提升学生科学探究能力的高中化学数字化教学

南利蕊　韩玉霞　陈超林

摘要：为解决部分实验受资源、环境、成本、安全等因素影响难以操作的问题，教师可以发挥信息技术在教学中的优势，在教学中巧妙地引入虚拟实验，引导学生自主设计实验装置并进行调试和改进，使其真正参与到实验活动中。实践证明，教师将虚拟实验等信息技术应用于元素化合物教学中，对学生理解元素化合物的性质、建构物质的转化关系有积极影响，有效地提升了学生的科学探究能力，达到了以虚补实的目的。

关键词：信息技术；化学实验；虚拟实验；科学探究能力

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称新课标）明确指出，化学实验是科学探究的一种重要途径。化学实验教学不仅可以锻炼学生正确使用仪器设备的能力，而且可以提高他们优化实验装置的能力，进而提升学生设计实验方案的能力。从更深的层次上讲，它还有利于学生深刻理解理论知识，进而达到在实验教学过程中培养学生的科学探究思维和能力的目标。但在实际的课堂教学中，化学实验往往受诸多因素限制，導致学生对实验的必要性感知被冲淡，极大地制约学生科学探究思维和能力的发展。随着教育信息化的深入推进，越来越多的信息技术被应用于实验教学中。如果教师能在教学中将传统实验和信息技术相融合，不仅能帮助学生更好地完成探究实验，深入理解实验过程中物质的微观变化，而且能引导学生自主实验，提高学生的科学探究能力。

一、虚拟实验在元素化合物教学中的应用价值

在诸多信息技术中，虚拟实验颇受教师和学生欢迎。通俗来讲，虚拟实验没有普通意义上的实验必备器材，而是在计算机上用软件模拟现实的效果，通过图形化界面展现实验过程，同时运用一定的编程达到实验目的。因此，在化学实验教学中，教师借助虚拟实验能够突破以往教学在实验平台、空间与条件等方面存在的局限，为学生实验思维与动手操作能力的培养提供充足空间，既可以开展实验室无法操作的实验，又在一定程度上解决了部分实验流于形式的问题，对提高学生的科学探究能力起到了助推作用。

元素化合物知识是高中化学课程内容的重要组成部分，也是化学学科观念的重要载体。新课标指出，教师应根据学生的认知发展特点，结合具体的化学知识，精心设计实验探究活动，有效地组织和实施实验探究教学，加深学生对科学探究的理解，提高学生的科学探究能力。

但是，受装置复杂、对环境要求较高、实验时间较长等因素影响，有些实验在课堂上进行实物操作存在困难。除此之外，化学实验教学活动是学生在教师或教材引导下对一些人类已知但是学生未知的原理或现象进行探索并快速取得实验结果的过程，如缺乏教师引导，学生只能锻炼观察和操作等基本实验技能，自主探究程度不高。其实，在实验教学中巧妙地引入虚拟实验，就可以在一定程度上解决这些问题。学生不仅可以自主设计实验装置，而且可以根据教师的要求或自己的想法自主对实验进行调试和改进，真正参与到实验活动中。这样，既避免了在真实实验中可能造成的资源浪费和环境污染等问题，又能激发学生的实验探究热情，提高学生的科学探究能力。

二、虚拟实验在元素化合物教学中的应用案例

笔者以高中化学中氮、硫及其化合物的教学为例，探讨虚拟实验在元素化合物教学中的应用及其对学生科学探究能力的提升作用。

（一）氮氧化物的教学

硝酸型酸雨的形成原因及消除方法是氮氧化物教学重点。在课堂上，教师将动手实验与虚拟实验相结合，引导学生通过探究消除氮氧化物的方法，深化对氮氧化物化学性质的理解，进而构建完整的氮氧化物的知识体系，提高学生的科学探究能力。本节课的教学目标如下：（1）通过观看视频资料，培养从不同的媒介中提炼、获取信息并转化为化学用语的能力，初步获得空气中及汽车尾气中含有氮氧化物的原因；（2）通过课堂实验并结合虚拟实验，探究二氧化氮与水反应的产物，知道氮氧化物导致硝酸型酸雨的原因及消除的方法，培养科学探究能力；（3）分析文献资料，了解其他的消除氮氧化物的办法，进一步培养社会责任和环保意识。

围绕以上教学目标设计如下教学关键环节（如图1）。在教学环节2中，虚拟实验被多次应用。

虚拟实验1：二氧化氮转化为硝酸。

学生通过实验证明了空气中的NO会形成硝酸型酸雨。同时，学生通过阅读资料得知，NO溶于水的过程也是工业生产硝酸中非常重要的一步，这样的转化既能消除氮氧化物，又能将其变废为宝。但是通过刚才的实验，学生很快发现氮元素并不能完全转化为硝酸。教师此时提出问题，引导学生思考如何利用水将其全部转化为硝酸，并提供虚拟实验平台引导学生自主探究。

围绕教师提出的问题，学生分组讨论后，在虚拟实验平台上进行探究，从平台提供的试剂和仪器里选择合适的用品，自主搭建实验装置，进行实验探究。每个学生都积极参与到探究活动中。通过讨论，学生不断完善虚拟实验设计。在此基础上，学生利用教师提供的实验用品，成功地进行了实际操作，既充分利用了时间，又避免了试剂的浪费，还减轻了环境污染。

虚拟实验2：一氧化氮转化为硝酸。

结合在任务二中利用符号表征的化学反应，学生明确了可用水吸收二氧化氮将其转变为硝酸，以达到消除二氧化氮的目的。如何除去反应所得产物一氧化氮呢？教师借助虚拟实验，引导学生利用化学反应，向盛有一氧化氮的试管中缓缓通入氧气。试管中液面不断升高，直至液体充满试管，氮氧化物完全转化为硝酸（如图2）。

在学生通过虚拟实验探究了氮氧化物转化为硝酸的方法后，教师进一步引导学生阅读资料，获取处理氮氧化物的多种方法，依据氮氧化物的性质预测NO被NaOH溶液吸收、催化氧化可能的生成物，初步构建氮氧化物的知识框架。在这个过程中，学生的社会责任感和环境保护意识也在逐步增强。

在氮氧化物的教学中，围绕其组成、来源和消除这三个方面，教师精心设计了教学活动，引导学生在理解氮氧化物性质的同时，学会从化学学科的视角关注环境问题，增强他们的环保意识和社会责任感。在这当中，虚拟实验起到了重要的辅助作用，为动手实验的成功创造了有利条件，促进教学目标的达成。

（二）硫及其化合物转化的教学

含硫物质在工业上有着非常重要的应用。硫元素存在多种化合价，新课标中明确提出要建构以硫元素为中心的转化关系，并规定了学生必做实验。学生通过实验学习含硫物质的性质，有利于建构不同价态的含硫物质的转化。

在教学中，如果直接动手实验，不可避免地会出现SO等有毒试剂，造成环境污染。在教学中，教师可以先借助虚拟实验平台，引导学生设计并完成实验；在学生理解化学反应、明确装置特点后，初步建构转化关系，再让学生选择其中一个或若干个实验进行实际操作，以达到事半功倍的效果。部分教学过程如下。

教学活动1：列举常见的氧化剂和还原剂。

此活动的目的是启发学生依据物质的氧化性、还原性，自主设计实验，实现不同价态含硫物质的转化，并预测产物和实验现象，为后续在虚拟实验平台完成实验奠定基础。

教学活动2：设计实验实现转化。

以+4價的硫转化为+6价的硫为例，学生会想到用酸性KMnO溶液或者HO溶液将SO氧化为SO，并用盐酸和BaCl溶液检验SO的生成，完成该实验在平台所需的实验试剂和装置（如图3），学生也可以根据自己的思路添加仪器和试剂。

教学活动3：评价实验方案。

学生的设计思路不尽相同。教师让学生交流分享，相互评价。

通过相互交流、评价，学生自然关注到SO的尾气处理问题，同时能够从装置的差异中体会到连续性实验装置的优越性，即操作简单、一气呵成，一次性处理尾气。学生在对他人的设计进行评价的同时，也在反思自己的实验设计与操作，这对于提升学生的探究能力无疑是有效的。

反思本节课的教学，不难发现，在建构含同种元素的不同价态物质间的转化时，虚拟实验起到了重要的作用。虚拟实验可以帮助学生从反应物和生成物中相关元素的价态出发，结合所给试剂的氧化性或还原性，设计合理的转化路径，在实现具体物质转化的同时，逐步建构转化的思维方法。这对于提升学生的科学探究能力大有裨益。

三、虚拟实验应用于元素化合物教学的思考

虚拟实验在元素化合物实验教学中的应用，对于学生理解元素化合物的性质、建构物质的转化关系、提升学生的科学探究能力、发展学生的学科核心素养产生了积极的影响。但虚拟实验不是万能的，其在化学实验教学中的应用仍有不足之处，有以下问题值得深思。

（一）虚拟实验是一种辅助手段

虽然新课标明确提出要发挥信息技术在教学中的优势，鼓励教师运用信息技术提高课程的教学效率和质量，强化信息技术与化学教学的深度融合，以全面提高学生的科学探究能力，但是虚拟实验这种信息技术只是一种辅助教学的手段，而不是最终的目的。教师在选用信息技术前，要考虑如何有效地使用信息技术促进教育方式的创新和更好地达成教学目标。以本文第一个案例中提到的氮氧化物的教学为例，教学目标是学生在学习本节课新知识的基础上，能够设计合适的实验，将氮氧化物全部转化为硝酸，但是这种设计性实验，如果学生进行实际操作，难以一次成功，甚至会出现意外，造成资源浪费和环境污染，影响教学进度。为解决这些问题，学生先在虚拟实验平台上，对自己设计的实验进行验证。每次验证也是一次试错的过程，这也能激发学生在探究过程中有效思考。在此基础上，学生再次使用真实的实验试剂和装置进行操作，就能知道如何更好地完成实验。教师将虚拟实验和实际动手实验有机结合，不仅能检验学生当堂学习效果，加深对氮氧化物性质的理解，而且能有效提高学生的实验设计和探究能力。教师在课堂教学中还发现，因为学生已经在虚拟实验平台上成功模拟，在实际操作时，很流畅地就完成实验。由此可见，虚拟实验能有效地辅助化学实验教学，是一种很好的辅助手段。教师在开展课堂教学时，一定要结合实际情况，合理使用信息技术，让虚拟实验更好地为化学实验教学服务。

（二）虚拟实验不可以代替动手实验

虽然虚拟实验对于激发学生探究实验的好奇心具有积极作用，但是它永远也不能取代动手实验。例如，在前面提到的氮氧化物的教学中，有的学生虽然已经在虚拟实验平台上完成模拟实验，但是在实际操作时，因为没有控制好装二氧化氮气体的试管，导致二氧化氮泄漏，以致吸入极少量的二氧化氮气体，最终未能完成实验。

由此可见，虚拟实验虽然是一种很好的实验教学辅助手段，但是虚拟实验终究不能完全代替真实的操作实验，如果强行替代会极大地制约学生实践能力的培养，影响学生合作探究能力的发展。因为在实际的操作实验中，学生面对的是真实的情境，需要根据自己所学知识和生活常识及时、迅速作出判断并进行处理。例如，学生在实际操作时，不小心导致二氧化氮气体泄漏，如果他们只是在课本上或视频里看到二氧化氮气体，没有见过二氧化氮气体，遇到气体泄漏可能都不知道该如何更好地保护自己。

此外，动手实验还可以为学生提供真实、生动的实验现象，为证据推理提供有力的保证，这是仅靠智能技术是无法做到的。在第二个教学案例中，教学目标是学生在已学知识的基础上，能够选择合适的氧化剂和还原剂，实现不同价态的含硫化合物的转化，不需要学生对每个转化实验都进行实际操作与验证。因为通过前面硫及其化合物的新授课，学生已经对硫及其化合物的性质实验有了一定的感性认知。所以，教师只需要选择其中一个或若干个实验进行实际操作。在该案例中，学生设计出了两种不同的实验装置，认真观察即可发现，有一种装置不仅关注到SO的尾气处理问题，在实验操作上还具有连贯性。但是，利用这样的实验装置进行实验是否具有可操作性，能不能达到实验效果，仅凭虚拟实验还是没有说服力的，还是需要学生进行真实的动手操作实验。真实的实验现象更有说服力。与此同时，学生在对他人的设计进行评价的同时，也在反思自己的实验设计与操作，这对于提高学生的科学探究能力无疑是有益的。

因此，教师在教学工作中应精心设计虚拟实验，保证信息技术应用的适切性。

注：本文系国家新闻出版署出版融合发展（人教社）重点实验室、人民教育出版社人教数字教育研究院2021年重点课题“信息化教学环境下基于虚拟实验的化学学科工具对学生科学探究能力提升的研究”（课题编号：RJA0121011）的研究成果。

参考文献

[1] 徐敏虹，陈海锋，郭玉华，等.自制实验教学设备促进学生实践创新能力培养[J].化学教育（中英文），2021（20）：60-64.

[2] 黄巧文.虚拟实验在化学教学中的应用实践[J].学苑教育，2021（14）：79-80.

[3] 毕华林，万延岚.化学的魅力与化学教育的挑战[J].化学教学，2015（5）：3.

（作者南利蕊、韩玉霞、陈超林系北京市第十七中学教师）

责任编辑：祝元志