应用虚拟实验工具开展主题教学破除学生认知障碍

邹雪连　徐京汉

摘要： 为解决传统化学实验教学不够精确、直观和高效的问题，满足学生体验构建概念或原理过程的需求，教师将虚拟实验工具与传统实验融合开展主题教学，引导学生“从宏观到微观，从定性到定量，从静态到动态多角度、多层次实验与探讨”，帮助学生有效建构核心概念。实践证明，科学应用虚拟实验工具开展“水溶液中离子反应与平衡”等主题教学，可以精确表征宏观现象与微观本质间的关系，助力学生体验科学探究过程，实现实验的精确定量分析，破除认知障碍，提高学生化学学科核心素养。

关键词：虚拟实验工具；科学探究；化学实验教学；离子反应与平衡

教育部于2019年印发了《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，倡导传统实验教学与现代新兴科技有机融合，指出对于因受时空限制而在现实世界中无法观察和控制的事物和现象、变化太快或太慢的过程，以及有危险性、破坏性和对环境有危害的实验，可用增强现实、虚拟现实等技术手段呈现。在国家教育政策指引下，在科技进步的驱动下，虚拟实验工具的开发与应用日新月异。化学实验教学相关软件可以支撑初高中经典实验，一些软件载有热力学引擎、导管引擎、粒子引擎、速率系统、化学平衡系统，支持学生直观地观察感受微观粒子的运动与变化。在信息技术支持下一些定量实验也可以精确、高效地开展。学生自主设计并高效率实施实验探究成为可能。笔者以“水溶液中离子反应与平衡”教学为例，尝试将虚拟实验工具融入课堂，拓展教学内容的广度和深度，延伸教学时间和空间，提高教学质量。

一、“水溶液中离子反应与平衡”主题教学需要解决的问题

“水溶液中离子反应与平衡”是《普通高中教科书 化学 选择性必修1 化学反应原理》中的一个知识模块。在教学中，教师要引导学生对化学反应从宏观到微观、从定性到定量、从静态到动态进行多角度多层次实验与探讨，使学生深入理解化学反应的过程和本质、更有效地预测和控制化学反应。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》要求教师开展“水溶液中离子反应与平衡”主题教学，通过对电离平衡等平衡体系存在的证明及平衡移动的分析，发展学生的微粒观、平衡观和守恒观；关注水溶液体系的特点，结合实验现象、数据等证据素材，引导学生形成认识水溶液中离子反应与平衡的基本思路。

笔者发现，用传统模式开展“水溶液中的离子反应与平衡”主题教学存在以下问题。

一是在关联宏观现象与微观原理的分析过程中，难以实现微观表征精确可视化。通过该主题内容的学习，学生“从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题”的能力应得以提升。但学生仅凭想象难以把握粒子运动与变化的本质，不能准确预测粒子行为，无法对传统实验中观察到的宏观现象产生正确关联，不能正确分析平衡的原理本质。

二是难以精确控制实验变量，难以精准有效收集数据等证据素材。在主题实验探究活动中，学生需要针对有探究价值的化学问题，用动态平衡的观点考察化学反应，预测在一定条件下某种物质可能发生的化学变化，并设计实验方案，但目前大多中学实验室条件有限，难以支持学生获得有效的实验现象与证据。学生无法基于证据进行分析推理，证实或证伪假设，不能对假设预测、实验方案、实验结论进行完整论证。学生日益发展的设计创新实验方案的能力与难以提供相应支持的现有实验条件之间的矛盾逐渐凸显。

三是有限的课时难以支撑所有经典实验都遵循科学探究的路径去完成。“水溶液中的离子反应与平衡”主题包含较多核心概念和丰富的理论知识，教师只有将理论知识和实验探究结合起来，通过理论知识的教学促进学生实验探究，才能提高学生的实验和应用能力，教学质量也会随之提高。高二化学周课时一般为四节，如何在有限的课时内完成理论知识的教学，并深入理解，练习、实践，是教师必须面对并解决的问题。

以上种种问题根源在于传统化学学科实验教学不够精确、直观和高效，不能满足学生经历概念或原理的建构过程的需要。这些问题是否可以借助虚拟实验工具解决？课堂教学中融入虚拟实验工具，是否可以帮助学生突破教学难点，建构核心概念，发展学生化学核心素养？

二、运用虚拟实验工具，突破教学难点，破除学生认知障碍

在“水溶液中离子反应与平衡”教学中，笔者应用虚拟实验工具开展了以下探索。

（一）精确表征宏观现象与微观本质间的关系

“电离平衡”教学涉及“电解质在水溶液中的行为”和“电离平衡”两个核心概念。笔者将虚拟实验工具融入教学，对教学环节做了新的设计（如图1）。

教师开展实验1、2、3的教学，旨在引导学生分析微观粒子对反应速率的影响，建立并发展学生的微粒观。教师提出问题：为什么相同浓度的不同种一元酸，氢离子浓度不同？为了让学生认识强、弱电解质在水溶液中的电离程度不同，教师设计实验用以测量浓度均为0.1 mol/L盐酸和醋酸溶液pH，并用电导率测定仪检测0.1 mol/L盐酸、醋酸和蒸馏水的导电性。教师通过上述实验引领学生通过现象从宏观层面建立强、弱电解质的概念。学生如要掌握化学学科的思想和方法，还需要从微观层面理解强、弱电解质在水溶液中的行为差异。为此，教师设计了虚拟实验4：学生在平台上点开虚拟实验工具，点击“弱电解质的电离平衡”虚拟实验下的播放按钮，屏幕上出现氢氟酸、盐酸在水中电离的微观动画演示。通过对比观察两种酸的不同电离行为，学生更直觀地感受到强、弱电解质的电离程度差异。相较于用文字叙述，教师以虚拟实验呈现微观物质在特定条件下的性质和变化的方式教学更能加深学生印象（如图2），有助于学生更直观地认识强、弱电解质电离程度不同，从而更好地发展宏观辨识与微观探析核心素养。

在探究“酸根离子可以结合氢离子变成酸吗”的环节，在学生对电解质在水溶液中的行为有了一定认识后，教师提出问题：酸根可以结合氢离子生成酸吗？对于酸的电离过程能否逆向进行的问题，学生思考与讨论后设计了实验方案：向盐酸、乙酸中分别加入氯化钠、醋酸铵固体，测定溶液pH是否变化。学生通过实验，得出结论：增大醋酸根离子浓度，醋酸的电离逆向移动，而增大氯离子浓度，盐酸的电离不能逆向移动。结合之前的化学平衡知识，学生初步推测醋酸中的平衡状态。如何帮助学生验证其推测？能否寻找更多证据证明平衡状态的存在？虚拟实验工具可以帮助学生实施自己的探究方案，助力学生证实或证伪假设，建立观点、结论和证据之间的逻辑关系。教师引导学生运用虚拟实验工具中“醋酸的电离平衡”实验，分别点击相应按钮加入氢氧化钠固体、加入醋酸钠固体、加热、加水，施加影响，让学生观察各种粒子的浓度变化。平台界面左侧的数据栏实时显示醋酸电离度、溶液pH和醋酸根离子浓度数据。学生应用虚拟实验工具实现了实验的微观演示与数据的精准呈现，收集了充分的证据，直观有效地证明了电离平衡状态的存在，发展了平衡观和微粒观。对于电离平衡移动的实验，学生采用先预测再用虚拟实验工具验证的策略进行操作、分析。借助虚拟实验工具，学生有效构建了“电解质在水溶液中的行为”和“电离平衡”两个核心概念，高效完成了本节课的学习内容。

（二）助力学生体验科学探究过程，发展科学探究能力

“电离平衡常数”其中一个教学难点是：如何在外界条件变化的情况下利用电离常数判断弱电解质平衡的移动方向。在教学过程中，教师让学生借助虚拟实验工具，经历了较完整的科学探究过程，突破了难点（如图3），同时发展了科学探究能力。

学生利用电离平衡常数知识，从理论上计算外界条件改变后的浓度商，通过比较浓度商与电離平衡常数的相对大小，预测平衡移动方向及体系中各粒子浓度变化趋势，提出并设计探究方案，登录平台使用虚拟实验工具，点开“醋酸的电离平衡影响因素”，通过鼠标操作连接pH计、溶液导电装置，以获得更丰富的实验现象。学生使用虚拟实验工具改变外界条件，点击“加水稀释”后，从微观动画图像上看到，更多的醋酸分子发生电离，但体系中离子浓度是减小的，事先连接的导电装置中电流减小，灯泡变暗。学生首先通过界面左侧的数据栏，获得醋酸电离度、溶液pH、醋酸根离子浓度等实时数据，然后根据虚拟实验工具获取的丰富实验事实与准确数据，对之前的预测进行检验与评价，最后通过组内、组间分析交流，得出实验结论。在本节课的教学难点突破过程中，教师借助虚拟实验工具将理论推导可视化（如图4），发展了学生的微粒观、平衡观和守恒观；利用虚拟实验的实验现象、数据等证据素材，引导学生明确认识水溶液中离子反应与平衡的基本思路。

（三）实现实验的精确定量分析

要掌握酸碱中和滴定这种重要的定量分析方法（如图5），学生需要理解中和滴定原理，完成对酸碱中和反应过程中pH变化特点进行探究（如图6）。此处难点是如何在0.1000 mol/L NaOH溶液滴定20.00 mL 0.1000 mol/L 盐酸过程中选择酸碱指示剂。

为突破难点，教师选择了传统实验与虚拟实验相结合的方式开展实验教学。在教师引导下，学生首先做定性实验，检验酚酞、石蕊、甲基橙三种指示剂在酸碱反应过程中的颜色变化情况，初步将指示剂范围缩小到酚酞与甲基橙，然后打开虚拟实验工具，选择“强酸与强碱的中和滴定及其应用”实验，用滑动条工具选择相应浓度的盐酸和氢氧化钠溶液，搭建酸碱中和滴定装置，选择接入pH计，开始中和滴定，最后借助虚拟实验工具实时分析处理数据，绘制滴定曲线。结合滴定过程、滴定曲线与有关精确滴定数据，学生知晓应按照滴定突跃范围选择指示剂，同时，基于精确的滴定数据分析，理解了为什么在酸碱中和滴定接近终点时只滴加半滴溶液。从定性分析到定量分析，在虚拟实验工具辅助下，学生直观高效地学习了滴定原理，掌握了滴定曲线的绘制方法，加深了对酸碱中和滴定的认识。

三、总结

虚拟实验技术与中学化学实验教学深度融合，已成常态。教师在需要精确控制变量的实验中运用虚拟实验工具教学，可以节约时间，提高效率，如化学反应速率测定实验等。教师开展虚拟实验教学，延伸了实验教学的时间和空间，支持学生在课下完成“设计制备、收集氯气的实验”等经典实验的复习和预习任务；在化学教学中，教师适当使用虚拟实验工具直观显示能量转化、电子转移，有利于学生清晰认识研究对象的本质、构成要素及其相互关系，构建认知模型，形成解决复杂化学问题的思维框架。虚拟实验工具的应用丰富了学生的实验体验，提高了学生的科学探究能力，为更好地开展化学教学创造了条件。

（教学案例由北京市第五十五中学教师梅芳、张静、邢苗苗提供。）

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。

（作者系北京市第五十五中学教师）

责任编辑：祝元志