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华体会平台官网电话:【教学前沿】虚拟仿真实验在初中化学实验教学中的探索与实践

2022-06-08 08:59:50 |来源:hth华体会最新网站 作者:hth华体会网页版

  装备的能量,技术的方向!《中国现代教育装备》杂志是由教育部主管、中国高等教育学会主办,面向国内外公开发行的教育科技类期刊。

  化学是一门以实验为基础的学科,但是实际教学中存在一些问题,会严重影响实验教学的效果。开发并利用虚拟实验来完成初中化学实验教学是一种较成功的改进实验教学效果的尝试,也是对实验操作很好的补充。系统介绍了虚拟仿真实验的优势,并通过课例《金属资源的利用和保护》对如何在初中课堂利用虚拟仿真技术进行了简单的介绍,最后指出了虚拟仿真实验的发展方向和问题。

  化学是一门以实验为基础的学科。在中学教学过程中开展实验教学对于激发学生的学习兴趣、促使学生主动学习有着显而易见的作用。但现实中,实验教学存在实验时间过长、不方便在课上进行观察,实验具有危险性、不适宜进行演示实验或学生实验等困难,严重影响实验教学的效果。如果能够有效地融合真实实验和虚拟实验,就可以极大地提高课堂教学效果。

  教育信息化2.0强调要持续推动信息技术与教育教学深度融合,将信息技术全面和创新地应用于各学科。虚拟化学实验是利用多媒体、网络、计算机等信息技术设备构建虚拟的实验环境,再利用仿真软件设计和模拟实验场景,学生遂能借其体验接近真实的实验过程。虚拟仿真实验也具有如下一些优势(见表1),在很多实验的应用上得到了非常好的体现。

  学生已经学习了金属材料和金属的一些化学性质,本节课针对金属资源的利用和保护,重点讨论了金属的冶炼和探究金属的腐蚀条件。通过本节课的学习,学生将了解金属的冶炼特别是炼铁的基本原理,探究铁生锈的条件,了解防止铁生锈的原理和方法,进一步发展实验探究的能力和意识。通过分析实验过程中的各种问题,发展学生全面分析问题的能力以及科学严谨的实验态度。

  (1)通过学习金属冶炼的原理和铁生锈的条件,发展从化学变化的视角观察生活、生产过程的意识,培养变化观念与平衡思想的学科核心素养。

  (2)通过完成虚拟实验,帮助学生体验具有一定危险性的实验以及需要时间较长的实验,学生可以在自主设计、完成实验的过程中体会实验的真实过程,感受实验操作的对错对实验成败的直接影响,培养实验探究与创新意识的学科核心素养。

  (3)通过对金属冶炼、金属的腐蚀和防腐的讨论,帮助学生感受化学学习对生活的影响、对生产实际的指导,培养学生科学态度与社会责任的学科核心素养。

  导入:请学生利用虚拟实验室提供的实验材料设计并完成一氧化碳和氧化铁的实验过程。明确实验步骤,若实验出现问题,请思考出现问题的原因(见图1)。

  学生自主完成实验,在实验的过程中如果出现操作上的错误或者步骤上的混乱,都会即时出现提示或者相应的虚拟后果(如试管炸裂、液体倒吸等),学生可重新进行实验,并加深对实验操作和原理的认识(虚拟实验情况见表2)。

  设计意图:通过虚拟实验,帮助学生体验具有一定危险性的实验,学生在自主设计、完成实验的过程中体会实验的真实过程。通过分析实验过程中的基本步骤和实验顺序,感受实验操作对错对实验成败的直接影响,培养学生对实验探究的学科核心素养。

  导入:请学生利用虚拟实验室提供的实验材料设计并完成探究铁的生锈条件的实验过程(见图2)。明确实验步骤,完整记录实验现象,经过思考,得出实验结论。在实验过程中通过提示来规范学生的操作,例如水是否需要盖过铁钉、放入铁钉时试管是否需平放的提示等。

  学生活动:利用虚拟实验室完成铁生锈条件的探究实验,以表格的形式记录实验现象(见表3),并分析得出实验结论。

  教师向学生展示真实条件下的实验结果,引导学生去发现异常现象:发现有一个和虚拟实验不一样的实验现象,即只与蒸馏水接触的铁钉也生锈了,请大家分析原因。

  学生得出可能是因为蒸馏水中仍混有一些氧气而造成的异常现象,并提出改进实验的意见:用经煮沸并迅速冷却的蒸馏水完成实验,并在蒸馏水的表面迅速覆盖一层植物油以隔绝氧气。

  设计意图:通过虚拟实验,帮助学生在短时间内完成需要长时间进行的实验,并利用上课时间集中体会实验的真实过程;通过对实验异常现象进行分析和改进,培养学生尊重实验现象、勤于思考的学科素养。

  CO还原Fe2O3的实验原理是初中化学非常重要的一个内容,但是因为CO具有毒性且在反应过程中容易发生爆炸等危险情况,因此在大多数的初中课堂上都无法进行学生分组实验或者是教师演示实验。在加深学生的学习印象,特别是感受错误的实验操作对实验结果的直接影响等方面,利用虚拟实验软件对该实验进行模拟具有重要意义。学生可以利用软件独立探究CO和Fe2O3的反应,并在安全的环境下体会错误带来的后果,这对学生的冲击是巨大的,能培养学生科学探究的学科核心素养。

  铁制品锈蚀的条件探究是初中非常重要的实验之一,它对于培养学生自主进行科学探究的能力,设计对比实验,体会控制变量的思想提供了很好的素材。但是由于铁锈蚀需要的时间大约为一周,时间较长,无法在一节课堂上完整展现,因此可利用虚拟实验来实现减短时间和增强效果的作用。

  随着互联网技术的飞速发展,特别是5G技术的应用逐渐普及,将虚拟仿真实验发展成为具有远程互动性的教学工具逐渐成为教师关注和努力的方向,而利用VR技术开发出更真实、更直观的虚拟仿真实验,也是值得探索的方面。但虚拟仿真实验也存在着一些必须解决的问题。

  第一,在使用过程中,如何让操作更具人性化,以便让学生在短时间内掌握操作的技能和规范,让学生将关注点放在实验原理和过程上,是一个必须解决的问题。

  第二,教师在设计虚拟实验时,一方面要考虑实验目的,结合不同的实验目的安排不同的实验步骤及辅助内容。另一方面要保证实验现象的真实、准确,不能出现科学性错误。这就要求一线教师参与到软件和程序的开发过程中。具体开发流程为:一线教师根据实际需求选定实验课题→一线教师根据模板完成程序脚本的撰写→一线教师与技术研发者相互沟通,完成软件的初级开发→一线教师对软件进行试用,提出反馈意见→技术研发人员进行软件的完善和修正→一线教师进行实际应用,不断与研发人员讨论并改进。

  第三,不能用虚拟仿真实验完全代替真实的化学实验,走进化学实验室仍然是进行实验教学的主要形式和手段,虚拟仿真技术只能作为一种非常好的补充手段。

  第四,在对微观实验进行虚拟仿真的过程中,要慎重进行尝试,不能一味地用模型表示微观粒子,这样对培养学生的宏微结合能力具有一定的负面作用,学生将不能准确地认识微粒的“质量轻、体积小”“不断运动”等性质。

  [1]张学军,王阿习.虚拟实验与真实实验整合的进一步探讨:以初中化学“实验室制取氢气”一课为例[J].现代教育技术,2011(2):132-135.

  [2]朱世根,华杰.NOBOOK虚拟实验在初中化学教学中的应用:以“一氧化碳的性质”教学设计为例[J].广东化工,2019(21):182-185.

  [3]朱敏.基于初中化学虚拟实验平台的虚拟实验教学设计与应用研究[D].兰州:西北师范大学,2013.

  [4]张学军,梁相梅.基于初中化学虚拟实验的“双案”教学设计[J].现代教育技术,2012(1):113-118.