖性，满足实际的课堂教学需要。
化学是一门以实验为基础的科学，一节实验复习课要使学生纠正之前可能存在的知识上的偏差和错误，查漏补缺，更是能使学生在实验探究能力和思维能力上有所提升。如果复习课上脱离实验，直接让学生凭空想象回忆有关实验内容，这样的复习课只是单纯的重复记忆，达不到提升能力的效果，而且长此以来，学生也会因为苦闷无趣的反复练习而失去探究实验的能力。但直接进入实验室操作将耗费复习课的大部分时间，这样与新课学习如出一辙，学生沉迷于动手操作，难以静心思考和总结，难以达到知识提升的效果，更难以让学生去总结，去进行知识的迁移。如何让学生在短短的复习课上得到实际动手操作实验的教学效果，同时实现知识和能力的提升，成了复习课的难题。
复习课重难点是要在短时间内使学生回忆和熟悉相关知识，形成知识网络，加强实验能力和思维能力的运用。本节课利用虚拟实验室模拟了一个真实的实验情境，让学生通过模拟具体的操作，了解仪器的选择标准，装置的连接方法，从而学会不同的制取方法有不同装置，弄懂选择装置的方法。通过模拟动手操作，突破了实验教学对客观条件的依赖性，解决了复习课时间有限的问题，满足实际的课堂教学需要。
建构主义认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。利用虚拟实验室，在基于学生动手实验的基础上，在教师指导下的、以学生为中心，让学生主动探究，自主学习，从而获得知识。
课前，教师利用虚拟实验室预习进行录制微课，学生利用虚拟实验室模拟操作实验，让学生在上课前有明确的方向，很好地调动学生积极性，同时让教师初步对学生已经掌握的知识进行梳理，弄清学生掌握知识的程度，这对于接下来的新课起到导向作用，让师生有针对性地对知识进行加深和扩宽。
对于新课学习和复习课，利用虚拟实验室创设实验情境，结合电子触摸屏让学生动手连接装置,通过模拟具体的实验操作，改变现有实验视频的教学现状。更重要的是，通过具体的操作，让学生在实验中发现问题，解决问题，很好地对知识进行纵横方向上的梳理，将零散的知识点形成网络，为知识的灵活运用打下坚持的基础。通过知识的总结和实际操作利用，很好地锻炼化学思维，实现思维能力提升。
在实验过程中引入合适的过程性评价，而不是只在实验报告上进行评价,评价学生活动成果的同时，着重评价活动过程中的表现[5]。课后，师生利用网络和虚拟实验室实现了远程的师生交流，让学生在教师的指导下进行自主的学习巩固，突破了以往单纯的习题反馈的教学评价方式。一方面，让教师能更加清晰地了解学生对实验的掌握程度，进而及时调整教学进度或者进行个性化的辅导，做到教学相长，事半功倍。另一方面，学生利用虚拟实验室进行有趣的模拟实验，在模拟操作中总结知识，温故而知新，改变了以往单纯的课后练习巩固知识的学习方式，增添学习兴趣的同时，促进自主学习能力，加强实验素养。
虚拟实验对客观世界物质属性的描述是非常局限的，无法刻画出客观世界的未知领域[6]。笔者通过虚拟实验室的实践和应用，也发现了一些问题。比如对于虚拟实验室模拟的实验操作只是鼠标等的操作，无法代替真正实验操作。虚拟实验室虽然模拟了虚拟的实验环境，尽可能给师生动手实验的真实感，但不能取代学生进入实验室动手操作实验。我们可以利用虚拟实验室的优点辅助实验教学，解决实验教学因时间和空间限制而存在的教学困难。千万不能本末倒置，把虚拟实验室作为主体进行实验教学。只有把虚拟实验室和实际动手操作实验有机结合起来，有的放矢地利用虚拟实验，才能增强教学效果，优化实验教学。
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