| 标题 | 高中化学仿真性实验的类型及开展 |
| 范文 | 张莲 摘? ?要 在信息技术条件下，在尊重化学科学与化学学科规律的基础上，采取风险药品替代、仿真实验室的虚拟实验、危险发生时的仿真自救演练、危险严重后果的仿真展示等多样性仿真实验，为高中生创设了安全、交互、共享、可重复与“真实”的实验课堂，让其在动手实践、亲自验证、知识现场生成与团队全员参与的自主学习过程中，培养化学学习兴趣、激发化学探索精神与培养化学实验能力。 关键词 高中化学? 仿真实验? 信息技术? 实验安全 高中化学实验作为培养高中生“实验与探究能力、化学方法和分析能力、化学信息处理能力”等“化学关键能力”的重要教学载体[1]，由于化学药品多为有腐蚀性、有毒、易燃等物质，以及高中生活跃性所导致实验过程的不稳定性等特点，导致化学实验过程存在各种安全隐患。信息技术尤其是“虚拟现实技术”在高中化学实验中的创新与应用，以“沉浸感、交互性、构想性”的特点[2]，创设了高仿真、多次重复、交互参与、全程安全、实时指导与实验信息反馈的仿真性实验，在实现智慧学习的基础上提升了高中生的实践能力、信息技术研发与应用能力。 一、高中化学仿真性实验的作用 信息技术条件下高中化学仿真性实验是兼顾学生安全与学生化学实践能力培养的探索，具有避免各类危险发生的作用。 1.避免有毒有害药品引发安全隐患 高中化学实验中各种化学药品起到了根本性的支持与推动作用，其中有毒药品、腐蚀性药品与易燃易爆等药品本身就是高中实验安全隐患。为避免在实验过程中发生各种危险，运用实验教学软件等信息教育技术开展仿真性实验，是既保障化学实验教学顺利开展又保证学生安全的首要选择。为了切实培养学生的实践能力，可以采取安全药品替代有毒有害药品，避免有危险药品自身可能造成的伤害。 2.避免有毒有害气体、液体造成伤害 尽管教育现代化的实现为高中化学实验建造了标准化、安全的实验室，但一些实验会产生某种有毒有害气体或液体，例如产生剧毒氯气的实验，在吸入达到某种量的情况下会导致严重后果。仿真性实验能有效避免现场实验时，因为学生的空间位置、不当动作、实验室排风排水等系统的意外不工作等，导致的误吸有毒有害气体、皮肤迸溅或直接浸入等方式接触有毒有害液体等造成的伤害。 3.防止易燃易爆化学实验造成伤害 易燃易爆类化学实验是危险性最大的实验之一。尤其是当活跃的化学药品在活跃的学生操作下，实验过程中发生不可预知危险的可能性显著提高。即使实验室内有完善且有效的消防设施，但爆燃一旦发生都可能造成不同程度的伤害。在保持学生对此类实验兴趣的基础上，采取让学生能操作的仿真性实验，是兼顾安全、知识探究与实践能力培养的首选。 二、高中化学仿真性实验的类型 高中化学仿真性實验是在“信息技术与化学实验教学的完美融合”的基础上，以“实验手段数字化、测量呈现实时化、现象规律可视化、操作测量简单化”等方式去开展“真实实验”[3]。 1.全面仿真性实验 手持技术数字化实验与化学教学的融合，为高中化学全面仿真性实验创设操作性的条件[4]。从高中化学实验学习的有效性观察，第一是学生实验技术的全面性操作仿真。以“仿真化学实验室”的应用为例，学生运用实验软件的相关功能，从搭建实验仪器开始开展实验。如仪器选择、正确位置摆放、药品选择、药品剂量控制、实验过程观察与实验过程的记录等。这种实践环节或细节的全面仿真，能让学生在“动手”的过程中，强化实验化学“药品”的化学性知识，以及在不同条件下化学反应及其应用价值，进而生成学生自己的化学实验探究能力。第二是实验变化的全面仿真。如化学反应中物质的颜色、体积、形态、燃烧速度、温度与产生的其他能量等，在“DIS数字化实验系统”等信息技术教学工具的支持下，都能全面且“真实”地观察或体验到。值得注意的是，应用仿真系统的实验能直观的量化实验细节，如化学反应中产生热量的多少等，甚至在联网的情况下能直接展示生活应用的相关链接，为学生的学习和创新提供启发。 2.原料仿真实验 为保证高中化学实验的严谨性、科学性与安全性，选用具有相同化学性质的替代药品，开展实验药品仿真的实验，是激发学生化学创新精神的有益探索。出于培养学生发现生活中的化学与应用化学服务生活的兴趣，对易直接产生各种危险的有毒有害易燃易爆类药品，采用生活常见物品替代值得思考与探究。如食盐——氯化钠、白酒或消毒酒精——乙醇、白醋——醋酸、火柴盒贴——红磷、汽车蓄电池——硫酸、木炭——活性炭、干燥剂——生石灰等。由于这些生活用品大家非常熟悉，对其能熟练且安全地操作，并且其毒性低等特点不至于对学生产生多大的伤害甚至构不成伤害。当然，需要在化学实验的药品方面开发创新，例如发明全新的既能保证化学实验的顺利开展，又能确保环保、安全与实验效果的替代药品。 3.严重后果仿真展示与自救仿真演练 综合高中化学实验教学中出现的各种危险，尽管大多数是有惊无险，但依然暴露了学生安全自救意识不强的问题。利用现代仿真实验技术对高中化学实验时可能发生的各种危险及其后果，进行仿真性地展示与自救演练，使学生在“真实”的情境中生成谨慎且乐观的安全意识和化学实验操作能力。第一，利用各种信息技术条件开展化学实验操作失误或错误后的严重后果仿真演示。播放特定化学实验条件下危害后果的视频，如爆炸、燃烧、强酸腐蚀、有毒气体散发等情况，对动物、植物与其他周围的近距离物品等造成的直接损害。第二，利用信息技术条件开展化学危险下的自救与逃生仿真演练活动。为切实培养学生的自救意识与逃生能力，教师可以采取情境仿真的方式，例如创设学生在“强酸”加热反应时发生试管等“爆炸”的情境，让其在这种情况下利用科学的方法展开自救，以避免或降低被烧伤、腐蚀伤与烫伤等造成的伤害。可以利用网络实验平台、虚拟仿真实验室等方式，开展全信息化的虚拟仿真体验或演练活动。 三、高中化学仿真性实验的开展 信息技术支持下的高中化学仿真性实验，是“整合意义联接的实验内容”以“建构真实批判的实验情境”，支持学生亲自开展的体验性、实践性、探究性与协作性的自主操作学习过程[5]。 1.智能化操作 教育现代化的普遍实现与不断创新升级，为高中化学智能化仿真性实验做好了软硬件的准备。根据学生在仿真性实验中参与的程度，智能化操作有两种方式：第一种，虚拟仿真实验室智能操作。学生在特定的实验室内，运用现代计算机信息技术在特定的化学实验工艺流程内开展仿真实验活动。化学试剂、化学反应与化学实验结果都在特定软件程序内虚拟“真实”，能为学生的学习提供直观的实验技术性知识、实验安全性知识与实验过程中量变和质变性的知识。例如，在实验过程中，系统会根据学生实验的步骤自动生成化学方程式，以及展示各种实验药品的化学性质与各种化学反应的特点等。第二种，“真实”情境下学生亲自操作的仿真性实验。受真人CS游戏的启发，可以研发一种使学生在“真实”实验情境中的化学实验室。学生可以在特定的实验室中，按照化学实验要求的步骤，运用各种“真实”存在却虚拟的仪器、药品等，安全地开展必需的化学实验活动。例如学生在特定的化学实验项目程序中，只要在特定的情境位置，就能按部就班地拿起试管或装有强酸的玻璃瓶，开展教材内要求以及能支持自己创新的各种化学实验活动。 在现有的技术条件下，虚拟仿真实验室或“DIS数字化实验系统”等在发达地区的学校，已经被应用到化学实验教学中。对于类似真人CS游戏的“真实”实验，在教育技术领域还没有得到研发，建议相关科研机构能研发此类“实验室”，让学生在特定的实验情境中开展更加安全、全面、可重复与智能化的实验活动。 2.特殊仿真装置操作 出于化学实验的精确性与安全性等方面的考虑，针对那些危险性相对较高的化学实验研发特殊的仿真性实验装置，使其能在各种隐患发生时采取针对性安全措施。第一类，防爆炸、防燃烧类的仿真性实验装置。借鉴警方的排爆装置与汽车安全气囊的性能与原理，根据化学实验中发生爆炸或爆燃时热量大小、冲击波强度等数据波动幅度，结合可能造成老师与学生受伤的最小阈值，研制具有自动感应的相关防护装置，如防护气囊、防护手套、自动感应灭火系统等，以便在实验爆炸等危险发生时对手、眼睛、面部、头部与其他身体部位进行保护。第二类，针对强酸强碱迸溅或误沾防护的仿真性实验装置。对于加热等情况下发生的迸溅，依然可以同理采取防爆炸等装置;对于操作失误的误滴、误沾、不小心伸进腐蚀性溶液里的情况，装置内要有轻触自动稀释清洗功能、其他相关药品中和功能等，以第一时间把伤害降低到最低限度。第三类，有毒气体中和、净化与再利用吸收类仿真性实验装置。在加强传统实验室内排气与通风的情况下，采取化学办法创造安全的化学实验环境，是高中化学仿真性实验的潜在基本要求之一。例如在装置内有实验后有毒气体的自动吸取净化设施，既能利用化学反应的原理中和有毒气体，也避免学生因实验室内有毒气体浓度高，造成中毒甚至伤害等意外情况。 为确保高中化学实验的有效性、经济性、操作性与时效性，在现有实验室的空间与装置基础上，以每个实验桌为单位，研发一个个相对独立的小装置，即使一个实验小组或学生出现某种操作失误，也能安全化解且不会对其他同学造成干扰性的影响。同时，升级实验室内整体的通风排气与供水排水的系统，使其能支持每个实验桌的仿真性安全实验装置。 3.实验视频仿真操作 整合课前录制的实验视频等教学资源，发布到微信等公众平台上让学生根据自己的学习情况开展在线观看学习。以氯气的制备及其性质实验为例，诸多课前对氯气制备实验进行绿色化改进的录制探索[6]，就是当前最简易且使用最多的仿真性实验办法。第一，直接播放实验视频。教师运用教室教学多媒体技术播放相关视频，既有教师本人实验的录制视频，也有某种教学平台上的更优质的实验视频等;利用微信公众平台、钉钉与腾讯会议室等模式，采取实验视频直播与重复点播等方式。前者适用于新课教学中，后者适用于学生的自主学习中。第二，制作与播放3D或5D实验视频。为增强学生的体验感，借鉴3D电影或3D游戏的制作技术，为学生制作3D实验视频，让其在观看的学习中增强实验的操作感。此类技术，能让“真实”感官体验去强化学生的实践意识，使学生能在观看中积极地“操作”起来，如实验步骤的仿真演练、实验药品的勾兑与实验器材的安全放置等;也更适合于各种实验“安全”教育中，如实验过程中发生的爆炸、燃烧、强酸强碱迸溅与有毒气体散发等情况，能让学生在“真实”的情境中强化安全意识，了解实验失误的各种危险及其伤害等。 随着现代教育技术的不断升级，尤其是信息技术的飞速发展，教师积极地行动起来立足教学实际开展创新。如与发达地区的学校开展远程同步化学仿真性实验，共享诸如仿真化学实验室等硬件与DIS数字化实验系统等软件，在培养学生化学学习与实验探索兴趣的基础上，启发学生开展更多的化学仿真性实验创新。 信息技术的飞速发展与教育教学领域的创新应用，为高中化学实验插上了安全、交互、实时点评与可重复的高质量翅膀。因此，各教育技术研发单位要立足高中化学学科实际与化学实验实际，加快关于化学仿真性实验的软件开发、硬件制造与全新实验系统的建设，有条件的学校可以装备如真人CS游戏类的全仿真实验室，条件相对较差的学校可以装备3D类型的实验室或实验系统，以满足多层次、多实验内容的需要，为培养学生的化学能力服务。 参考文献 [1] 楊季冬，王后雄.高中化学关键能力的内涵及构成要素研究[J].化学教学，2019（04）. [2] 李中强.虚拟现实技术支持下高中化学实验教学的开展[J].教学与管理，2018（11）. [3] 周佳梅.数字化实验在沈阳市高中化学教学中应用的现状研究[D].沈阳：沈阳师范大学，2017. [4] 王立新，钱扬义，苏华虹，等.手持技术数字化实验与化学教学的深度融合：从“研究案例”到“认知模型”——TQVC概念认知模型的建构[J].远程教育杂志，2018（04）. [5] 刘玉荣，史鹏园.“深度学习”视野下高中化学实验教学：问题与对策[J].化学教育，2018（17）. [6] 杨宏伟.微信公众平台辅助高中化学实验的教学案例研究——以《氯气的制备及其性质实验》为例[J].内蒙古师范大学学报：教育科学版，2018（09）. 【责任编辑? 郭振玲】 |
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