浅析初中化学课程虚拟实验的教学设计与应用

摘 要：传统的初中化学课堂形式比较单一，教师主要给学生在课堂中讲解教材知识，缺乏相应的实践活动，学生的自主创新学习意识较薄弱，对化学的感知能力也不够强。随着教学水平的不断提升和扩展，初中化学课堂中的教学工具越来越多，“虚拟实验”就是其中一种。虚拟实验以其良好的“共享性、可重复使用性”等特点，逐渐受到各大学校的重视和运用，使得它在教学中的应用日益深入。本文就从“虚拟实验”的教学设计和教学应用出发，对初中化学课堂中的实验教学方法做几点分析。

关键词：初中;化学;虚拟实验;教学设计;应用

《义务教育化学课程标准》倡导在当前的化学教学中，教师要做好课堂方案的设定，创设以实验为主的科学探究活动，并扩展课程应用，以此激发学生的学习兴趣，全方面培养学生的化学学科素养。基于这个教学形式，教师要重视“虚拟实验”在当前初中化学课堂中的运用价值，营造一种特殊的教学氛围。只有这样才能保证学生在虚拟实验的学习的过程中，能体验实验学习的欢愉，感受化学这门学科的精髓。

一、 虚拟实验的教学概念和价值

通过字面意思来理解，“虚拟实验”是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等科学技术，给学生提供一系列有价值的实验环境，帮助学生学习和理解。这种虚拟环境主要建立在计算机的基础之上，能为学生模拟出真实实验的操作过程和实验现象，极大地还原了实验的真实性和本质性。实验者可以像在真实实验环境中一样感受实验过程，通过自己的操作技巧就能完成各种实验项目。虚拟实验的开发技术多种多样，而且具有各自的特点和价值。

比如当前初中化学虚拟实验中运用的“Flash技术”就有很好的平臺独立性和交互性，能为教师带来独特的教学效果，增强学生的学习体验。而且“Flash技术”的研发门槛较低，无论是对于研发者还是使用者来说都比较好驾驭，很多程序员都能进行一定的改装和研发，教师也能合理的使用“Flash技术”进行教学讲解。当使用者登录虚拟实验的平台后，就可以进行虚拟的实验活动，实现仿真学习。如下图，就是一种“虚拟实验”活动的模式图，清楚地展示了虚拟实验的结构、方法和相对应的教学项目。

在虚拟实验的平台中，有很多操作模块，主要包括“平台介绍、实验大纲、实验中心、资源中心、个人中心、公告通知、帮助中心”等。其中的实验大纲和资源中心可以根据班级的教学需要，教师自行设定和更改，制定出符合时代发展的化学教学方案。资源中心又包括“知识库、仪器库、材料库、演示视频、扩展资料”等五大模块，每一模块都扮演着重要的角色，能为学生的实验活动带来前所未有的体验。如果对虚拟实验的结构有什么问题，都可以通过“帮助中心”进行疑难解答，或者点击在线求助，解决使用者的困惑，方便后期的实验活动。

二、 虚拟实验在化学课程中的教学设计与目的

“化学虚拟实验”的研发目的主要在于提高学生对化学实验的兴趣，极大地还原实验的真实性，弥补传统化学实验教学的不足。由于传统的化学课堂缺乏新意，缺乏真实的实验教学经验和科技的教学工具，学生的实验思维和化学想象力得不到较好的开发，教师的施教过程也存在一定的难度。而引入了虚拟实验，能让化学课堂更加贴近学生的生活，使虚拟实验内容更加生动和形象，避免了教学漏洞和教学缺陷。

虚拟实验的教学设计应该遵循“科技化”和“虚拟化”的原则，不能照本宣科地将真实实验搬到虚拟平台上来。这样不但起不到任何的教学效果，还不能很好地发挥虚拟实验的优势。为了避免研发资源的浪费，教师要做好每一次虚拟实验的教学设计方案，提前做好教学计划，设想出学生有可能出现的实验问题，做好弥补措施的工作，以备不时之需。

虚拟实验通常基于“Flash动画”，以“action script”作为脚本语言。作为一线化学教师，我们的教学职责不仅是给学生讲授化学知识，还要时不时地了解当今的网络科技，以便研发出一些化学虚拟实验，为学生提供切实可行的教学环境。对于虚拟实验的结构方面，我们也要做好详细的分析和设定。在已有的初中化学虚拟实验中，我们可以推出适合学生学习和感受的新型实验活动，由学生自主操作实验仪器，观察实验现象，让虚拟实验课堂真正的为学生服务。

三、 虚拟实验在化学课程中的教学应用与策略

（一） 注重虚拟实验的本质，培养学生的化学意识

“虚拟实验”的设计灵感来自“VR”体验技术。不同于传统的实验教学，“虚拟实验”有着良好的操作性和交互性，极大地避免了资源的浪费，学生能够很好地体验实验过程，找寻自己需要的实验材料。我们教师要注重虚拟实验的本质，引进符合学生实验的化学教学元素，加深学生对实验的认识和了解。学生是课堂的主体，是实验的主要群体，我们教师就负责为学生创设情境，指导他们进行实验活动。主要的实验操作、实验设计过程还是需要学生自主完成。这样才能体现出虚拟实验的价值，很好地激发学生学习兴趣。如果教师过于干涉学生的实验活动，就会给学生造成思想误区，阻碍他们自身的创新型思维发展，导致实验活动大打折扣，与最初的教学目的背道而驰。

实验教学的目的，不仅是让学生认识基础化学物质的性质和反应原理，更重要的是培养学生良好的化学实验习惯，带领他们认识很多实验器材和其基本的实验操作流程。所以教师要把虚拟实验和真实实验相结合，既要引入真实的实验部分，让学生动手操作，也要配合虚拟实验的活动，加强学生自身对化学的理解和重视，让学生为今后更高级的化学学习做好准备。比如下图中的实验设备，实验台上有漏斗、烧杯、酒精灯、过滤器等，教师要让学生明白每一个实验器材的用途和使用方法，从化学学习的基本角度出发，进行实验操作活动。

化学教学的精髓就在于“透过实验现象看本质”，同时这也是每个化学教师需要重视的教学理念。很多化学方程式都能转换为离子反应方程式，教师要在课堂中多引入一些化学方程式的讲解和教学，从实质性的角度出发，在实验时向学生提出相关问题。比如CO2+Ca（OH）2CaCO3↓+H2O这一化学方程式，从表面上看，是二氧化碳和氢氧化钙结合生成碳酸钙和水，实际上是“酸碱中和”反应生成水的过程。由于碳酸钙是白色沉淀，有的学生不注意实验器械的轻放，容易打坏器材，教师就可以组织学生自行虚拟实验，观察CO2+Ca（OH）2CaCO3↓+H2O这一反应现象，动态生成实验效果图。

（二） 强化虚拟实验的模式，提高学生的化学思维

由于虚拟实验能模拟产生一个三度空间的虚拟世界，所以也称“灵境技术或人工环境”。虚拟实验的前身是“虚拟现实”，即“Virtual Reality”，简称VR，可以利用计算机的操作系统，为使用者提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟环境。这种虚拟技术具有极强的交互性（Interactivity）和构想性（Imagination），能让使用者如同身临其境一般，观察三度空间内的事物。既然引入了虚拟实验，我们教师就要将这种虚拟的教学价值充分体现出来，让学生感受到精确的3D影像世界，从化学实验中走向最深处的学习境地。我们也可以利用“电子工作台”（Electronic Workbench，EWB）的软件系统，强化虚拟实验的模式，为学生提供各种模拟电路和数字电路，从内容上提高学生的化学思维。

为了完善虚拟实验的教学活动，教师还要从新时代的教学角度出发，制定符合时代发展的化学教学方案，把变化较多、关系较为复杂的化学例题转换为简单易懂的实验分析题，保证学生能有效解答和高效运用。用來画虚拟图的软件有很多，比如3DStudioMax，常简称为3dsMax或MAX，是一款可以制作三维动画的虚拟软件，前身是基于DOS操作系统的3DStudio系列。虽然3dsMax常被广泛地应用于电视及娱乐影视行业中，但教师也可以适当地运用3dsMax制作出一些实验效果图，为学生提供色彩鲜明、动画多样的化学实验题材，帮助自己找到适合自己的学习技巧。学生也可以自行设计实验，用3dsMax绘制出“硫酸和强碱”的实验效果图、电解水制作氢气和氧气的效果图、高锰酸钾制作氧气的效果图等，保证实验效果的真实有效。

（三） 引入虚拟实验的活动，锻炼学生的化学能力

很多化学实验药品具有危险性，不适合给学生在实验活动课上使用，比如“NH4NO3”“浓硫酸”等，有的实验产生物还有毒性。如果在实验课堂中引入了虚拟实验，就能避免学生在实验活动中发生危险，极大地保证了学生的安全，还能还原真实的实验情景。比如这样一道实验例题：将某种固体与适量的NH4NO3在常温条件下混合，会产生一种刺激性气体，请问此种气体是什么。这种化学实验题，需要学生具备一定的实验经验，才能选出正确的答案。教师可以引导学生，让他们在虚拟实验的电子白板上，先放置一个圆形的烧杯，加入少许的NH4NO3溶液，再选择一个长型排气管插入到NH4NO3溶液。然后再分别加入固体，探究反应气体的性质。加入的固体可以由学生自行选择，比如“氧化钙”“氯化钙”“熟石灰”等。通过变换原题条件、结论，可以在宏观层面上帮助学生形成系统的实验思维，组织学生合作进行实验探究，得出气体是氨气。

通过这种虚拟化的教学模式，能简单明了的表现出化学的实质问题，激发学生内心的化学学习意识，保证每节课的高效性和实质性。教师也能从这个过程中感受虚拟实验的教学成果，总结每日的教学经验，为学生制定出更加完善和有效的实验教学方案，培养学生的化学素养。每个学生从小接触到的学习环境不同，化学思维也不一样，有的学生对这些虚拟设备了解甚微，不感兴趣，甚至不知道如何入手学习。这时我们也不能过于苛责他们，而是要耐心地给其引导和讲解，有效的培养学生的学习能力和实验技巧，加深他们对虚拟实验的理解，配合教学课堂的有效进行。化学基础好的同学，也可以充当班级的“小老师”，辅助教师的教学工作，带领其他同学进入虚拟实验的探究过程，师生互助教学，共同营造良好的化学实验氛围。

加入了“虚拟实验”的化学课堂，具有时代性和科技性，能够克服化学真实实验的诸多弊端，带动学生对化学的学习热情，对化学实验教学大有裨益。作为新时期的化学教师，我们要看到传统实验教学的弊端，摆脱传统应试教育思想的诸多限制，为学生设定出一套有价值的化学学习方案。在日常的化学教学过程中，我们要把单一的教学模式，转变为以“实验为主、虚拟实验为辅”的实验教学方式，并注重虚拟实验的本质，培养学生的化学意识。只有这样才能不断强化虚拟实验的模式，从本质上提高学生的化学思维，全方面的锻炼学生的化学学习能力。

作者简介：

王海云，江苏省南通市，江苏省如皋初级中学。