基于虚拟实验室的中学化学实验教学创新研究

来源:用户上传      作者:王文 何盼 占小红

　　摘要：为更加系统、精细地利用虚拟实验室实现中学化学实验教学创新，充分考虑虚拟实验室技术的功能特点与实验教学的价值，建立适合于探讨利用技术开展创新实践的实验教学分类，即认知型实验教学、操作型实验教学和设计型实验教学，并从课题创设、内容设计或活动开展角度展开基于虚拟实验室的实验教学创新策略的研究。
　　关键词：虚拟实验室；化学实验教学；实验分类；教学创新
　　文章编号：1008-0546（2023）03-0082-07 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
　　doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.03.018
　　虚拟实验室是20世纪末逐渐发展起来的一项利用计算机技术、虚拟现实技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统，是目前备受期待的教育技术之一。[1]将虚拟实验室技术应用于中学化学实验教学，学生能自由灵活地操作仪器和药品，相比于实际化学实验教学，具有能突破药品、仪器、设备等实验环境条件限制、压缩实验时间、消除实验危险性和污染性的优势。[2]
　　目前利用虚拟实验室改变中学化学实验教学方式的研究多为基于虚拟实验室功能的应用研究，如利用虚拟实验室的功能进行案例设计、教学实践和效果考察[3]等。但在实际使用虚拟实验室教学的过程中，由于许多中学化学实验的原理、操作或现象具有复杂性，[4]如有机实验中常包含较多的内容分支，涉及繁琐的实验操作与现象呈现，需要综合、多元地调用虚拟实验室的功能才能完成实验教学。在这样的背景下，基于虚拟实验室的功能开展的应用研究便会出现缺乏精细化和系统性的弊端，这类研究虽能指引我们了解到虚拟实验室的某一功能在教学上的优势，但没有切实针对某一化学实验的特点，给出系统地调用虚拟实验室功能和资源的策略指导，有时甚至还会导致教师进入“为了用而用”的误区，致使对虚拟实验室应用的水平整体不高。因此我们需要立足化学实验的复杂性，从中学化学实验教学分类的角度出发，根据虚拟实验室技术的功能及实验教学的价值，建立适合于探讨利用技术开展创新实践的实验教学分类，细致地探讨每种分类下虚拟实验室技术在化学实验教学中的应用，才能更好地发挥技术的作用，促进实验教学创新的精细化和实效化。
　　一、虚拟实验室及其功能分析
　　1.虚拟实验室概述
　　按照实现技术的不同，虚拟实验室可分为两大类。[5]第一类是以纯软件的方式实现，是一套基于普通计算机的小型桌面虚拟现实系统，用户仅需下载软件或通过网页在线访问即可完成实验。第二类虚拟实验室是以软硬件结合的方式实现，它采用的封闭的场景和音响系统将用户的视听觉和外界隔离，使用户完全置身于计算机生成的环境中，用户需要佩戴头盔、数据手套等硬件才能完成实验。第二类虚拟实验室沉浸度虽更高，但系统造价昂贵且技术要求极高，相比起来第一类结构简单，易于推广使用，更适合应用于中学化学实验教学中。由此，本研究基于第一类纯软件类型的虚拟实验室进行中学化学实验教学创新。
　　纯软件方式实现的虚拟实验室根据空间维度的不同又可分为2D 虚拟实验室和3D 虚拟实验室两种。2D 实验室即在平面上完成各项实验操作，交互环境相比3D较为简陋，但可以随意使用仓库中的所有仪器药品，可操作性较强。如广受美国高中化学教师喜爱的 ChemCollective虚拟实验室，即为2D虚拟实验室的一种，它的实验室操作界面如图1所示，左侧为仓库，包括各类实验药品和仪器，如盐酸、氢氧化钠溶液、酒精灯等等，右侧为实验台，用户通过鼠标点击、拖拽等方式在实验台上填装药品、搭建装置、进行实验。
　　3D虚拟实验室环境更为逼真，它可以全方位、全角度地展示器材，在立体空间内对一些物质进行移动、缩放、旋转等操作，更大程度上还原真实实验过程，学生的交互感更强，更易沉浸其中。如图2即为一款3D 虚拟实验室的界面图。但因为3D 虚拟实验室开发难度较大，技术要求更高，市面上现有开放的3D 虚拟实验室并不多。
　　2.虚拟实验室功能分析
　　现有研究对虚拟实验室的功能介绍主要从其自身角度出发，为了使虚拟实验室在中学化学实验教学中发挥更大价值，需要从化学实验教学的需要视角审视虚拟实验室技术的功能特点。实验现象、实验操作是实验教学中两大核心要素，虚拟实验室技术的特有功能为传统实验教学在实验现象展示、实验操作处理方面都带来了新的突破。
　　在实验现象展示方面，虚拟实验室能够模拟中学化学实验中除气味外几乎所有物理特性。在虚拟实验台上调出药品，即可展示出它们的形貌、颜色、状态等，用鼠标点击试剂，即可在信息栏中看到其温度、浓度、体积、所含离子及离子浓度、pH 等信息。虚拟实验室可以展现出真实化学反应过程中丰富的实验现象，如颜色变化、电流变化、沉淀生成等等，还可以对物质进行缩放旋转、全方位观察。尤为一提的是，虚拟实验室还可以模拟传统实验中肉眼观察不到的微观变化和能量变化过程，使得学生可以在宏观与微观两个层面上更深入地探寻知识本质，促进对知识的理解。
　　在实验操作处理方面，虚拟实验室除了可以提供中学化学实验中无尽的各类仪器药品，让学生在实验台上实现取用、配制、搭建装置等等常规实验操作，还可以对传统实验操作进行优化，如通过迅速升温、加快滴定速度、加快时间流逝等方式加快实验进程。部分实验室还具有语音提示、错误操作提醒、打分等功能，允许学生进行错误操作尝试，在W生得到错误的实验结果后虚拟实验室会通过语音提示指出错误原因，并且在整个实验结束后展示实验得分和扣分点，以此让学生更清晰地了解到实验操作细节和注意事项。
　　此外，虚拟实验室取之不尽用之不竭的开放资源库使得学生可以在实验课后反复练习，没有空间地域限制，没有危险顾虑，学生无需教师监管，便可随意大胆地在虚拟实验室中进行实验演练、创造。上述虚拟实验室的功能特性有效解决了当下实验教学中材料成本高、准备时间久、课堂效率低等问题，适宜在中学化学实验教学中加以利用。

　　二、虚拟实验室支持下的不同类型化学实验教学创新
　　通过对已有文献的查阅，发现学者们目前对中学化学实验教学的分类主要包括以下几种：根据操作主体是教师或学生分为教师演示实验教学、学生分组实验教学、师生互动实验教学；[6]根据实验项目分为基础技能实验教学、性质验证实验教学、表征分析实验教学、基础合成实验教学、专业训练实验教学、创新训练实验教学；[7]根据技能J知目标分为体验型实验教学、应用型实验教学、创新型实验教学；[8]根据促进学生发展的功能分为形成性实验教学、操作性实验教学、探究性实验教学。虚拟实验室相较于传统实验室，其特有的信息化技术使得化学实验教学的功能有了新的突破，如带来传统实验教学中难以呈现的微观视角或具体到每一个实验操作的细节指导等；化学实验教学的功能或目的在于使学生理解实验蕴含的化学原理、掌握完成实验所需的化学技能以及进一步培养学生的创新能力。本研究充分考虑虚拟实验室技术的功能特点与实验教学的价值，建立适合于探讨利用技术开展创新实践的实验教学分类，并展开实验教学创新策略的研究。
　　1.虚实结合，感知“微”“能”变化――认知型实验教学
　　认知型实验教学是学生从直观的实验现象中获得正确、全面的化学概念认知的教学过程，其“重感知，旨在形成化学概念的认知”。认知型实验教学过程中学生自主实验或教师演示实验，学生着重对实验现象进行观察，通过感受实验现象中物质的某种特性或变化，形成对该现象的正确认知，最终转化形成化学概念。但在此教学过程中，传统实验无法呈现反应过程中的微观变化与能量变化，教师仅能通过板书或播放动画等形式替代讲解，不能将微观或能量变化与宏观现象直观地联系起来，使得学生理解知识时存在一定困难。
　　虚拟实验室的引入可以让认知型实验教学在实验课题创设和教学内容设计方面实现创新。在实验课题创设上，传统实验教学只能让学生观察到宏观实验现象，实验课题也只能局限于宏观层面。而虚拟实验室在模拟出丰富宏观实验现象的基础上，还能展现反应中的微观变化和能量变化，使学生对反应原理和规律形成深入理解。因此引入虚拟实验室的认知型实验教学可以创设一些包含化学反应的微观变化和能量变化规律认知的实验课题，如化学键形成、化学反应中的热效应等。
　　同样，在认知型实验教学的内容设计方面，相应地，在上述以微观变化和能量变化为主题的实验活动中，可以利用虚拟实验室精细设计反应微观变化和能量变化的内容，如在讲解反应热与焓变知识时，在开展一些带领学生感受反应吸热放热、测定中和热的实验活动的基础上，还可以利用虚拟实验室增加对反应物、生成物能量模拟的实验，如图3所示，让学生将代表反应物和生成物的能量球放在能量模型中不同高低的位置，结合虚拟实验室模拟的动态能量变化曲线，更深入地理解ΔH 这一概念。
　　此类基于虚拟实验室探索反应微观本质或能量变化规律的认知型实验活动的教学组织，强调对微观本质或能量变化规律的直观现象观察和对应的宏观现象观察的结合，这样学生可以由宏观出发，产生对微观变化或能量变化的猜想或推理，并通过直观的模拟现象的观察得以验证或修正。为此，该类实验通常以虚实结合，即真实实验（教师真实演示实验）和虚拟实验（虚拟实验室实验）结合的策略开展认知型实验教学。在具体的实验教学过程中，第一个环节进行真实的教师演示实验，以讲解人教版必修二化学反应与电能关系的知识时，教材建议进行的铜锌原电池实验为例，该实验是学生首次接触原电池知识，并且由于实际实验装置效率较低，会出现锌片上也产生气泡的非理想情况现象，若直接在此处进行电化学原理讲解，学生往往难以理解。为了让学生更清晰地理解此过程，认知型实验教学的第二个环节，使用虚拟实验室进行虚拟实验。该铜锌原电池虚拟实验模拟了原电池效率最大的情况，规避连接导线后锌片上也产生气泡的现象，并且将肉眼看不到的微观物质，如电子、离子以特定符号的形式呈现，如图4所示，将Zn2+、 SO H+、电子用标记有化学符号的小球表示，呈现出动态的电子转移过程：锌片失去电子变成锌离子，失去的电子经过导线传到铜片一侧，溶液中的氢离子得到该电子变成氢气。虚拟实验直观地呈现了反应的微观实质，极大地促进了学生对原电池知识的消化。此外，虚拟实验室对于该实验还加快了锌片的腐蚀效率，使学生可以迅速观察到锌片大量溶解，对实验现象印象更深刻。形成型实验教学的最后环节，教师要比较说明真实实验与虚拟实验差异的原因，对整个实验蕴含的化学原理进行总结梳理，确保学生形成正确认知。
　　2.大胆试错，操作监督强化――操作型实验教学
　　操作型实验教学是学生在教师讲解完实验基本知识后，自行使用实验仪器和药品，搭建装置启动实验，记录实验现象，形成并分析实验结论的教学过程。操作型实验教学要“重操作，旨在强化实验方法的训练”，这一过程中“操作”训练格外重要，通过让学生学会组装仪器、理清实验操作逻辑、规范实验操作细节，进而使学生的实验方法得到训练、实验素养得以提升。但传统操作型实验教学过程中，为保护学生人身安全，教师常会“束缚”学生的一些操作尝试，这不利于学生创新精神及批判性思维的培养；并且由于课堂学生过多，教师无法为每一位学生提供细致的监督指导，学生的一些操作陋习可能迟迟得不到纠正。
　　虚拟实验室的引入可以让操作型实验教学的实验课题和教学内容拥有传统实验无法实现的设计。在实验课题创设上，传统实验教学往往只引导学生实现正确的实验操作步骤，尤其考虑到在真实条件下进行错误操作会因反应现象剧烈甚至实验仪器爆炸等对学生造成伤害，以及如有机合成中错误操作会生成大量副产物，浪费药品且伴随未知风险，故传统操作型实验教学的课题往往是某一溶液的配制、某一物质的制备等。但这种直指正确实验操作、回避实验“意外”结果的实验课题不利于学生批判性思维的培养，学生会认为实验就应该那样做，而忽略对更改某一实验细节是否会得到完全不同的实验结果的思考，创新能力也没能得到良好提升。虚拟实验室显然可以规避上述风险或资源浪费，引入虚拟实验室的操作型实验教学可以创设一些非理想情况的实验课题，从批判性的角度、考虑实验错误操作带来的后果的角度创设实验课题，如将浓硫酸稀释实验变为“浓硫酸稀释正确与错误操作结果对比”，将乙炔的制备实验变为“乙炔制备时除杂与否带来的现象差异”，将乙酸乙酯的制备延伸为“乙酸乙酯制备中何时有副产物生成？”等等。

　　在操作型实验教学的内容设计方面，虚拟实验室的AI语音助手、对学生错误操作的允许及错误操作后的“惨烈”后果提醒、实验打分功能是其相比传统实验教学的一大优势，因此我们可以充分发挥虚拟实验室的这些功能，来优化涉及多个环节、操作较为复杂、存在关键易错点的实验，以及用到有毒有害的有机试剂、存在一定危险的实验的教学。如在苯的溴代反应、苯的硝化反应、石油的分馏等验教学中就可以让学生在虚拟实验室中预习或直接虚拟实验代替传统实验，利用虚拟实验室平台的监测功能，使学生的每一步实验操作都得到认可或指正。
　　此类基于虚拟实验室的操作型实验活动的教学组织，强调学生亲自实践，并通过教师提示或自身反思总结实验操作中的问题，最后再进行操作以加强感受和加深印象。在具体的教学组织中，首先，让学生自行实验。以人教版高中化学选择性必修三“烯烃炔烃”中乙炔的化学性质实验为例，教师在讲解完乙炔的结构后，请学生使用虚拟实验室验证：乙炔可以像乙烯一样发生氧化反应和加成反应吗？学生按照教材的提示自行使用仪器药品、搭建装置、进行实验。这一过程中，教师不要讲解实验的关键点和关键细节，让学生大胆尝试。学生完成实验后，虚拟实验室会对实验结果进行反馈，给出实验得分并告知学生扣分原因。接着，教师结合学生失误点，讲述实验要点。如乙炔的化学性质实验中学生往往会未打开分液漏斗活塞就拧开分液漏斗旋塞进行滴液，将使用后的导管直接放在实验台上，以及忽略将使用完的试剂瓶放回原处等细节，在传统实验教学中往往一个教师监管多名学生，教师精力不够，学生的这些失误常被忽略，而虚拟实验室平台的全程监测可以很好地解决这一问题。此外，实验过程中学生若忘记搭建除杂装置，虚拟实验室不会立刻阻止学生，而是在整个实验装置搭建完毕，正式开始实验，生成的乙炔通入后续溶液时才跳出错误提示，告知学生制得的乙炔不纯，要检查装置重新实验。这种呈现的时机给予了学生对实验装置的思考空间，并加深学生对错误操作的认知。教师与虚拟实验室的合力让学生对实验操作流程、细节更深刻地掌握。最后，学生再次实验。虚拟实验室因其操作简便和能加快反应进程，可以大大节约时间，因此允许学生在课堂上结合前次的错误原因，改进实验操作，重新实验，直至最后得到满分。乙炔的化学性质实验装置图及实验得分如图5所示。
　　3.资源无限，课题创设优化――设计型实验教学
　　设计型实验教学是指学生在教师创设的实验情境下，即教师给定实验课题和实验目的，学生利用已有化学知识或查阅其他资料，以独立自主或小组讨论的形式设计并实施实验方案，最后分析总结实验结果的教学过程。设计型实验教学要“重设计，旨在推动创新能力的提升”，此种教学是对学生能否灵活运用化学基础知识和基本实验技能的考验，学生在该过程中要大胆设计、敢于尝试、以求突破，对实验不断涌出新想法的过程正是对学生创新能力的培养，因此教师要充分调动学生的主动性做“设计”，激发学生潜能。但由于学校实际实验资源、化学课时的局促，限制了设计型实验教学的开设内容与次数，教师、学生空有好想法却无法实施。
　　虚拟实验室开放、无限的实验资源，灵活、自主的实验方式可以为设计型实验教学在实验课题开发、教学内容设计和活动开展方面均带来创新空间。在设计型实验教学的实验课题开发和教学内容设计方面，传统实验教学常因实验仪器、药品资源不足，准备实验材料时间过长等受到局限，而虚拟实验室的线上资源库可以很好地克服这一困难。教师可以利用虚拟实验室中的资源，从对实验仪器的拓展和对教材实验方法的生活化应用两个角度构建设计型实验课题及其具体教学内容。第一，对实验仪器的拓展，利用虚拟实验室向学生展示现代化的仪器如氧弹量热仪、电化学工作站等，引导学生根据这些仪器的功能对教材某一实验的原有实验方案进行改进，以期优化达成该实验的实验目标的路径，教学最后还可以引导学生比较使用新仪器后的结果与原有实验的不同。第二，对教材实验方法的生活化应用，在虚拟实验室中运用教材讲述的物质检测等方法对一系列生活中常见物质进行迁移应用，巩固学生对实验方法的掌握，并进一步激发学生学习化学的兴趣。
　　在设计型实验教学的活动开展方面，传统实验教学中因条件、时间、安全性等因素的限制，学生自主设计实验方案的环节只能停留在查阅文献、小组讨论、请教老师的层面，而虚拟实验室的引入为学生设计方案的过程提供了试错的机会，学生可以通过虚拟实验室反馈的“报错”“无现象”等结果输出、原因提示和现象呈现对方案不断进行调整、优化和迭代，将设计实验方案的教学活动移步至虚拟实验室中。此外，虚拟实验室还可以允许学生通过不同的电子设备进入同一个虚拟实验台，这就支持学生以小组合作的形式，在同一虚拟实验台上合力取用药品、搭建实验装置、完成实验，避免了组内因分工不同使得一些同学没有实验参与感、交互感的情况发生。
　　此类基于虚拟实验室的设计型实验活动的教学组织，强调学生的主体性，学生要灵活调用各类资源为方案的设计服务，勇于在不断受挫中更新迭代实验方案，推动自身创新能力的提升。具体的教学过程可以按照“创设情境-原理提示-设计方案-方案修订-实施方案-结果总结”的流程开展。例如教师在讲解人教版选择性必修一“水的电离和溶液的pH”时，可以在教材内容基础上增设拓展性实验――滴定检测桃汁中维生素C含量，开展设计型实验教学。教师先创设情境，介绍维生素C美白、延缓衰老等的作用，激发学生对桃汁中维生素C含量测定的兴趣；接着给出原理提示：维生素C可以和单质碘反应；单质碘易升华，实验中用到单质碘时一般由碘酸钾与碘化钾在酸性条件下反应现制备；淀粉遇碘变蓝等。至此，学生开始灵活调用各种资源设计实验方案，在本课题下学生经常会忽视加盐酸使体系呈酸性，对哪些溶液放在滴定管、哪些溶液放在锥形瓶一筹莫展，以及搞不清各种溶液浓度、体积的比例，这些问题可以都通过小组讨论的形式、或在虚拟实验室和教师的帮助下解决。方案修订完成后，学生在虚拟实验室进行对桃汁中维生素C含量的定量检测，并对实验结果进行总结。滴定检测桃汁中维生素 C含量虚拟实验滴定过程及滴定终点的实验现象如图6所示。

　　三、总结与展望
　　作为目前最受期待的教育技术之一，虚拟实验室具有应用于中学化学课堂的巨大潜力。本研究充分考虑虚拟实验室技术的功能特点与实验教学的价值，建立适合于探讨利用技术开展创新实践的中学化学实验教学分类，即认知型实验教学、操作型实验教学和设计型实验教学，并从课题创设、内容设计或活动开展角度展开基于虚拟实验室的实验教学创新策略的研究。
　　研究发现，认知型实验教学中，要充分发挥虚拟实验室能够呈现反应微观变化和能量变化的优点，以真实实验（教师真实演示实验）和虚拟实验（虚拟实验室实验）结合的策略促进学生对化学概念的认知。操作型实验教学中，可以利用虚拟实验室创设批判性的、允许错误操作发生的实验课题，优化繁琐、有毒的实验，并以学生先亲自实践，教师提示或自身反思总结实验操作中的问题，最后再进行操作加强感受和加深印象的策略开展教学组织，通过教师与虚拟实验室的合力让学生对实验操作流程、细节更深刻地掌握。设计型实验教学中，利用虚拟实验室的资源，从对实验仪器的拓展和对教材实验方法的生活化应用两个角度来创设实验课题及其具体内容，以鼓励学生在虚拟实验室中试错、修改、完成实验方案的策略，使学生的创新能力得到提升。虚拟实验室引入后对实验教学内容和活动形式的同步创新，更有助于学生设计方案本领的提升，更大限度地激发出创新潜能。
　　但由于技术方面的限制，虚拟实验室如今在教学方面的使用还有一些遗憾，比如没有气味，部分实验会存在颜色失真、操作有失规范的情况，希望随着科技的发展，这些遗憾可以尽早解决，未来虚拟实验室能够在中学化学实验教学中得到更广泛的应用。
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