虚拟实验在中学化学教学中的应用研究

【摘 要】从虚拟实验室的实用性和可操作性，分析了虚拟实验在高中化学中应用的意义，及其在教学中的作用。对化学虚拟实验进行比较深入的研究。

【关键词】中学化学 虚拟实验

【中图分类号】G【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2014）07B-0063-02

化学是一门实验科学。首先，化学知识的传承要以实验现象为基本依托。通过实验中的发光、发热、变色以及基本的物态变化来反应物质在化学范畴之内的特性。其次，化学认知的探究过程也离不开实验。每一次新的化学技术的飞越都是以化学实验为出发点的，实验室是孕生化学理论的温床。高中化学教学的实施，必须重视学生化学实验能力的培养。但是，在实际教学过程中化学实验课的开设受到了种种制约。化学实验本身需要耗费化学药品，试验过程中存在一定的危险因素，实验室空间以及设备配置情况并不能满足每一位学生都能够接受严格的实验训练。在计算机领域，模拟现实技术的不断发展为改变化学实验课开设的现状创造了有利条件。教育研究工作者以及一线教师通过教育实践研究，将教育教学活动与计算机技术相结合，通过图像模拟、互动设计以及程序设计等科学手段，将化学实验通过计算机环境设计出虚拟实验情景。结合现代信息技术设备使得虚拟的实验场景与学生见面，学生借此进行主动操作。这样的教学方式可以改善传统实验室操作中的一些制约因素，在一定程度上使得化学实验课以及化学教育教学工作变得更加有效、快捷。

一、模拟经典实验，突出理论根源

化学反应原理的分析与化学反应现象总是相伴而生的，通观高中化学教材，实验总与理论描述相伴而生。大小实验出现的频率很高，教学中实验现象的描述一般是以文字的形式出现，这对于学生而言，理解起来有一定的困难。首先是把文字符号翻译成图像画面的脑力活动势必会使得学习的精力分散而偏离学习的主题，影响到认知图式的顺利建构；其次，高中学生已经基本发展出一些天生的质疑精神，他们对没有亲眼见过的事物会持怀疑态度，总期望能够得到验证，纯粹的文字描述说服力是苍白的。模拟的实验场景，会将学生带入现实情境中，直观地“观察”实验现象，使得实验安排的目的性更加明确，课堂教学的重点更加突出，同时也理顺了学生建构认知图式的条件，提高课堂学习的效率。

比如，人教高中化学必修1“离子反应”的教学过程中，“实验2.1.1：在2 ml Na2SO4溶液中滴入2 ml稀KCl溶液”和“实验2.1.2：在2 ml Na2SO4溶液中滴入2 ml BaCl2溶液”这两个对比试验，设计的目的是要学生探究什么是离子反应，以及发生离子反应的条件是什么，而实验现象的分析仅仅是借以探究这两个问题答案的材料，没有必要在这里花费太多时间让学生回忆甚至进行实验操作来理解反应的现象。直观快捷地演示实验的过程和现象，在这里变得很必要。工作中，课前教师将硫酸钠和氯化钾溶液、氯化钡溶液的反应过程通过计算机技术制作成模拟课件，在必要的时候进行直观演示，简化了学生理解实验现象的过程，加深了学生对实验现象的印象。最重要的是，观看完实验过程，学生直接将学习的焦点聚集在讨论核心问题上来，避免学生迷失于实验过程的纠缠中致使课堂教学重点发生偏离。

二、促进实验创新，培养探究能力

化学实验充满了无穷的魅力，一旦拥有便利的条件，高中学生就能够充分发挥他们的想象力，不断尝试并开拓自己的创造能力。从理论来看，虚拟实验室的构建，可以给学生提供一个自由探究的空间和平台。一方面，虚拟的器材库，可以提供应有尽有的实验器材和实验用的化学药品，且不需后续的财力投资。另一方面，虚拟实验通过人机互动来完成，实验效果都是经过科学规律的控制而产生的，即使出现危险结果也不会有人员伤害事件发生。这两大优点，为学生天马行空的想象得以实践提供了良好条件，也正是这样的条件才孕生了学生创造能力得以开拓的土壤。

在实践中，我们设计学生实验的时候，要尽力为学生提供一些可选条件，以丰富的器材和药品库作为支撑，同时预设多种可能出现的方案，使得虚拟实验课件尽量真实地展示各种药物组合之后发生的实验现象。此外，还要善于开拓教学资源。如今，虚拟现实技术的发展催生了许多虚拟实验室的出现，其中不乏针对高中化学设计的化学虚拟实验室。这种实验室以模拟现实实验室为终极目标，具备完善的实验室系统，其中包含“器材库”“药品库”这样的实物模拟模块，也包含了完备的化学定律控制层面的程序模块，虚拟的“软环境”和“硬环境”使其更逼真地将学生带入实验。

比如，实验室制备氯气的反应。首先是装置的组装问题，教师根据学生的学习经验，首先出示了实验室制备二氧化碳的装置，引导学生研究实验室制备气体的装置组装的要素。然后让学生发挥主观能动性，根据化学反应方程式的提示来组装使用高锰酸钾和浓盐酸制备氯气的装置。一般地，多数学生都组装出了包括反应装置、集气装置、尾气处理装置三大块在内的反应装置。但是随着教师进一步提出问题，这样的装置制备的氯气纯净吗？学生再次分析化学反应方程式发现，由于加热的缘故，制备的氯气中很可能含有KCl和水蒸气。于是，又讨论如何添加净化装置。最终，在虚拟实验环境中组装好了包括反应装置、净化装置、集气装置和尾气处理装置的完整的氯气制备装置。随后，根据讨论时的结论一一添加药品。过程中，学生表现出强烈的探究欲望，他们不满足于高锰酸钾制备氯气的一种途径，此时，教师引导学生自行探究使用氯酸钾、漂白粉等制备氯气的反应。

虚拟实验的过程中，体现了这样几个常规实验不能达到的优点。其一，教师采用了动画演示的方式，将反应装置中的生成物以不同颜色的箭头标识清楚。这样学生直观地看到生成物并不是理想的单一化物质，而是还有我们不需要的杂质。随着一步步的净化，杂质逐步去除，学生明确了实验中每一个实验器皿中的药品起到的作用。第二，随着虚拟过程中装置的一步步改进，学生掌握了化学实验中需要考虑的因素，为今后的创新性探究创造了条件。第三，虚拟操作不能代替常规化学实验操作带给人的感受和收获，但是虚拟操作为实践操作更加顺利地进行奠定了基础。最后，方便的操作环境，帮助学生实现了他们多种途径制备氯气的想法，拓宽了学生思路，发展了学生的创造能力。

三、构建分子模型，呈现微观世界

化学分子的微观结构与物质的物理、化学性质之间关系密切，传统的教学要么单纯使用文字语言描述来表达分子结构，要么使用二维图片做简单演示，这些都制约了学生的空间想象能力。虚拟实验室的出现，在微观分子结构演示方面做出了巨大贡献。采用三维技术处理的“三维分子”虚拟功能，提供了物质中各微粒组成的基本方式。我们可以自由组合这些“微粒”并以不同形态、色彩来标识微粒，帮助学生更加直观地了解物质的构成，进而学习物质的化学性质。

在这方面，有机物分子机构的展示意义尤为重大。以苯环为例，我们可以通过软件先拖出一个苯环的球棒模型，然后根据需要拖出各种球棒模型与之进行组合，从而形成新的物质。这种三维模型，可以在x，y，z三个轴向上自由转动，清晰地演示各原子微粒之间组合形式，一边直观地演示各个官能团的特征。此外，学生还可以自己组建分子模型。“三维分子”虚拟环境中的基团都受到“规律”的控制，不能够组合的键位或者原子是不会产生连接的。比如，乙烷分子的构建，我们只需要拖动一个甲烷分子，然后选中其中一个氢原子再点击甲基即可形成需要的分子结构。之后，可以观察它的比例模型、三维文字模型、结构模型等。虚拟环境中对碳氢双键、三键等的演示更是直观。所见即所得的互动操作，使得师生能够鲜明地观察微观世界，为学习探究提供了更大的方便。

综上所述，虚拟技术引入化学教学后，方便了学生的实验操作技能的培养，也方便了教学中师生的交流互动。虚拟实验使得实验室和理论学习课堂紧密结合，也让学生敢于大胆操作，在微观探究方面作用明显。但同时，虚拟技术与常规实验室之间的差距依然存在，重点是如何掌控学生在进行药品的随机组合时会发生的现象。这在虚拟环境下，对药品反应结果的化学理论控制层面提出严苛的要求，如果能够更好地突破这一瓶颈，虚拟实验室将在化学教学以及化学研究事业当中发挥出巨大作用。