基于虚拟仿真的高中“限制类”化学实验应用探析

【摘要】从当前高中“限制类”化学实验的应用现状出发，通过六个方面分析了化学虚拟仿真实验在高中教学中的优势，文章重点探析了虚拟仿真实验在高中化学实验教学中的应用实践的三个方面：破“危”解“毒”，攻克传统实验“盲点”；抓“微”突“本”，解决传统实验“痛”点；培“核”育“才”，全面提升“素养”点。【关键词】虚拟仿真；限制类；高中；化学实验化学是一门基于实验基础的科学，随着科技的发展，利用虚拟仿真等技术手段破解传统实验的短板，成为当前亟待解决的问题。教育部发布的《关于加强和改进中小学实验教学意见》的文件中明确指出了“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、变化太快或变化太慢的过程，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”。[1]因此，作为高中化学教师应深刻认识虚拟实验教学的价值，用好用巧虚拟仿真实验，助力提升教学效果。一、高中“限制类”化学实验“限制类”实验也就是传统高中化学实验中的几类特殊性实验，即毒性和危险性实验难以做，微观性实验不好做，误差性实验做不好，时间周期类实验不易表现。由于“限制类”化学实验内容涵盖了几乎高中化学阶段的所有重难点内容，如何让学生体会到化学的神奇，感受到亲自动手实验的魅力，加深对知识的理解和深化，借助虚拟实验仿真技术尤为重要。二、高中化学虚拟仿真实验的优势（一）实验成本低虚拟仿真实验具有节约人力、物力和时间成本的优势。虚拟仿真实验并不需要搭建专门的实验室，不需要进行烦琐的实验各种器具、原材料的购买和制备，实验中所用到的所有元素都是可重复使用的，实验软件的定时更新性，也使学生在不断的学习过程中，能体验到更多样、更优秀、更精彩的实验乐趣。（二）可重复性强虚拟仿真实验的可重复性主要表现在两个方面，一方面是试错性强。在操作过程中由于步骤或方法的失误而造成的实验不成功，允许学生改进和完善后进行再次甚至多次实验，直至实验成功。另一方面是加强理解力。学生为了提高实验的熟练程度或加深知识点的理解情况，可反复多次进行实验，或者在课下也可以利用线上课程进行进一步的学习。（三）安全性强依托虚拟仿真实验，不仅具有绿色环保的特征，还可以特意将那些由于误操作所带来的危险后果反复展现的形式，甚至让学生亲自体验的形式，提升学生主观上的安全意识。（四）教学实用性强利用虚拟实验技术，打破了传统实验室的壁垒，使实验在时间上更为灵活，同时还摆脱了实验室空间上的限制，将实验随时引进到课堂理论讲授中，教师可以在理论课程讲授的同时进行实验上的同步论证，学生也可以边学习边实验验证。（五）功能体验性强虚拟实验软件在设计层面上具有较好的人机交互性、实用性以及美观性，不仅支持实验的预习、复习、知识点的总结和回顾等诸多功能，还通过设置的情境任务等方式，具有较强的参与性和趣味性，学生易于接受。（六）创新意识强虚拟实验对于学生实验操作持开放性态度，学生不必完全接受课本或辅导书上的方法，根据自己理解可自主进行实验方案的设计改进，就为学生创新思维的发展提供了支持。三、虚拟仿真实验在高中化学实验教学中的应用实践（一）破“危”解“毒”，攻克传统实验“盲点”高中化学“危”“毒”实验的长期缺席，使学生无法切实感受到这些知识领域中化学实验过程中所带来的感性认知和直观体验。例如，在乙醇脱水制作乙烯的实验中，传统课堂体验感较差。利用虚拟实验技术则可以通过学生自主动手选择虚拟实验仪器设备，利用可视化数字技术进行温度精准控制，利用可标识专用收集器皿进行产物的收集，并将高锰酸钾、溴水、品红溶液等试剂对实验产物进行检验的形式，将这种集“危”“毒”各种因素的知识点进行巧妙化解，使学生在保证真实体验感的同时，还极大地提高了实验成功的概率[2]。（二）抓“微”突“本”，解决传统实验“痛”点传统化学实验中，微观实验、反应现象不突出、实验过程周期长以及复杂实验易产生误差的实验等，往往都是实验教学中的“痛”点问题，利用虚拟实验技术则可以既抓微观，又突出本原，有效克服“老大难”问题。1.理论微观实验微观实验由于涉及原子、分子、离子等微观的变化，理论性和抽象性较强，有些学生不能将理论知识与实验现象有机地融合起来。利用虚拟仿真技术可以构建一种具有透视性、全息影像形式的模拟仿真环境，学生可以“第一视角”的形态渗入到物质的内部，融入微观粒子之中，通过亲身式直观的感受，体验实验原理以及实验过程中底层粒子分子、原子、离子间种类、形态、化合价、移动过程和数量、浓度等数据的微观变化过程。例如，传统教学中化学物质的结构部分，需要学生具有较强的逻辑转化和空间思维能力，之前一直是教学难点，学生理解起来有难度，利用虚拟仿真实验，将微观空间，通过构建成色彩各异，全立体、全视角三维模型的形式，并配以“旅游式”的讲解和“轨迹式”的运动，清晰地展示出杂化轨道、空间结构以及晶体的晶胞和相邻原子间距离的计算等复杂的问题，学生通过这种仿佛置身于游戏世界的方式，[3]实现了透过现象看本质的本领，由此可增强学生对抽象问题的理解，降低了难度，全面激发了学生学习化学的热情。2.反应现象不突出类实验在传统实验操作过程中，有些实验现象变化过程非常迅急，且人为不好控制，主体变化就在一瞬间，导致学生很容易忽略实验中的关键点。以氢氧化亚铁的制备实验为例，由于氢氧化亚铁在空气中被氧化的进程非常短，很快就从白色沉淀氧化为灰绿色沉淀，当学生集中注意力观察时，所看到的颜色是灰绿色，并将其误认为是原本的颜色，很容易影响后面的实验探究。利用虚拟实验技术，在虚拟营造的真空无干扰的环境下，学生可以不必担心外界环境所带来的各种干扰因素，直接突出了实验的本原特色，清晰地观察到当氢氧化钠溶液滴入氯化亚铁溶液中时，会产生白色的氢氧化亚铁沉淀的具体过程，[4]突出了实验的重点。3.实验周期长类实验在传统实验中，有些实验化学反应过程较为缓慢，要看到明显的效果往往得按小时甚至以天算，一堂课内很难让学生感受到实验全过程、全周期。例如，以铁的腐蚀试验为例，要从视觉上看到明显的实验效果，课上的时间肯定是不足以支撑的。利用虚拟实验技术，使学生在快速化学反应变化的环境下，加快实验整体的进程，突破时空的限制，使学生观察到试管中铁吸氧腐蚀生锈的全变化过程。4.操作复杂，易产生误差类实验在化学反应的热效应部分，关于中和反应反应热的测定实验中，该实验要求学生操作实验非常熟练并且快速，给学生思考和设计的时间很少，以减少打开瓶塞加入药品时造成热量的损失，减少热量散布到空气环境中造成的热量损失，由于传统环境下热量的缺失不可避免，因此，学生所完成的实验结果与理论上的标准实验结果有一定的差异，而且在这种匆忙的氛围中，学生实验的体验感并不高。在虚拟实验中，学生只需要考虑到实验主体要素是否正确，不必考虑热量损失的影响而带来的误差，有充足的设计与规划时间，甚至在实验不成功后，还可以重新反思，查找问题，再次验证，直至实验顺利完成。（三）培“核”育“才”，全面提升“素养”点《普通高中化学课程标准（2017版）》提出了化学学科核心素养概念，[5]在化学实验中的核心素养主要指信息素养、思维素养、实践素养以及创新素养和社会责任素养。在虚拟实验教学中可以将核心素养有机地融入教学环节中，全面性培育人才。1.信息素养化学虚拟实验教学其实就是学生利用计算机或智能终端平台模拟实验的全过程，学生在实验过程中通过对数字化接口、硬件和软件平台的不断磨合，会极大地提高他们对计算机的信息处理能力，对相关信息的加工和利用能力，并培养他们的信息素养。2.思维素养思维素养是指具备批判性思维、发散性思维、逻辑性思维和创新性思维等多种思维方式和方法。在虚拟仿真实验中，可利用反复实验的优势，教师可提出一些带有反思性的实验问题，通过鼓励学生利用可重复实验的“复盘”去“反推”的方式，开拓其思维的宽度和广度，通过去梳理其内在的逻辑关系、系统关系和内在联系，提高其思维素养。3.实践素养在虚拟仿真实验中，学生可体验到从实验准备、实验设计、实验操作、实验验证、实验回顾总结和实验拓展与展望的“全链路”一体化、全过程、沉浸式实验教学方式，学生在此过程中积累了实践经验，锻炼了实践动手能力，开拓了实践学识，培养了实践素养。4.创新素养在虚拟实验操作平台中，各类实验器材和原料都是独立模块，可以单独调用的，这就破除了传统实验器具和材料的阻碍，使学生具备了在完成常规实验的基础上，能够“突发奇想”式地将实验内容进行延伸，或者将前后节，甚至不同学科的实验组合起来，也许在探寻的过程中会遇到一次次的失败，但就是在这种反复式的改进和完善中，无形中培养了其创新素养的形成。5.社会责任素养在虚拟仿真实验中，对于具有毒性或危险性的实验产生物，教师可以安排成项目式的研讨方案，让学生运用科学环保的方法去处理，并通过实验的形式去验证、判断和对比，学生也会在这种潜移默化中形成社