虛擬實驗在化學教學中的應用

毛芳芳，劉夢琴，唐 清，駱雅麗

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

虛擬實驗在化學教學中的應用

毛芳芳1，劉夢琴1，唐 清2，駱雅麗1

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

虛擬實驗是將現(xiàn)代科學技術(shù)和化學實驗結(jié)合起來，在計算機上創(chuàng)建的一種虛擬實驗環(huán)境，是對化學實驗操作環(huán)境的一種模仿，與真實的化學實驗相比，能夠節(jié)省教學經(jīng)費、避免實驗操作的失誤和實驗對學生或環(huán)境造成的傷害。本文從化學藥品、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三個實驗進行分析，與真實的化學實驗對比，體現(xiàn)虛擬實驗在化學教學中的作用。

虛擬實驗；化學；實驗教學

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生的科學素養(yǎng)為主旨，幫助學生了解科學探究的過程和方法，發(fā)展科學探究能力?；瘜W實驗是進行科學探究的重要方式，良好的的化學實驗技能是學習化學和進行探究活動的基礎(chǔ)和保證。

《義務(wù)教育化學課程標準》中強調(diào)化學實驗應高度關(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?！读x務(wù)教育化學課程標準》中要求了教師在課堂上應該充分利用網(wǎng)絡(luò)信息資源。虛擬化學實驗正是現(xiàn)代科學信息技術(shù)和化學實驗的結(jié)合，既符合了《義務(wù)教育化學課程標準》對信息技術(shù)的要求，又體現(xiàn)了對化學實驗的重視[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)應用于多個領(lǐng)域，如醫(yī)學領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、物理領(lǐng)域和化學教學領(lǐng)域等。實驗教學是課堂教學中至關(guān)重要的一部分，有些化學實驗由于外界環(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?shù)剡\用到化學教學方面，不僅能夠有效地解決化學教學中許多難題，而且能更好地完善虛擬實驗自身的發(fā)展。

(3)化學學科的內(nèi)在要求

化學是一門抽象的學科，像分子等抽象的化學概念學生往往難以理解，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概念轉(zhuǎn)化為比較具體的形式，使學生更加直觀地去學習。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，二十世紀六十年代到二十世紀八十年代這一段時間內(nèi)，采用數(shù)學模型并結(jié)合現(xiàn)實情況，在計算機上對實驗對象進行信息加工、處理的過程；虛擬現(xiàn)實階段，從二十世紀八十年代到現(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)代科學技術(shù)和化學實驗結(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 虛擬實驗在化學教學中的實踐探討

為了探討虛擬實驗在中學化學教學中的作用，本文選取NO2與N2O4的轉(zhuǎn)化、水的電解和鋁熱反應等三個實驗開展實踐研究。傳統(tǒng)演示實驗為人教版(化學)課本中所列實驗，文中不詳細描述，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(選修四)，通過實驗，使學生掌握溫度對化學平衡的影響。NO2與N2O4的轉(zhuǎn)化為放熱反應，加熱又會使反應向生成NO2的方向移動，因此，實際操作過程中很難控制反應向正反應方向進行。

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，所有使用到的化學試劑、藥品都是虛擬的，既不用擔心NO2氣體會逸出來對環(huán)境造成污染，也不用擔心學生會因操作不當而出現(xiàn)N2O4氣體中毒，更不用擔心怎樣才能得到純的N2O4氣體。實驗后，通過訪談來了解學生對虛擬實驗的看法，變化多端的界面對學生具有很強的吸引力，能夠更好的提高學生的學習興趣。因此，在課堂上使用虛擬實驗進行實驗教學既可以減少化學藥品和試劑的使用，避免對人體和環(huán)境造成傷害，還可以激發(fā)學生的學習熱情。

2.2 電解水的實驗

《水的電解》實驗選自人教版九年級化學上冊，該實驗是初中化學的一個重點，通過實驗引導學生掌握電解水的原理以及相關(guān)實驗方程式的書寫，可以使學生意識到物質(zhì)的化學組成必須通過嚴格的實驗操作和嚴謹?shù)乃季S推導才能夠推算出來，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，將鉑電極與導線連接。點擊低壓直流電源，將其移至實驗區(qū)。點擊負極連接按鈕，將其與導線的另一端相連。點擊正極按鈕，將其與另一導線的另一端相連。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^察到與負極相對應的滴定管內(nèi)所產(chǎn)生的氣體體積是與正極相對應的滴定管內(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，將其移至負極滴定管的正上方。點擊負極滴定管的旋鈕，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的試管口處?？梢杂^察到火柴棍復燃，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，將其移動到負極所對應的試管口處。可以觀察到火焰的顏色由黃色變?yōu)榈{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，在真實的化學實驗中，并不能正確的分析水的元素組成及比例，導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，能還能給學生帶來視覺上的沖擊，吸引學生的注意。

圖8 驗證氫氣

3.3 鋁熱反應

《鋁熱反應》實驗選自高中人教版化學(必修二)，該反應需要在高溫條件下進行，將單質(zhì)鋁與其它金屬氧化物反應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生充分的了解鋁的相關(guān)性質(zhì)，并掌握鋁熱反應的原理及應用。

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

鋁熱反應的焓變比較低，所以在反應過程中會放出大量的熱量。反應過程中放出的大量熱量會使金屬鋁熔化，進一步加快了反應速率，從而放出更多的熱量，反應迅速不可控。在真實的化學實驗中，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來控制，在虛擬的空間中進行實驗，將復雜的實驗簡單化，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)于真實化學實驗的地方，根據(jù)以上所舉的NO2與N2O4的轉(zhuǎn)化反應、水的電解實驗以及鋁熱反應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)化反應這個實驗來看，虛擬實驗不僅可以節(jié)省教學經(jīng)費，還可以避免化學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，虛擬實驗能夠避免實驗的低成功率。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)從鋁熱反應這個實驗來看，虛擬實驗能夠?qū)碗s的實驗過程簡單化。虛擬實驗在很多方面上都有應用，應該加大其推廣力度，但并不能將課堂上的化學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，若學生操作錯了，還可以重來，易使學生養(yǎng)成粗心的習慣。建議用虛擬實驗代替課堂中無法操作或存在操作風險的實驗，采用虛擬實驗對學生的化學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)教育課程標準(實驗稿)[M].北京: 北京師范大學出版社, 2001.

[2] 趙紅喜. 虛擬實驗在中學化學實驗教學中的應用研究[D].開封: 河南大學, 2013:4-5.

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

2017-07-07

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

毛芳芳(1988—)，女，碩士，研究方向為科學教育及化學課程教學。

G642.0

A

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

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