“虚实结合”—基于仿真实验构建融合教学情境

2022-12-01胡力丹

科教导刊·电子版 2022年25期

胡力丹，陶悦，杨涛，宋洁*

（淮阴师范学院，江苏淮安 223300）

0 前言

教学情境是指对教学行为有重要影响的各种物质的、制度的、精神的因素构成的课堂环境和氛围[1]。杜威认为探究学习的首先环节就是情境，可见教学情境的重要性[2]。化学教学情境是指化学课堂教学的教师就具体教学内容所创设具体情景的认知逻辑、情感、行为、社会的发展等方面背景的综合体[3]。《化学课程标准》中提到“实验是化学学科的重要组成部分，要让化学学科以及化学实验与现代信息技术深度融合，合理使用计算机模拟实验”，在学科教学方法指导中强调，“重视学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实”[4]。

王后雄等对化学课程标准中情境素材建议的研究中指出：课程标准中“情境素材建议”来源广泛，教师要搜集更多、更好的情境素材择优使用，特别是化学实验，是一种典型的、具有学科特质的实践类情境，教师在教学中要多加使用[5]。但是，受到高考方案、资源限制、教师观念等因素的影响，中学化学实验教学被淡化[6]，具有学科特质的教学情境难以构建，教学效果远达不到课标的要求。

虚拟仿真实验引入中学化学课堂，不仅可以降低实验投资成本，学生还可以亲手模拟实验，“NOBOOK虚拟实验”（简称NB实验）化学虚拟实验室操作简单、体验感强，各种师生互动性实验不断被开发，吸引了教育研究者的兴趣[7-9]。本文将探究以NB虚拟仿真实验为载体课堂情境构建，探索NB实验的在中学的应用实例，为中学开展虚拟仿真实验提供一定的参考，也为教学改革找到新方向。

1 NB虚拟实验简介

NB实验是由北京乐步公司于2014年开发的一款功能齐全的虚拟实验室软件，包括物理、化学、生物和小学科学4门学科的实验，与全球上万所学校、培训机构、教育信息化平台合作良好。NB实验平台可以在电脑、手机、平板等多媒

体终端上使用。NB化学虚拟实验室是一款为初高中化学实验设计的教学工具，包含500多项初高中演示实验以及互动课件资源，涵盖了253种常见药品和117种实验仪器等素材库，可以在虚拟环境下演示资源中的经典化学实验[8]。NB化学虚拟实验室具有界面简洁、操控方便、现象明显，趣味性和交互性强等特点，还可以根据需要，选择资源库中的药品和器材搭建创新实验，并可保存或上传至云平台，方便教师调用和共享，总体使用感较好。

2 化学课堂常用情境素材

实验课堂教学情境中常用的情境素材有真实实验，视频资料或图片，以及仿真实验等，从参与感、互动性、经费投入、污染性、危险性、便捷性几个方面分析以上素材的特点，如表1所示。

表1 不同教学情境素材的特点对照表

目前的教学实际中，视频素材经常被用来代替真实实验，教学效果并不理想，学生不能被带入真实的情境中，而虚拟实验的仿真度和互动性更强，教师可根据学校实验条件、课堂教学需要，并结合自身教学风格和习惯，将不同类型的虚拟实验素材作为真实实验的补充，合理有效地应用于课堂教学情境的构建，切实提高课堂教学质量和效率。NB实验素材的应用场景有以下几种：

3 虚实结合融合教学情境案例

化学实验开展要以安全为前提，《义务教育化学课程标准》中提到，化学实验应注重安全问题。在现实中，部分实验具有一定的危险性（如涉及浓硫酸、浓硝酸、过氧化氢的实验），这些管制化学品具有强氧化性、腐蚀性或毒性，购买和管理相对复杂；另外一些实验现象比较剧烈（如铝热反应实验、浓硫酸的脱水性实验），在防护不达标的情况下可能存在安全隐患；还有一类实验涉及毒有害物质，如高中必修中氯气、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮等气体的制备和性质，教师通常提前在实验室制取，上课时带给学生观察或做性质实验，制备过程、仪器装置特征的分析只能依靠实验视频或图片，代入感不强，难以融入实验情境，学生主要通过记忆的方法进行学习，达不到实验训练的目的。将虚拟仿真实验和真实实验有机结合，可以构建丰富的实验教学情境

以《浓硫酸的性质》为例，在构建实验教学情境时可以选用的素材分别是：教师演示真实实验、演示实验视频、NB仿真实验，NB实验提供了以下三个性质实验的仿真实验：浓硫酸和蔗糖反应、浓硫酸和铜反应，浓硫酸和碳反应。教师可以根据实验条件选择适合的情境组合方案，如表2所示，情境方案1-3分别是单独使用某一种实验素材，4、5是三种素材组合使用，在方案5中，浓硫酸和蔗糖的反应可以直接演示，再通过仿真实验，比较反应物量不同时，该反应的剧烈程度，让学生感受危险的相对性和可控性。浓硫酸和铜的反应教师可直接演示，对照稀硫酸和铜的反应，指导学生观察、检验产物、注意反应条件并正确书写反应方程式。浓硫酸和碳的反应装置相对复杂，可安排演示实验视频，快速观看完之后，让学生利用仿真实验重复实验，从反应装置、收集装置、检验、尾气处理、反应条件等方面展开讨论，把考点直观地展示在分析过程中，对于基础比较好的同学，还可以鼓励他们结合实验装置总结讨论本节课的重点、难点及考点，构建全体同学参与的沉浸式实验课堂。

表2 不同实验素材构建化学实验教学情境示例

4 NB实验的其他功能

NB实验涉及的内容较广泛，可根据关键词搜索相关实验，如搜索“喷泉”，会显示三个不同的喷泉实验：氯化氢喷泉、二氧化碳喷泉、锌和硫酸喷泉，教师可以灵活对比相关实验，组织学生探究分析讨论“产生喷泉的实质”。如搜索“钠”，将显示与“钠”有关的实验，通过实验梳理知识，训练学生的逻辑思维，将知识网络化，提高应用能力。

NB结构化学实验通过三维动画的形式，形象地展示了原子结构、电子云、杂化轨道等抽象概念，还有涵盖元素周期表中所有元素的原子核外电子排布，学生可以在游戏化的互动课件中练习，系统设置了错误提示，直至正确完成。仿真度和互动性较强，得到师生的认可。

此外，NB实验还提供了试错功能，如高锰酸钾制取氧气实验中，教师会提醒学生：固体原料的加热操作中，试管口要略向下倾斜，否则生成的水，或者是样品中含有的水可能让试管炸裂。这个过程无论在教师演示，还是实验视频中都难以展示，NB实验可以模拟试管略向上倾斜时，试管炸裂的场景，说明了规范操作的重要性，强化学生的安全意识。