NB虛擬實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

周貴樂(lè) 吳曉紅

摘 ?要 以“探究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素”為例，說(shuō)明NB虛擬實(shí)驗(yàn)如何應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以期為中學(xué)化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞 NB虛擬實(shí)驗(yàn);中學(xué)化學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué);化學(xué)反應(yīng)速率

中圖分類號(hào)：G633.8 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）19-0123-03

0 ?前言

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來(lái)，NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)（簡(jiǎn)稱NB虛擬實(shí)驗(yàn)）應(yīng)運(yùn)而生。NB虛擬實(shí)驗(yàn)是專門為初高中教師創(chuàng)設(shè)的教學(xué)軟件，具有簡(jiǎn)便性、高效性、創(chuàng)新性的特點(diǎn)，可以有效增強(qiáng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。NB虛擬實(shí)驗(yàn)主要是借助虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、仿真等技術(shù)，創(chuàng)造一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，教師或?qū)W生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槔锩娴乃幤泛蛢x器可以自由選擇，量的多少也可以自由控制，在操作實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。同時(shí)，教師可以在NB虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，演示完后直接保存到“我的實(shí)驗(yàn)”中，方便下次教學(xué);還可以將課件資料等上傳到該平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資源共享。

1 ?傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

1.1 ?學(xué)校經(jīng)費(fèi)緊張，實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足或陳舊

沿海城市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，教育水平也相對(duì)較高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展得較好，對(duì)于有條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)校來(lái)說(shuō)，讓學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)是很有必要的。雖然我國(guó)的教育事業(yè)有了長(zhǎng)足發(fā)展，但是部分地區(qū)的教育水平仍然較低，中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展中面臨的問(wèn)題較多，主要表現(xiàn)在：

1）學(xué)校在購(gòu)買實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)沒(méi)有做好長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，在之后的使用過(guò)程中，部分儀器破損后無(wú)法及時(shí)補(bǔ)全，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法正常進(jìn)行;

2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備長(zhǎng)期使用會(huì)出現(xiàn)故障，沒(méi)有人及時(shí)修理，導(dǎo)致使用率下降;

3）學(xué)校缺少綜合實(shí)驗(yàn)室，對(duì)于一些高危實(shí)驗(yàn)，教師更不會(huì)讓學(xué)生操作，學(xué)生無(wú)法感受到實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)實(shí)驗(yàn)的敏感度不高。

由于地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不平衡，導(dǎo)致教育水平的差距越來(lái)越大。目前，部分地區(qū)學(xué)校教育經(jīng)費(fèi)緊張，無(wú)法提供完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，導(dǎo)致化學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法正常開展。

1.2 ?學(xué)生參與不積極，學(xué)習(xí)興趣不高

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證化學(xué)中的科學(xué)知識(shí)，通過(guò)測(cè)量出準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)而得出結(jié)論。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和問(wèn)題解決能力等綜合素養(yǎng)。但是在實(shí)際的化學(xué)課堂中，大多數(shù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只是抱著“玩一玩”的態(tài)度，有的學(xué)生只是覺(jué)得“實(shí)驗(yàn)很有趣”“實(shí)驗(yàn)很好玩”，在上課過(guò)程中并沒(méi)有真正學(xué)到知識(shí)和技能。久而久之，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣大大降低，對(duì)化學(xué)失去興趣。學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去，作為新時(shí)代的教師應(yīng)在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代潮流下，在課堂中更多地引入教育技術(shù)來(lái)引起學(xué)生的興趣，NB虛擬實(shí)驗(yàn)不僅可以解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問(wèn)題，而且可以運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)給學(xué)生不一樣的情感體驗(yàn)，從而激發(fā)學(xué)生的興趣。

2 ?實(shí)驗(yàn)探究

下面以“探究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素”為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)設(shè)計(jì)，說(shuō)明如何將NB虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)用在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

2.1 ?實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

首先，探究哪些因素能夠影響化學(xué)反應(yīng)速率;其次，掌握如何將控制變量法應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中，分析其應(yīng)用原理、基本流程、操作步驟及思路;再次，初步了解NB虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化學(xué)中的應(yīng)用;最后，發(fā)展學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，體驗(yàn)科學(xué)探究的艱辛和喜悅，培養(yǎng)學(xué)生的合作探究精神。

2.2 ?實(shí)驗(yàn)原理

化學(xué)反應(yīng)速率是表示化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行快慢的物理量，常用單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物濃度的減少量或生成物濃度的增加量表示（均為正值），公式表示為：ν=Δc/Δt。

2.3 ?實(shí)驗(yàn)用品

藥品：鐵粉、鎂粉、塊狀碳酸鈣、碳酸鈣粉末、二氧化錳粉末、鹽酸（0.5 mol/L，3 mol/L）、H2O2溶液（3%）。儀器：試管、藥匙、鑷子、膠頭滴管、酒精燈、試管夾、火柴。

2.4 ?實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)

化學(xué)反應(yīng)速率與哪些因素有關(guān)？

1）鈉和鎂分別與水反應(yīng)的時(shí)候，為什么鈉與水反應(yīng)更加劇烈？與什么因素有關(guān)？

2）超市里面新鮮的水果保存在冰箱里存放得更久，與什么因素有關(guān)？

3）帶火星的火柴能在純氧中復(fù)燃，與什么因素有關(guān)？

4）實(shí)驗(yàn)室中，當(dāng)用氯酸鉀制備氧氣時(shí)，加入二氧化錳時(shí)反應(yīng)更快，與什么因素有關(guān)？

5）冬天燒火時(shí)，木材劈成小塊燒得更快，與什么因素有關(guān)？

2.5 ?實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

1）研究某一種因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響時(shí)，要設(shè)計(jì)參照系，也就是要進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn);

2）由于要通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)比較反應(yīng)的快慢，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)要考慮實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是否明顯，這樣有利于觀察比較;

3）研究某一種因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響時(shí)，還要注意控制其他條件都相同。

2.6 ?實(shí)驗(yàn)方案（見圖1）

2.7 ?實(shí)驗(yàn)演示

溫度、濃度、催化劑、接觸面積對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，實(shí)驗(yàn)操作、現(xiàn)象、結(jié)論如表1所示。

2.8 ?實(shí)驗(yàn)小結(jié)

通過(guò)以上探究和NB虛擬實(shí)驗(yàn)的演示，發(fā)現(xiàn)影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素主要分為兩個(gè)方面：一方面是內(nèi)因，指的是反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，是決定化學(xué)反應(yīng)速率的主要因素;另一方面是外因，主要包括溫度、反應(yīng)物的濃度、催化劑、接觸面積等。NB虛擬實(shí)驗(yàn)中清楚地觀察到在其他條件不變的情況下，隨著溫度的升高，化學(xué)反應(yīng)速率加快;溫度降低，化學(xué)反應(yīng)速率減小。在其他條件不變時(shí)，增大反應(yīng)物的濃度，化學(xué)反應(yīng)速率也隨之增大;反之，化學(xué)反應(yīng)速率也隨之減小。使用正催化劑也能使化學(xué)反應(yīng)速率增大，反之減小。增大反應(yīng)物的接觸面積，化學(xué)反應(yīng)的速率也會(huì)增大;減小接觸面積，化學(xué)反應(yīng)速率降低。此外，影響化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素還包括壓強(qiáng)、光、超聲波、電磁波、原電池等。

3 ?NB虛擬實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)與展望

隨著我國(guó)科學(xué)和教育的不斷發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)做得越來(lái)越成功，NB虛擬軟件就是具體的表現(xiàn)形式。它可以協(xié)助教師給學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，給學(xué)生帶來(lái)視覺(jué)上的沖擊，讓學(xué)生更加清楚地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;還可以降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)的安全性，對(duì)于一些高危有毒的實(shí)驗(yàn)，教師通過(guò)NB虛擬實(shí)驗(yàn)為學(xué)生演示，從而達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果。

NB虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)壳霸诨瘜W(xué)領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)的類型有無(wú)機(jī)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)、晶體結(jié)構(gòu)四大類型。其中，無(wú)機(jī)實(shí)驗(yàn)以獨(dú)立開發(fā)的化學(xué)反應(yīng)引擎、熱力學(xué)引擎、粒子引擎、重力引擎為基礎(chǔ)，此外還有豐富的實(shí)驗(yàn)器材、充足的化學(xué)藥品，可以完成初高中所需的各種無(wú)機(jī)實(shí)驗(yàn);有機(jī)實(shí)驗(yàn)主要研究有機(jī)物化學(xué)反應(yīng)的類型及反應(yīng)條件，各種物質(zhì)之間的合成轉(zhuǎn)化以及反應(yīng)機(jī)理，幫助學(xué)生更好地理解有機(jī)化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備方法;演示實(shí)驗(yàn)就是通過(guò)3～5分鐘的短視頻，對(duì)一些重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示，以短視頻的形式，可以更好地協(xié)助教師將知識(shí)點(diǎn)講解清楚;晶體結(jié)構(gòu)主要包括3D化展示晶體以及晶胞的各種知識(shí)，包含球棍、堆積等多種展現(xiàn)形式，可幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)晶體相關(guān)結(jié)構(gòu)。

盡管NB虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)顯而易見，但其在課堂教學(xué)中仍然存在一定的挑戰(zhàn)。首先，教師或者學(xué)生在NB虛擬實(shí)驗(yàn)操作界面上操作，無(wú)法感受到實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)存在，界面過(guò)于平面化。如果NB虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋尤S和立體，教師和學(xué)生的感受會(huì)更加真切。其次，將NB虛擬實(shí)驗(yàn)較多地應(yīng)用于化學(xué)課堂教學(xué)，學(xué)生的實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作能力可能會(huì)下降。那么，如何利用NB虛擬實(shí)驗(yàn)使教學(xué)效果變得更好，還需要一線教師不斷探索。

當(dāng)前，我國(guó)虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展處于初級(jí)階段，NB虛擬實(shí)驗(yàn)亦是如此，但是NB虛擬實(shí)驗(yàn)具有較高的靈活性和創(chuàng)新性，隨著軟件技術(shù)和教育體系的發(fā)展，NB虛擬實(shí)驗(yàn)必將為未來(lái)的化學(xué)教學(xué)提供更多的可能性。

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