基于移动端虚拟实验室开展双线融合式初中化学实验教学

师宏佳 顾佳丽

摘 要：将线上教学融入传统课堂教学已经成为教育教学改革的一大趋势。文章在分析线上和线下初中化学实验教学现状的基础上，借助“虚拟实验”这一移动端化学虚拟仿真实验室，以高锰酸钾制氧气实验为例进行双线融合式的初中化学实验教学，对特殊时期下初中化学实验教学的新模式进行了初步探索：（1）学生通过“虚拟实验”对目标实验进行预习;（2）师生线上讨论交流实验相关内容;（3）学生线下实验室实际操作;（4）课后巩固。

关键词：初中化学实验教学;移动端虚拟仿真实验;双线融合式教学

基金项目：2021年度辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目;辽宁省社科联项目（2021lslhzyb-13）;渤海大学2021年中小学教学改革联合研究项目。

作者简介：师宏佳（1996—），女，渤海大学化学与材料工程学院，硕士研究生在读。

顾佳丽（1980—），女，渤海大学化学与材料工程学院，教授，博士。

化学作为一门以实验为基础的自然科学，实验探究是化学教学的最基本特征。《义务教育化学课程标准》明确指出，义务教育阶段的化学课程教学，要通过让学生亲身经历和体验科学探究活动，助力学生科学探究能力的形成，而化学实验则是学生进行科学探究的重要方式。自20世纪90年代起，部分省市就将化学实验操作考试作为学生中考的一部分，以考查初中毕业生是否具备《义务教育课程标准》所规定的实验技能[1]。时至今日，全国大多数省份都已将化学实验操作考试成绩计入中考总分，视其为中考选拔的指标之一。因此，初中化学教学应重视培养学生的基本化学实验技能，比如药品的取用、简单仪器的使用和连接及运用简单的装置和方法制取某些气体等，而初中化学实验教学作为培养初中生化学实验技能的重要途径，其重要性不言而喻。

2020年以来，传统课堂教学受到极大的冲击。线上教学也已不再是特殊时期学校匆忙应对下的短期行为，而是一场长期的颠覆式的教学革命[2]，将线上教学融入传统课堂教学已成为教学改革的一大趋势。本文对初中化学实验教学中开展双线融合式的教学模式进行探索，以期对特殊时期下的初中化学实验教学进行优化。

一、 初中化学实验教学现状

（一） 初中线下化学实验教学现状

在实验教学中，初中实验教学大都以教师演示实验为主，有的教师则选用“视频实验”（播放实验视频）或“板画实验”（在黑板上画实验示意图）的形式来代替实际的实验操作;更有甚者，一些教师存在“做实验不如讲实验，讲实验不如背实验、画实验、讲实验题”的思维。如此这般，学生无法通过亲自动手操作体会实验的乐趣，教学效果大打折扣，对学生实验操作技能和探究意识及能力的培养十分不利。造成这一现状的原因，主要有学校实验设备等硬件条件不足、化学教学课时紧张、片面追求高升学率等，此外，部分教师实验教学能力不足也导致出现实验教学课时一再被缩减及实验教学“纸上谈兵”的现状。

（二）初中线上化学实验教学现状

近两年，传统的课堂教学受到了极大的冲击，在教育部“停课不停学”的号召下，大规模的线上教学走进大众视野。然而，初中化学教学的重头戏——

实验教学，在这场大规模的线上教学中表现如何呢？

受条件所限，教师在进行线上实验教学时无法进行演示实验，再加上线上教学经验不足，导致其对实验视频和课件的依赖程度更高：教师往往通过播放实验视频的方式来使学生大致了解实验流程和实验操作，并在此基础上利用课件向学生讲解实验涉及的知识点。虽然家庭小实验由于低门槛化（实验药品和器材的生活化），能在一定程度上对初中化学的线上实验教学进行补充，但很明显，初中化学实验教学在这场大规模的线上教学中仍然面临着“教师讲实验、学生听实验”的困境。

如何打破线上、线下初中化学实验教学所面临的困境，优化教学模式以应对特殊时期下的实验教学呢？化学虚拟仿真实验或许可以为我们提供一个解决问题的思路。

二、借助移动端化学虚拟仿真实验室开展初中化学实验教学的可行性分析

（一）移动端虚拟仿真实验室的优势

虚拟仿真实验室是指利用虚拟技术、仿真技术、动画技术等，实现实验者在三维立体模拟实验室中操作实验的一种虚拟平台。国内化学虚拟仿真实验发展至今，已有近二十年的时间，在此期间，化学虚拟仿真实验发展出了PC端和移动端两种平台[3]。

PC端化学虚拟仿真实验室的发展日益成熟，但其建设、研究和应用至今仍集中于高校。主要是由于其访问时加载时间过长、开放性低（加密或内网访问）、前期PC设备的投入和后期软硬件维护成本高昂等原因所致。

移动端化学虚拟仿真实验出现已有十几年时间，成熟软件虽少，但相较传统的PC端化学虚拟仿真实验室，其具有的即时性、泛在性、趣味性、开放性等优势加上智能手机的高度普及，使得移动端的化学虚拟仿真实验平台更适合作为优化初中化学实验教学的平台[4]。

近年来，虚拟仿真实验室在教育教学方面的作用愈发受到人们的关注。有调查显示，尽管化学虚拟实验室在初中的建设没能跟进，但初中化学教师对在教学中使用虚拟仿真实验室表现出较高的认可度和意愿度[5]。因此，借助移动端化学虚拟仿真实验室来优化初中化学实验教学具备一定的可行性。

（二） 移动端虚拟仿真实验室——“虚拟实验”在初中化学实验教学中的适用性

深圳市征铭科技有限公司开发的移动端虚拟仿真实验室——“虚拟实验”配套中学物理、化学、生物教材制作而成，支持单人练习模式和双人抢答模式，意在达到“在娱乐中学习，在学习中娱乐”的目的。本研究選取该手机APP中用户体验感较好的初中化学实验模块（以下简称“虚拟实验”），初步探讨基于该平台的双线融合式初中化学实验教学模式。

相较“自由式”的化学虚拟仿真实验室，“虚拟实验”作为一种“流程化”的虚拟仿真实验室，留给学生自由发挥的空间较少，但义务教育阶段教学活动中涉及的化学实验本身可供自由探索的空间也比较有限。因此，“流程化”的 “虚拟实验”基本上可以满足初中化学实验教学（目前主要集中在课前预习和学习实验两方面）的需求。且该APP内存仅为30M左右，对手机配置的要求较低，易于实现班级的覆盖。

“虚拟实验”采取“练习—考核”的融合模式，在对当前实验操作步骤所需的关键器材或药品进行一定的提示的同时，亦会记录实验用时、实验进度及成绩。除此之外，“虚拟实验”巧妙地运用了引导功能，例如在实验过程中展示并语音播报实验目的、仪器药品、反应原理、关键名词的解析及以选择题形式出现的化学实验问题等，有助于提升学生的实验体验度和学习效率。

值得一提的是，“虚拟实验”提供实验报告的查看与下载服务，学生可以在虚拟操作过程中或结束后查看实验报告，以便其对实验进行更为系统全面的了解。

待学生预习结束后，教师可以利用该APP的“班级”数据功能查看全班学生的实验用时及成绩，并以此了解学生的预习情况，以便后续对线下课程进行针对性的设计与管理。

三、基于移动端虚拟实验平台的双线融合式初中化学实验教学模式

本文以高锰酸钾制氧气实验为例，借助“虚拟实验”进行双线融合式初中化学实验教学新模式的初步探索，在学生通过“虚拟实验”对目标实验进行预习的基础上，师生开展线上讨论交流实验相关内容，再由学生在实验室进行实际操作并在课后及时巩固，最后由教师对学生在各个环节的表现进行综合评价。

（一）学生通过“虚拟实验”进行预习和练习

学生通过“虚拟实验”的练习模式对目标实验进行预习，并录下整个虚拟操作过程，以便进行线下的师生交流与多维评价工作。除此之外，学生还需撰写预习报告，将其在虚拟操作中了解的实验涉及的化学基础知识及存在的疑惑记录下来，待线下与老师和同学进行交流。

在“虚拟实验”APP安装注册完毕之后，学生开始登录进入软件，点击并选择单人实验模式（练习模式）即可进行预习。在练习模式下，学生点击目标实验名称后即可进行如下的虚拟操作：

1.简单仪器的连接，包括橡胶塞与导管的连接、橡皮管与导管的连接等。

2.利用“手握法”检查装置的气密性。

3.取用粉末状固体药品高锰酸钾。

4.将试管固定在铁架台上，试管口略向下倾斜（防止冷凝水回流到热的试管底部导致试管炸裂），且铁架台的铁夹要夹在试管中上部，即距试管口1/3～1/4处。

5.酒精灯的点燃及熄灭：点燃酒精灯时用燃着的火柴点燃;熄灭酒精灯时使用灯帽盖灭，连续盖两次，避免冷却后盖内产生负压导致盖子打开困难。

6.使用酒精灯对试管内的固体药品加热;先预热（用酒精灯外焰在试管下方来回移动），待试管受热均匀后，用酒精灯外焰对高锰酸钾所在的部位进行集中加热。

7.拆卸集气装置时，先将导管移出水面，再撤走酒精灯，防止水槽中的水回流导致试管炸裂。

学生在以上虚拟操作的过程中，还可借助“虚拟实验”的引导视角和“实验报告”的查看与下载功能，高效率地了解实验目的、实验所需仪器药品、实验原理、实验操作注意事项及该实验涉及的实验事实和基本概念（以选择题形式出现）等。

教师在学生预习结束后，可以通过后台的“班级”数据功能查看全班学生的实验用时及成绩，以此来了解学生预习与否以及预习效果的优劣。

（二） 线上实验讲解及线下实验室操作

由于学生在预习过程中已经对该实验有了基本的认识和理解，因此教师在线上课堂中不需要再对其进行一一讲解，可抽取一部分同学的虚拟实验操作录屏进行播放，再与学生共同完成对这些虚拟操作过程的多维评价，体现教师的主导作用和学生的主体作用。需要注意的是，虚拟实验操作毕竟只是模拟，其真实性与合理性还有待加强，这可能对学生的实际操作造成一定的误导。因此，教师可通过播放实际实验操作的演示视频来尽可能减少此类情况的出现。

除此之外，教师还可以查看学生预习报告中记录的“疑难杂症”，选取其共性问题在课堂上供学生交流讨论，再由教师对其进行补充和解答。

线下实验时，学生两人为一组领取实验器材进行实际操作，小组之间可在实际操作过程中通过讨论交流加深对实验的理解。而教师在巡视学生实验操作的过程中，要指出其不规范或具有安全隐患的操作。

学生完成实际的实验操作后，小组派代表发言指出虚拟实验操作与实验室实际操作的异同点，并就实际操作中出现的新的疑惑与教师和同学进行交流讨论，最后再由教师对学生实际操作中存在的共性问题进行补充和解答。

（三）课后巩固及考核

学生在线下完成实验操作后，撰写相应的实验报告，教师则通过批改学生的实验报告来了解学生此次实验的掌握和完成情况。除了撰写实验报告，学生还可通过“虚拟实验”的双人抢答模式与同组同学竞赛，以此来复习巩固此次实验的知识点。

最终，教师通过综合学生的虚拟操作成绩、预习报告成绩、实验室操作成绩、实验报告成绩及课堂参与度（均为百分制）来评判学生此次实验学习的情况：实验成绩=虚拟实验成绩×20%+预习报告成绩×10%+实验室操作成绩×20%+实验报告成绩×40%+课堂成绩×10%。

四、总结

本文借助“虚拟实验”这一移动端化学虚拟仿真实验室，以高锰酸钾制氧气实验为例研究双线融合式的初中化学实验教学模式，对初中化学实验教学的优化进行了初步的探索。

但不可否认的是，在初中实验教学中使用“流程化”的虚拟仿真实验室——“虚拟实验”，尽管可以让学生按部就班地完成相关的虚拟实验操作，但留给学生自由发挥的空间较少，长此以往，不利于学生创新精神和能力的培养。因此，教师还可运用一些“自由式”的移动端化学虚拟实验室（比如“烧杯”），给学生更多自由探索的空间。除此之外，教师还可设计一些探究性强、安全性高的家庭小实验，以培养学生的创新精神和实践能力。

另外，虚拟实验室的一大优点是试错成本低——不存在试剂和仪器消耗、可规避实际操作中存在的危险因素等。但教师也要注意其对实际操作带来的负面影响，比如学生在进行具有安全隐患的操作时操作不规范、安全意识低下等，此时教师需要对学生进行及时的提醒及教育。

总之，利用移动端虚拟仿真实验室开展初中化学双线融合式实验教学具有一定的可行性，但同时教师也应认识到模拟实验在初中化学教学中的局限性。因此，在利用移动端虚拟实验室进行化学教学时教师应清楚地认识到实验室实际操作的不可替代性及虚拟实验操作的辅助性，正确处理好二者在化学实验教学中的关系，以达到预期的教学效果。

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