毛芳芳，劉夢琴，唐 清，駱雅麗

(1.衡陽師范學(xué)院，湖南 衡陽 421008；2.衡陽市成章實驗中學(xué)，湖南 衡陽 421008)

虛擬實驗在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

毛芳芳1，劉夢琴1，唐 清2，駱雅麗1

(1.衡陽師范學(xué)院，湖南 衡陽 421008；2.衡陽市成章實驗中學(xué)，湖南 衡陽 421008)

虛擬實驗是將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和化學(xué)實驗結(jié)合起來，在計算機上創(chuàng)建的一種虛擬實驗環(huán)境，是對化學(xué)實驗操作環(huán)境的一種模仿，與真實的化學(xué)實驗相比，能夠節(jié)省教學(xué)經(jīng)費、避免實驗操作的失誤和實驗對學(xué)生或環(huán)境造成的傷害。本文從化學(xué)藥品、實驗的成功率及實驗安全性等三方面著手，選取二氧化氮與四氧化二氮的轉(zhuǎn)化、水的電解和鋁熱反應(yīng)三個實驗進(jìn)行分析，與真實的化學(xué)實驗對比，體現(xiàn)虛擬實驗在化學(xué)教學(xué)中的作用。

虛擬實驗；化學(xué)；實驗教學(xué)

1 前言

1.1 虛擬實驗提出的背景

(1)新課改的要求

新課程改革以提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為主旨，幫助學(xué)生了解科學(xué)探究的過程和方法，發(fā)展科學(xué)探究能力?；瘜W(xué)實驗是進(jìn)行科學(xué)探究的重要方式，良好的的化學(xué)實驗技能是學(xué)習(xí)化學(xué)和進(jìn)行探究活動的基礎(chǔ)和保證。

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中強調(diào)化學(xué)實驗應(yīng)高度關(guān)注安全問題，避免污染環(huán)境。虛擬實驗的操作環(huán)境是對現(xiàn)實環(huán)境的模擬，并非真實存在，因此，不會對環(huán)境造成污染。《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中要求了教師在課堂上應(yīng)該充分利用網(wǎng)絡(luò)信息資源。虛擬化學(xué)實驗正是現(xiàn)代科學(xué)信息技術(shù)和化學(xué)實驗的結(jié)合，既符合了《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》對信息技術(shù)的要求，又體現(xiàn)了對化學(xué)實驗的重視[1]。

(2)虛擬實驗發(fā)展的要求

虛擬實驗作為一門新型發(fā)展學(xué)科，起步較晚，但憑借著自身的優(yōu)點已經(jīng)取得了較好的發(fā)展成果。目前，虛擬實驗已經(jīng)應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、物理領(lǐng)域和化學(xué)教學(xué)領(lǐng)域等。實驗教學(xué)是課堂教學(xué)中至關(guān)重要的一部分，有些化學(xué)實驗由于外界環(huán)境和實驗本身的因素，在課堂上難以開展，將虛擬實驗適當(dāng)?shù)剡\用到化學(xué)教學(xué)方面，不僅能夠有效地解決化學(xué)教學(xué)中許多難題，而且能更好地完善虛擬實驗自身的發(fā)展。

(3)化學(xué)學(xué)科的內(nèi)在要求

化學(xué)是一門抽象的學(xué)科，像分子等抽象的化學(xué)概念學(xué)生往往難以理解，只能憑借想象力在頭腦中臆想這些概念?，F(xiàn)在，信息技術(shù)越來越成熟，抽象的化學(xué)概念不再需要靠想象來理解，教師可以利用虛擬實驗平臺將抽象的化學(xué)概念轉(zhuǎn)化為比較具體的形式，使學(xué)生更加直觀地去學(xué)習(xí)。例如，在虛擬實驗平臺上將原子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為具體的模型，使學(xué)生清楚地了解原子結(jié)構(gòu)。

1.2 虛擬實驗發(fā)展的歷程

虛擬實驗的發(fā)展經(jīng)歷了以下三個過程：思維模型階段，最原始的階段，根據(jù)真實實驗的原理和現(xiàn)象，在頭腦中想象與真實實驗相關(guān)的模型；計算機仿真階段，二十世紀(jì)六十年代到二十世紀(jì)八十年代這一段時間內(nèi)，采用數(shù)學(xué)模型并結(jié)合現(xiàn)實情況，在計算機上對實驗對象進(jìn)行信息加工、處理的過程；虛擬現(xiàn)實階段，從二十世紀(jì)八十年代到現(xiàn)在，通過使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對整個環(huán)境進(jìn)行模擬，在計算機上創(chuàng)建與真實實驗相似的實驗界面，在該界面上可以進(jìn)行實驗[2]。

虛擬實驗經(jīng)歷了較曲折的發(fā)展過程，先從比較抽象的思維模型階段到計算機仿真階段再到比較直觀、真實的虛擬現(xiàn)實階段。在這個發(fā)展過程中，信息技術(shù)的發(fā)展給虛擬實驗的發(fā)展帶來了很多便利。

1.3 虛擬實驗的內(nèi)涵

現(xiàn)代漢語詞典中"虛擬"是指不符合或不一定符合事實的虛擬的情況，憑想象編造的事物，由高科技術(shù)實現(xiàn)的仿實物或偽實物的技術(shù)。虛擬實驗是將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和化學(xué)實驗結(jié)合起來，在計算機上創(chuàng)建的一種虛擬實驗環(huán)境。虛擬實驗是虛擬的，是對實驗操作環(huán)境的一種模擬。虛擬實驗注重實驗結(jié)果的真實性，實驗結(jié)果和真實實驗的結(jié)果一樣甚至更好，因此，用虛擬實驗代替部分在課堂中無法實現(xiàn)或者存在危險的實驗，是可取的[3]。

2 虛擬實驗在化學(xué)教學(xué)中的實踐探討

為了探討虛擬實驗在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的作用，本文選取NO2與N2O4的轉(zhuǎn)化、水的電解和鋁熱反應(yīng)等三個實驗開展實踐研究。傳統(tǒng)演示實驗為人教版(化學(xué))課本中所列實驗，文中不詳細(xì)描述，虛擬實驗在某網(wǎng)站虛擬實驗平臺中心下載操作。

2.1 NO2與N2O4的轉(zhuǎn)化

《NO2與N2O4的轉(zhuǎn)化》實驗選自人教版化學(xué)(選修四)，通過實驗，使學(xué)生掌握溫度對化學(xué)平衡的影響。NO2與N2O4的轉(zhuǎn)化為放熱反應(yīng)，加熱又會使反應(yīng)向生成NO2的方向移動，因此，實際操作過程中很難控制反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行。

2.1．1 虛擬實驗

①在器材區(qū)點擊選取器材，裝有NO2的圓底燒瓶、裝有N2O4的圓底燒瓶、燒杯、冷水、帶孔橡皮塞、直角玻璃管和橡皮管，如圖1。

②點擊直角玻璃管，放到實驗臺上。點擊橡皮塞，將直角玻璃管與橡皮塞組裝起來。點擊橡皮管，點擊組裝好了的直角玻璃管，用橡皮管將兩個直角玻璃管連接起來。點擊裝有NO2氣體的圓底燒瓶，將其放在實驗臺上。點擊裝有N2O4氣體的圓底燒瓶，并將其拖至實驗臺上。點擊已經(jīng)組裝好了的直角玻璃管裝置，將其與裝有NO2氣體的圓底燒瓶、裝有N2O4氣體的圓底燒瓶組裝成一個封閉的實驗裝置，如圖2。

③分別點擊兩個燒杯，將燒杯都拖至實驗臺上。點擊冷、熱水，加入到兩個燒杯中。點擊已經(jīng)組裝好了的氣體平衡裝置，將兩個圓底燒瓶分別放置在裝有冷水和熱水的燒杯中。觀察實驗現(xiàn)象，如圖3。點擊已經(jīng)組裝好了的氣體平衡裝置，將裝置移出燒杯。一段時間后，觀察實驗現(xiàn)象，如圖4。

圖1 實驗器材示意圖

圖2 實驗裝置示意圖

圖3 實驗現(xiàn)象示意圖

圖4 實驗現(xiàn)象示意圖

2.1．2 傳統(tǒng)演示實驗與虛擬實驗對比

NO2氣體是造成酸雨的主要氣體之一，如果學(xué)生在組裝實驗裝置時速度不夠快，將會有NO2氣體逸出，對環(huán)境會造成污染。N2O4氣體有劇毒，工業(yè)上很難制備純的N2O4。在虛擬實驗中，所有使用到的化學(xué)試劑、藥品都是虛擬的，既不用擔(dān)心NO2氣體會逸出來對環(huán)境造成污染，也不用擔(dān)心學(xué)生會因操作不當(dāng)而出現(xiàn)N2O4氣體中毒，更不用擔(dān)心怎樣才能得到純的N2O4氣體。實驗后，通過訪談來了解學(xué)生對虛擬實驗的看法，變化多端的界面對學(xué)生具有很強的吸引力，能夠更好的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，在課堂上使用虛擬實驗進(jìn)行實驗教學(xué)既可以減少化學(xué)藥品和試劑的使用，避免對人體和環(huán)境造成傷害，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.2 電解水的實驗

《水的電解》實驗選自人教版九年級化學(xué)上冊，該實驗是初中化學(xué)的一個重點，通過實驗引導(dǎo)學(xué)生掌握電解水的原理以及相關(guān)實驗方程式的書寫，可以使學(xué)生意識到物質(zhì)的化學(xué)組成必須通過嚴(yán)格的實驗操作和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S推導(dǎo)才能夠推算出來，并不能夠無依據(jù)的猜想。

2.2.1 虛擬實驗

(1)在器材區(qū)點擊選取器材：霍夫曼電解裝置、小試管、鉑電極、低壓直流電源、導(dǎo)線、火柴、小木棒、10%硫酸溶液和玻璃片，如圖5。

圖5 電解水的實驗儀器示意圖

(2)點擊鉑電極，將鉑電極與導(dǎo)線連接。點擊低壓直流電源，將其移至實驗區(qū)。點擊負(fù)極連接按鈕，將其與導(dǎo)線的另一端相連。點擊正極按鈕，將其與另一導(dǎo)線的另一端相連。點擊霍夫曼電解器，將其移至實驗區(qū)。點擊鉑電極，分別將兩個鉑電極塞入到霍夫曼電解器的兩端。點擊霍夫曼電解器的旋鈕，將兩個旋鈕關(guān)閉。點擊10%硫酸溶液，將其移至實驗區(qū)。點擊塞子，將試劑瓶打開。點擊霍夫曼電解器中間的漏斗，將稀硫酸加入。點擊塞子，關(guān)閉試劑瓶，將其移至器材區(qū)。點擊電源開關(guān)，可以觀察到兩極有氣泡產(chǎn)生。一段時間后，點擊關(guān)閉電源?？梢杂^察到與負(fù)極相對應(yīng)的滴定管內(nèi)所產(chǎn)生的氣體體積是與正極相對應(yīng)的滴定管內(nèi)所產(chǎn)生的氣體體積的兩倍，如圖6。

圖6 實驗現(xiàn)象示意圖

(3)點擊小試管，將其移至正極滴定管的正上方。點擊正極滴定管的旋鈕，使氣體轉(zhuǎn)移至小試管內(nèi)。待水面上升至旋鈕處，點擊玻璃片，堵住試管口。點擊另一支小試管，將其移至負(fù)極滴定管的正上方。點擊負(fù)極滴定管的旋鈕，使氣體移至小試管內(nèi)。待水面上升至旋鈕處，點擊玻璃片，堵住試管口。點擊火柴，將其點燃后迅速吹滅，使其帶上火星。點擊帶火星的火柴棍，將其移至正極所對應(yīng)的試管口處?？梢杂^察到火柴棍復(fù)燃，如圖7。點擊火柴，將其點燃。點擊小木棒，將其移至器材區(qū)。點擊點燃的火柴棍，將其移至小木棒旁，點燃小木棒。點擊燃著的小木棒，將其移動到負(fù)極所對應(yīng)的試管口處?？梢杂^察到火焰的顏色由黃色變?yōu)榈{(lán)色，如圖8。

圖7 驗證氧氣

2.2.2 傳統(tǒng)演示實驗與虛擬實驗對比

該實驗的實驗裝置比較復(fù)雜，在現(xiàn)實中比較難以操作。實驗外部環(huán)境的影響和電壓的波動會使正、負(fù)兩極所產(chǎn)生的氣體體積有所變化，與理論值有所不同。因此，在真實的化學(xué)實驗中，并不能正確的分析水的元素組成及比例，導(dǎo)致了該實驗的低成功率。在虛擬實驗中，只要按照提示完成相關(guān)操作，不會存在實驗失敗，得到的結(jié)果往往是較理想的。其次，虛擬實驗的現(xiàn)象比較生動、有趣，界面顏色鮮明，能還能給學(xué)生帶來視覺上的沖擊，吸引學(xué)生的注意。

圖8 驗證氫氣

3.3 鋁熱反應(yīng)

《鋁熱反應(yīng)》實驗選自高中人教版化學(xué)(必修二)，該反應(yīng)需要在高溫條件下進(jìn)行，將單質(zhì)鋁與其它金屬氧化物反應(yīng)生成另一種金屬單質(zhì)和氧化鋁，可用來制備稀有金屬。通過該實驗可以讓學(xué)生充分的了解鋁的相關(guān)性質(zhì)，并掌握鋁熱反應(yīng)的原理及應(yīng)用。

3.3．1 虛擬實驗

①在器材區(qū)點擊選取實驗器材：帶鐵圈的鐵架臺、蒸發(fā)皿、濾紙、剪刀、藥匙、鋁粉、沙子、砂紙、鎂條、坩堝鉗、氧化鐵、酒精燈、氯酸鉀和火柴，如圖9。

圖9 實驗器材示意圖

②點擊鐵架臺，將鐵架臺拖至實驗臺。點擊濾紙，濾紙呈漏斗狀。點擊剪刀，將其中一個濾紙漏斗的底部剪掉，并將其放入到另外一個完整的濾紙漏斗內(nèi)。點擊已經(jīng)制作好的濾紙漏斗，將其拖至鐵架臺的鐵圈內(nèi)。點擊蒸發(fā)皿，將其移至實驗區(qū)。點擊盛有砂子的廣口瓶，將其拖至實驗區(qū)。點擊塞子，打開廣口瓶。點擊藥匙，取出適量的沙子放入蒸發(fā)皿中。點擊塞子，關(guān)閉廣口瓶，將其拉回器材區(qū)。點擊盛有沙子的蒸發(fā)皿，將其移至濾紙漏斗正下方。

③點擊盛有氧化鐵的廣口瓶，將其放置于實驗臺上。點擊塞子，打開廣口瓶。點擊藥匙，取適量的氧化鐵于濾紙上。點擊塞子，關(guān)閉廣口瓶，將其拉回器材區(qū)。點擊盛有鋁粉的廣口瓶，將其移動至實驗臺。點擊塞子，打開廣口瓶。點擊藥匙，取適量的鋁粉于濾紙上，并與氧化鐵混合均勻。點擊塞子，關(guān)閉廣口瓶，將其移至器材區(qū)。點擊混合好的藥品，將其倒入漏斗中。點擊盛有氯酸鉀的廣口瓶，將其移至實驗臺。點擊塞子，打開廣口瓶。點擊藥匙，取適量的氯酸鉀倒入漏斗中。點擊塞子，關(guān)閉廣口瓶，移至器材區(qū)。點擊砂紙，拖至實驗臺上。再點擊鎂條，打磨鎂條。點擊坩堝鉗，將打磨好的鎂條插入到混合物中，如圖10。點擊酒精燈，移至實驗臺上。點擊火柴，點燃酒精燈，將坩堝鉗夾住的一小段鎂條點燃，移動鎂條，將漏斗內(nèi)的鎂條引燃。觀察現(xiàn)象，有熔融物落到沙子里，如圖11。

圖10 實驗裝置示意圖

3.3．2 傳統(tǒng)演示實驗與虛擬實驗對比

鋁熱反應(yīng)的焓變比較低，所以在反應(yīng)過程中會放出大量的熱量。反應(yīng)過程中放出的大量熱量會使金屬鋁熔化，進(jìn)一步加快了反應(yīng)速率，從而放出更多的熱量，反應(yīng)迅速不可控。在真實的化學(xué)實驗中，如果沒有比較好的耐高溫裝置，則很容易會造成燙傷的意外事故。而虛擬實驗是在計算機上操作，所有的操作都是通過鼠標(biāo)來控制，在虛擬的空間中進(jìn)行實驗，將復(fù)雜的實驗簡單化，可操作化。

圖11 實驗現(xiàn)象示意圖

4 結(jié)論

虛擬實驗有很多優(yōu)于真實化學(xué)實驗的地方，根據(jù)以上所舉的NO2與N2O4的轉(zhuǎn)化反應(yīng)、水的電解實驗以及鋁熱反應(yīng)這三個虛擬實驗來分析，得出了以下幾個結(jié)論：

(1)從NO2與N2O4的轉(zhuǎn)化反應(yīng)這個實驗來看，虛擬實驗不僅可以節(jié)省教學(xué)經(jīng)費，還可以避免化學(xué)藥品和試劑對人體和環(huán)境造成傷害。

(2)從水的電解這個實驗看，虛擬實驗?zāi)軌虮苊鈱嶒灥牡统晒β?。虛擬實驗中的結(jié)果完全按照理論值設(shè)計，避免了在實際操作過程中各種不確定因素對實驗的影響，提高了實驗的成功率。

(3)從鋁熱反應(yīng)這個實驗來看，虛擬實驗?zāi)軌驅(qū)?fù)雜的實驗過程簡單化。虛擬實驗在很多方面上都有應(yīng)用，應(yīng)該加大其推廣力度，但并不能將課堂上的化學(xué)實驗都用虛擬實驗代替。虛擬實驗室中的操作環(huán)境是虛擬的，給學(xué)生帶來的感覺是虛擬的，這是與真實實驗的本質(zhì)區(qū)別。其次，虛擬實驗的操作過程中，若學(xué)生操作錯了，還可以重來，易使學(xué)生養(yǎng)成粗心的習(xí)慣。建議用虛擬實驗代替課堂中無法操作或存在操作風(fēng)險的實驗，采用虛擬實驗對學(xué)生的化學(xué)知識掌握是否存在影響，值得持續(xù)探討。

[1] 中華人民共和國教育部.全日制義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)(實驗稿)[M].北京: 北京師范大學(xué)出版社, 2001.

[2] 趙紅喜. 虛擬實驗在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].開封: 河南大學(xué), 2013:4-5.

[3] 李偉光. 虛擬實驗在化學(xué)學(xué)科教學(xué)中的作用與成效研究[D]. 開封: 河南大學(xué), 2012:5-6.

2017-07-07

衡陽師范學(xué)院教學(xué)改革研究項目(JYKT201620，JYKT201622)；衡陽師范學(xué)院院基金青年項目(14A01)

毛芳芳(1988—)，女，碩士，研究方向為科學(xué)教育及化學(xué)課程教學(xué)。

G642.0

A

1008-021X(2017)18-0174-04

(本文文獻(xiàn)格式毛芳芳，劉夢琴，唐清，等.虛擬實驗在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].山東化工，2017，46(18)：174-177.)