NOBOOK虚拟实验在线上实验教学中的应用——以“氯气的实验室制法”为例

福建省长汀一中(366300) 童文昭

华中师范大学教师教育学院(430079) 王后雄

近两年，反复不定的新冠肺炎疫情给学校的教学与管理造成了诸多不便，也对课堂教学方式提出了新的挑战。自2020年初教育部要求各级各类学校广泛开展“停课不停学”活动后，线上线下相结合的“混合式教学”便逐渐成为当前各类学校应对突发性疫情的主要方式。然而，对于以实验为基础的理化生等学科，由于不少教学内容都会涉及实验，原本在线下教学中能便捷地通过演示实验或分组实验解决的问题，在线上教学中却成为一个棘手难题。为了解决这一问题，笔者尝试利用NOBOOK虚拟实验平台，对线上实验教学的设计与实施进行探索。

1 虚拟实验与NOBOOK实验室

所谓“虚拟实验”是指通过仿真技术和多媒体技术模拟真实实验情境的一种数字化实验。依据具身认知理论，学习者认知学习的过程和结果与其身体的活动方式紧密相关。虚拟实验利用技术手段对实验过程进行宏观和微观上的虚拟仿真，还原出与真实实验类似操作、现象，以此增强学习者的身体参与和感知。学习者进行虚拟实验操作时，仅需与计算机发生交互，便能产生一种身临其境的体验，从而获得在真实实验中才能形成的实验知识[1]。在应用环境上，虚拟实验没有特殊的场所和时间限制，学习者可以通过计算机或平板等终端设备，便捷地应用虚拟实验软件进行实验设计和操作等活动。这种打破时空限制的资源共享方式，不仅有助于弥补和改善传统实验室条件不足所带来的不便，对促进教师专业化和实验教学技术发展也有重要意义[2]。

“NOBOOK虚拟实验室”是北京乐步教育科技公司面向K12教育开发的一款实验软件，目前共有物理、化学、生物及小学科学四类虚拟实验室产品，涵盖了大多数中小学常规实验教学所需要的实验资源。以化学实验资源为例，初中有121项，高中有355项。教师还可根据实际教学对实验资源进行创新组合和应用拓展，以满足个性化实验教学需要。该软件还有一个特殊的功能——试误技能，可让学生通过错误的实验操作，了解实验规范操作的重要性，培养学生严谨的实验态度和科学精神[3]。此外，NOBOOK还提供了网页版和终端版的实验测评(部分实验)，便于学生对实验知识和技能进行自我评价和复习巩固。教师可登陆网址www.nobook.com进行NOBOOK虚拟在线实验，也可下载PC版软件到终端。而且，当前不少智慧教室设备的供应商都与NOBOOK有合作，能提供智慧校园平台对接和定制化解决方案。这意味着，NOBOOK虚拟实验室在线上和线下教学中，都有广泛的应用和拓展空间。

2 线上虚拟实验教学设计原则

2.1 体验性原则

体验性是虚拟仿真技术的一种本质特性，也是日常实验教学的实践性目标之一。真实的实验体验一般包括对实验现象的感官体验、对实验操作的动作体验以及对实验知识的心理体验。由于虚拟实验所展示的操作与现象是数字模拟动画，所以实验的体验性主要依赖于教师的教学引导。具体在两个方面：一方面是语言引导。即教师应通过教学语言，引导学生基于已有经验进行观察，激发其对实验变化的好奇心和注意力，并通过思考性问题引发学生对实验现象的思考，形成沉浸式体验。另一方面是活动引导。尽管虚拟实验只能通过鼠标点击来完成“实验操作”，但其所演示的是源于规范实验操作的动作，具有示范的作用。因此，教师可通过设计一些与实验操作相关的教学活动，让学生在实验技能上有更多的动作体验。例如，通过NOBOOK虚拟实验的试误技能，让学生感受错误操作带来的后果，强化动作体验的同时，增进对实验知识的理解。

2.2 交互性原则

由于线上教学教师无法近距离观察学生学习过程，师生的交流完全依赖于信息化技术支持，所以线上虚拟实验教学在互动设计上要重于传统课堂，才能达到预期的教学效果。根据线上教学与虚拟实验的各自特点，其“交互性”主要表现在以下两个方面：一方面是资源和学生之间的交互。这里的资源包括教师提供的在线学习资源和虚拟实验平台的资源。具体交互体现在学生完成教师发送到微信群的预习任务、学习在线课堂中播放的PPT和视频、在虚拟实验平台上完成虚拟实验操作等。通过这些交互过程，培养学生的信息的识别、获取及应用能力。另一方面是教师和学生以及学生与学生之间的交互。具体交互表现：通过腾讯会议室的屏幕分享功能，实现教学、演示与指导、师生对话等；通过学习小组微信群和群视频功能，实现学生之间互动交流与协作学习。

2.3 一体化原则

这里所说的“一体化”是指线上与线下的一体化。对于中学生来说，基于其学习心理发展阶段特征，线上教学必定只能是线下教学的一种辅助手段。在混合式教学中，线上教学部分以新媒体技术手段提高了知识的流动效率，也提高了学习的效率。线下教学部分则以知识的系统化为目标，通过教师的教学，将学生线上所习得的碎片化知识转化为结构化知识，促进知识的内化。因此，对于具体某一主题的实验教学来说，线上和线下教学两者的教学目标应该是统一的，我们不能刻意地对两者进行分割，其界限应该是以具体内容的教学特点和要求进行划分，区分哪些知识利用线上技术会有更佳的效果，哪些知识需要线下教学才能达成目标。只有充分认识到线上和线下教学的优劣，才能对两者进行有机的融合，最终形成一体化，达到混合教学的最佳状态。

3 NOBOOK线上虚拟实验教学设计与实施——以“氯气的实验室制法”为例

3.1 教学设计

3.1.1 素养教学目标设计

本节课内容选自人教版高中化学必修1第2章第2节“氯及其化合物”。实验教学是落实化学学科素养的重要教学方式，基于“氯气的实验室制法”教学内容在发展宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认识、科学探究与创新意识等核心素养上的意义，设计以下素养教学目标：

(1)结合已学气体实验室制备的方法，设计氯气实验室制备的装置，掌握氯气实验室制法，发展证据推理与模型认知素养。

(2)通过讨论氯气净化除杂的装置、试剂及有关实验操作，深化对氯气性质的理解，提高科学探究与创新意识素养。

(3)根据实验过程中所涉及的各种变化、原理和现象，加强对物质变化本质的认识，提高宏观辨识与微观探析素养。

3.1.2 教学重难点设计

重点：实验室制备氯气的原理、装置与操作。

难点：氯气制备装置的设计及原因分析。

3.1.3 线上教学流程设计

本节课采用“腾讯会议”的方式实施在线教学，核心教学流程围绕3个实验任务展开，具体过程如图1所示。

图1 “氯气的实验室制法”核心任务教学流程

3.2 教学准备

3.2.1 线上教学分组

预先将学生分成10个小组，每组5～6名学生，并各自组建小组微信群，便于线上教学中学生分组讨论问题，促进学生交流，提升合作学习能力。

3.2.2 录制视频

(1)利用录屏软件录制NOBOOK虚拟实验平台操作视频，实验平台操作培训时备用。

(2)利用NOBOOK虚拟实验平台录制氯气制备实验视频，课堂教学演示时备用。

3.2.3 编制预习任务

依据教学内容编写课前预习任务单，将其发布至班级微信群。学生按照任务清单进行自主学习，遇到问题可在微信群内与老师或同学交流讨论。本节课预习任务单问题设计如下：

(1)实验室制备氯气的原理是什么？根据已学知识你会选择哪种气体发生装置？

(2)实验室制得的氯气中含有哪些杂质？如何除去这些杂质？选用何种装置？

(3)如何确认所制得的是氯气？如何收集氯气？需要什么装置？

(4)尾气是否需要处理？该怎样处理？选择何装置？

(5)将上述装置连接起来，画出完整装置图。

3.3 教学实施

环节1：导入新课

同学们进入腾讯会议室，各组长汇报本组自学任务完成情况。教师抽查学生回答预习问题。

教师：本节课的实验都在虚拟实验室中完成，下面先学习平台操作流程。播放“NOBOOK虚拟实验平台操作”视频。

学生：观看视频，记录操作流程。

教师：PPT展示“氯的发现”。

学生：阅读化学史，了解氯气实验室制备的原理，收获感悟。

教师：从中我们可以获得哪些信息？

学生：氯气可用软锰矿与浓盐酸反应制取，它是一种黄绿色有刺激性的气体。

教师：舍勒的方法至今仍是实验室制取氯气的主要方法。今天我们利用NOBOOK虚拟实验室体验一下舍勒的氯气发现过程。

设计意图：检查学生的知识储备情况，了解虚拟实验室的使用方法，为新课学习做好准备；利用化学史导入新课；

环节2：实验教学

任务一：连接装置

教师：请同学们根据预习内容，开始虚拟实验的第一步：安装制备氯气的实验装置。

学生：点击“新建实验”，进行实验装置连接，并选择合适的试剂放入相关装置。

教师：利用腾讯会议屏幕分享功能，观察学生操作过程(点名抽查)。

学生：完成任务，在小组微信群内对相关疑问进行交流讨论；各组长依次分享屏幕，展示成果。

教师：PPT展示正确装置。提问：根据所学知识可知，气体制备装置一般可分为几个部分？

学生：4个部分——发生装置、净化装置、收集装置、尾气处理装置。

教师：请根据老师展示的正确装置，说明每个装置的作用和原理。

学生：对制备氯气各装置要用到的试剂、作用、连接方式和顺序进行说明，重点说明氯气杂质来源及其净化顺序。

教师：点评学生回答，补充完善氯气制备实验装置设计原理，指出在个别抽查和小组展示中发现的问题。

设计意图：完成氯气制备原理和装置教学，培养学生探究意识，构建气体制备的认知模型。根据虚拟实验重复成本低的特点，教师先不指导，让学生直接操作，暴露其在实验知识和技能上的问题，提高教学的精准度。

任务二：检查气密性

教师：大家都已安装好了制取氯气的装置，这样就可以开始制取氯气了吗？

学生：不行，还未对装置气密性进行检查。

教师：请一位同学分享屏幕，结合刚才连接好的实验装置，讲解气密性检查的操作。其他同学判断操作是否正确，是否还有其他方法。

学生：点评同学的操作。小组讨论其他检查方法，组长汇报讨论结果。

教师：PPT展示初中常见气体(H2、O2、CO2)的实验室制取装置，请同学们思考如何对这些装置进行气密性检查？

学生：小组讨论并汇报。

教师：结合PPT动画或视频，讲解和展示检查装置气密性的常用方法：加热法、滴液法、加水法、吸/吹气法。

学生：进入“新建实验”，将老师展示的各种气密性检查方法操作一遍，观察和记录现象。

设计意图：检查装置气密性是高中化学实验热门考点，原理简单但错误率高。通过方法汇总展示并亲身体验，构建气密性检查操作的认知模型，提高学生模型认知素养。

任务三：制取氯气

教师：现在原理、装置、操作都清楚了，那如何检验制得的气体是氯气？如何验满？

学生：用湿润的淀粉碘化钾试纸检验氯气，观察集气瓶中气体的颜色判断是否集满。

教师：点评学生回答，结合PPT讲解氯气的检验原理和相关化学方程式。

教师：播放课前用NOBOOK平台录制的“氯气制备实验”视频。

学生：描述实验过程中所观察到的变化，运用所学知识对现象进行分析和解释，写出有关化学方程式。

学生：返回“NB化学实验”界面，搜索并进入“氯气的实验室制法”，开始实验并做好相关记录。

教师：利用屏幕分享，点名检查学生实验操作各环节，发现问题并纠正。

教师：现在大家都完成了氯气的制取，结束实验，该怎么操作？

学生：先关闭滴液漏斗开关，待烧杯中不再冒气泡时，移出烧杯中的导管，撤离酒精灯。

教师：结合PPT讲解结束实验的操作和原因，强调停止实验的操作顺序。

教师：请描述实验过程中所观察到的现象，运用所学知识对现象作出解释。

设计意图：将实验设计付诸实践，使学生获得完整的实验操作体验，提高实验技能。通过实验现象的观察和原理的分析，发展学生宏观辨识与微观探析素养。

环节3：课堂小结

教师：请各小组交流和讨论实验中遇到的问题和疑惑，组长进行记录汇总。

学生：组长汇报疑问，分享虚拟实验心得。

教师：解答学生困惑，结合PPT对氯气实验室制备的原理、试剂、装置及注意事项进行归纳。

学生：认真听讲，完成平台实验报告单。

设计意图：促进学生对氯气制取实验进行反思和归纳，提高学生发现问题和思考问题的能力。通过学生提问，总结虚拟实验与真实实验的差异。

4 结语

从课后线下评估与反馈来看，就教材实验知识本身而言，“氯气实验室制备”的线上虚拟实验教学基本实现了预设的教学目标。但是作为混合式教学的一部分，“线上+虚拟”的实验教学方式也确实表现出了一些其原生性的缺陷与不足。从实验的验证性价值看，虚拟实验的确做得很好，作为一种数字化仿真实验，它模拟了平台中已有实验正确的操作过程和结果。但从实验的探究性价值看，虚拟实验却失去了真实实验过程中可能产生的创造性、生成性及探究性问题，而这些问题对学生科学探究素养和实验意识的发展都有着不可替代的作用，所以虚拟实验只能是实验教学的一种有效辅助手段。此外，尽管线上虚拟实验在交互性上不存在障碍，但在体验性及教学观察和指导上与现场实验教学是无法比拟的。因此基于一体化原则，有必要通过线下实验教学对其进行弥补和完善。

当然，在教育信息化迅速发展的时代，我们也要看到虚拟实验独特的价值和前景。2018年4月教育部颁布的《教育信息化2.0行动计划》和2019年2月国务院发布的《中国教育现代化2035》提出要落实信息化技术在教育中深度融合应用的要求。虚拟实验为实验教学的信息化开辟了一条道路，也带来了一种新的教学体验。尽管当前还处于初步简单应用阶段，在实验行为甄别、教学数据的挖掘和应用方面都还有许多待完善的地方。但不可否认其对实验教学和混合式教学的研究都有着重大的意义，在迎合教育信息化需求的同时，还能对一些因条件不足而无法开展的传统实验教学进行有效补充。随着未来在线教育对大数据和人工智能技术的进一步开发利用，虚拟实验教学数据的挖掘和处理技术将会变得更加智能化，这能为实验教学行为分析提供更多的证据支持，也将使我们的实验教学变得更加精准和有效。