虚拟实验在初中化学教学中的应用

孙晓东

摘要：在化学学习过程中，实验是非常重要的方法与手段，化学课程中许多性质和结论都是经过大量的实验总结出来的。传统的教学方法已不能满足学生对化学知识的探知，随着教育信息化、智能化、数字化的发展，通过数字化的实验课程，教师和学生对化学实验有了新的认识与期待，教学实践发现，虚拟实验相比学生亲自动手操作更能调动学习的兴趣。虚拟实验的“虚拟”性，还可以避免学生在操作过程中因失误而造成的教学事故，对学生的身心也是很好的保护。因此，虚拟实验在初中化学教学中的探索与应用，具有重要的意义。

关键词：初中化学  虚拟实验  课堂教学

实验是学习化学的有效途径，实验教学可以帮助学生提升学习化学的兴趣，发展学生的思维，培养创新型人材。据调查，教师准备一节学生实验课需要花费大量时间，实验过程中又有一定的危险性，但是实验结果往往达不到意想的效果，很多一线化学教师经常把“做实验”变成“讲实验”；这样表面达到了教师所预期的目的，但是却忽视了学生思维能力、探究能力的发展。初中阶段的学生，思维意识发展很快，是综合能力提高的黄金时期，化学课堂应该为学生营造不断探索的课堂氛围，把学生思维发展放在第一位，着力提高化学核心素养。

一、化学教学虚拟实验的必要性

虚拟实验是在计算机辅助技术下构建的一种仿真实验平台，其主要特点是实验的“虚拟”性，操作上更注重实验的交互性和实验结果的仿真性。当前化学虚拟实验主要包括演示视频、实验视频、3D课件、VR课件四种方式，都是在计算机互联网仿真技术下进行的，相对于传统的学生动手操作实验，突破了空间的限制、时间的约束，还具有安全性高、能随时进行的特点。

二、虚拟实验在初中化学教学中的应用

1.让很多实验的“不可能”变为“可能”。

化学学习与实验操作是密不可分的，初中化学教材中有大量的演示实验，有些实验具有一定的危险，有些实验过程中产生的气体对空气会造成污染。以测定空气中氧气含量的实验为例，如果装置气密性不好，生成的五氧化二磷会污染空气；一氧化碳还原氧化铁实验与工业炼铁结合在一起，能非常高的调动学生的求知欲，但是由于一氧化碳有毒并且难以制取，很多教师把做实验变成了“讲实验”;金属活动性顺序中，钠与水的反应能很好的调动学生学习的积极性，但是由于该反应有一定的危险性，很多学生对金属钠的认识只停留在课本中，对反应现象只能靠“想象”来获取；在燃烧和灭火的教学中，粉尘爆炸实验能让学生感受到爆炸所带来的危害，很多教师从安全方面考虑，经常以播放视频或图片的形式对实验进行讲解，实验的“真实性”不强，学生领悟不深刻。把虚拟实验引入化学实验教学中，可以很好的解决上述实验过程中带来的不便，教师利用计算机虚拟实验软件，针对一些具有危险性或对环境造成一定污染的实验，在虚拟软件中选择所需要的虚拟药品和仪器，完成实验的整个过程。通过虚拟实验，可以避免一切实验过程中出现的“危险性”与“不确定”性。

2.对实验现象的观察更加的清楚，描述更加準确，将宏观现象与微观世界紧密的联系在一起，提升学生学习效率。

任何一个实验过程，对实验现象的描述都是至关重要的一个环节。教师在做实验的过程中，有些实验反应速度比较快，如碳酸钠和盐酸反应；有些反应速度又特别慢，如铁的生锈，在酸和碱的反应中，为了确认反应是否发生，我们经常会向酸或碱中加入酸碱指示剂，通过指示剂颜色的变化来确认反应的发生，当PH=7时，溶液颜色变化很快，老师很难把握到这一变化的过程，学生观察起来更不容易。以虚拟实验的形式开展以上教学，利用3D课件技术，将整个实验过程“动”与“静”结合起来，在实验中控制反应的快慢，可以很详细的观察到实验现象，教师也可以对整个实验过程进行逐步的分析，没有了实验的紧迫性，学生学习效率也会更高。

在化学教学中，很多的化学变化需要从宏观与微观两个方面去认识，如电解水实验，宏观表示水通电生成了氢气与氧气，在实验过程中学生很容易观察到两种气体的生成，微观描述为水分子在通电的条件下生成氢分子和氧分子，对于像分子、原子、离子这样的微观粒子，我们看不见也摸不到，学生的认知过程只能靠丰富的想象力去完成，学习兴趣也因此大大减弱，利用虚拟软件中的微观模型，能形象的演示水分子破裂形成氢原子和氧原子，氢原子和氧原子又重新组合形成新的氢分子和氧分子的过程。虚拟实验的演示，教师能尽可能的将微观世界的变化演示出来，学生对化学学科的本质有了更加清楚的认识。

3.提高实验的效率，避免药品浪费，弥补实验器材的不足。

很多农村学校没有配备专业的化学实验老师，化学学科教师往往担任着多种职务，既要管理化学仪器室、实验室，还要在规定的时间完成教学任务，由于工作的繁忙，教师很难有充足的时间走进化学实验室去准备一个实验，导致教材中要求做的实验经常做不全，学生实验开出率比较低。利用计算机虚拟软件，教师只要在办公室中熟练操作虚拟实验软件，根据实验内容，在软件中选择所需要的仪器和药品，就可以用最快的时间准备一个实验，实验中用到的药品和仪器都是虚拟存在的，不存在破损与消耗，避免了药品的浪费。对于一些不经常使用的药品和仪器，例如酒精喷灯、冷凝管，金属钠、镁条等，有的学校没有采购，导致有些实验缺乏仪器和药品没有办法开展，利用虚拟软件准备实验能有效的弥补仪器和药品的短缺问题，能够完全满足教材中的实验的需要，实验成本也随之下降。

4.提升学生自主学习能力，促进学生探究水平不断提高。

虚拟实验不需要固定的实验室，给学生提供了更多探究的空间和时间，学生不仅能在教室能体会到虚拟实验的便捷性，还可在课后利用计算机自己探究实验的过程，虚拟实验不存在危险性，学生可以自主选择时间、地点及实验内容进行实验，这样学习能力就会不断的增强，发现问题、解决问题的方法和手段也会越来越多，还可以利用课余时间把一些教材中的教师演示实验用虚拟实验的形式自己做一遍，加深对实验的理解，例如用红磷燃烧测定空气中氧气含量的实验，我们把红磷换成碳、硫、铁丝等物质后，发现得不到我们想要的实验结论，此时会极大的激发学生探究的积极性，直到达成探究的目的，寻找实验失败的原因。“现实”与“虚拟”结合，“课内”与“课外”结合，对促进学生探究能力的提高具有重要的意义。不断强化实验过程，学生发现问题、提出问题、设计实验过程、寻找实验结果的能力也会不断的得到提升。

5.极大的激发了学生学习化学的兴趣。

现如今，初中学生对信息技术的渴望超过之前的任何一个时期，他们对虚拟世界的渴望更加强烈，教师通过正确的引导，将这种期待引入课堂，引入到化学实验的探究中去，让学生在虚拟实验的过程中感受到信息技术的发展，感受到化学学科的魅力，满足学生强烈的好奇心。在虚拟实验中，学生会发现很多意想不到的问题，从而进一步激发解决问题的想法，自己设计探究的过程，班级中化学学习氛围就会变得越来越浓。

三、初中化学应用虚拟实验教学时需要注意的几个问题

1.不能用虚拟实验完全代替实验操作

实验教学是初中化学教学的基础，虽然虚拟实验相比传统实验有很多的优势，但是教学中不能用虚拟实验代替所有的实验操作，对于一些操作简单、现象便于观察、操作难度比较小、不具有危险性的实验，教师在演示之后完全可以让学生动手进行操作，在一次我县初中学生化学实验技能大赛中，实验内容是二氧化碳的制取与检验，其中一组学生在实验操作中出现了很多问题，比如装置气密性不会检验、二氧化碳收集后不会验满等；在笔试环节学生却表现的非常优秀，经过与学生认真讨论，学校课堂中的实验都是以虚拟实验的形式进行的，学生很少亲自动手操作实验，整体实验技能比较差。只有实验“虚”与“实”的结合才能解决长期因虚拟实验而导致的学生实验技能低、操作不规范等问题。

2.学生在虚拟实验时监管缺失，防止出现“假”学习

虚拟实验的过程学生能够独立的完成，不需要老师的辅助，当学生独自拥有一台计算机进行实验操作时，整个过程没有老师、家长的监督，同时网络对于初中阶段学生有着不可抵抗的诱惑，很多时候会以做实验的“借口”而沉迷于网络。久而久之最初的学习目标没有达到，反而困为“实验”养成了很多不良的习惯，学习成绩不断下降。为了防止以上问题的出现，在实验之前，教师、家长应该对学生的实验内容、时间、结果提出一定的要求，提高实验的时效性和目的性，让学生在有限的时间去完成整个实验过程，并在结束之后对整个过程及时的评价，解决实验中出现的问题，让虚拟實验为学生的成长服务。

3.虚拟实验的真实感较低，不利于培养学生严谨的科学态度。

虚拟实验能够模拟真实的实验环境和操作过程，但不能完全代替实验的真实性和对实验的感性认识。学生没有动手操作的过程，无法体会某些真实的实验经过。生石灰和水反应会放出大量的热，虚拟实验中学生通过温度计观察到随着反应的发生温度一直升高，但是这种变化只能靠观察去认识，没有真实的切身感受，不便于记忆与理解，在真实的实验过程中，我们可以用手去触摸烧杯的外壁感受温度的变化，并用放热、发烫这些词去形容放出热量的多少；硫在氧气中燃烧会产生具有刺激性气味的二氧化硫气体，虚拟实验中我们只能用文字去描述这一现象，在真实实验中可以让学生用实验室闻气体味道的方法去尝试着闻一下二氧化硫气体的味道，这一过程所带来的感知是虚拟实验永远没有办法达到的，实验获得感相对比较高。化学实验过程需要有严谨求实的科学态度，虚拟实验过程没有真实实验要求严格，学生操作随机性强，学生对实验过程中因错误操作而造成的后果也没有真切的感受，认识不到实验的严谨性。每一次动手实验都是对未知世界的一种探索，只要你有足够的勇气、信心与求知欲，都会有意想不到的收获，学生也能在这一过程中获得经验。

四、虚拟实验的现实意义。

1.推动化学课堂教学，改变传统实验教学观念，促进教学改革。

虚拟实验极大的方便了教师在课堂中部分实验的演示过程，使得课堂中融入更多的信息元素，同时可以打破课堂实验的限制，将一些受场地、空间、危险性限制的实验引入课堂，弥补了在课堂中由于一些因现实条件的不足而忽略掉的实验。

2..实验内容的多样化。

教材中的实验更新时间比较长，在一定程度上不能适应化学教学发展的需要，虚拟实验具有超前性，更新速度也比较快，能满足各种实验的需要，很多在实验室中无法完成的实验，可以在虚拟实验中找到答案，破解化学研究中的瓶颈，促进化学学科快速发展。

参考文献：

[1] 于国树. 初中化学课程虚拟实验的教学设计与应用研究[D].云南师范大学，2014.

[2] 窦方义.初中化学虚拟实验教学策略研究[J].中学课程辅导（教师通讯），2018，No.182（02）：23.