巧用《仿真化学实验室》破解化学实验难题

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巧用《仿真化学实验室》破解化学实验难题
摘要：《仿真化学实验室》是为弥补化学课堂上实践实验的不足而研发，涵盖初高中化学教材所有实验，以高度仿真技术提供师生与实际实验操作一模一样的线上模拟实验，实现在化学教学中提倡和鼓励学生通过实验进行探究性学习。软件的亮点在于它能从定性、定量的角度对化学实验进行模拟研究与实验设计，具备一般软件所没有的开放性、交互性，有利于化学课堂教学演示、试卷实验设计、学生研究与探索、化学课件制作，能最大限度地、生动形象地、以声、形、视、听等手段，形象逼真地对各种化学实验和反应原理进行模拟，全方位刺激学生的感官，让参与者在“做”的过程中体验，在“学”的过程中积累，在“思”的过程中不断地巩固、检验与提升。《仿真化学实验室》既是化学课堂中的教学平台，也是化学教师的课件制作平台和学生的交互式学习平台。
关键词：仿真；实验；辅助教学；学习平台
众所周知，实验是研究化学的主要手段，而传统的演示实验最大的缺陷在于不能确保每个学生都能仔细地观察到实验的过程与细节，个别实验由于没有良好的重复性与再现性，很容易在课堂上演示失败；有的实验由于装置过于复杂或实验过程中有一定的危险性而放弃演示；有一些复杂的化工生产、工艺流程等内容在教学中无法直接用语言描述而使得教学相当困难等。最终导致教学效果不佳，教学反馈不够及时，教学评价不够客观和全面。而《仿真化学实验室》系列软件是专门针对中学化学教学精心打造的，采用Flash交互技术，紧跟教材，模拟真实实验场景，以高度仿真技术制作成100%模拟实验室环境和各种器材的效果，让学生犹如身临其境，仿佛用自己的双手在做实验一样，真实逼真的呈现实验过程。它突破了传统实验教学受教学空间、仪器设备等因素的限制，以大胆创新、探究、与教材大纲要求紧密相随的方式，以一个开放性平台将实验课教学与学紧密联系起来，是教师化学实验课教学的必备工具，是学生化学课程学习的必备利器。
在中学化学教学中运用《仿真化学实验室》辅助教学，可以丰富教学内容，提高教学效率，突出教学重点，突破教学难点。在我的教学探索和实践过程中，我认为该软件至少有以下功能：
一、抽象实验“形象化”
中学化学中有些实验因具有一定的危险性、毒性，或因反应速度太慢现象不明显，或因条件苛刻反应无法实现，或因药品来源紧缺无法实验……老师教起来比较抽象，学生理解非常困难，即便发挥学生的想象力，有时也不易弄清反应原理。这时可以利用计算机进行模拟和演示，将这些抽象复杂不易弄清的内容制作成课件，在屏幕上进行微观放大，宏观缩小，动静结合，在短时间内从多角度、多层面展示化学反应流程。使知识由抽象变成形象，达到常规条件下无法实现的效果。如浓硫酸稀释实验的错误操作，老师不可能实际操作演示，但是错误操作的后果会给学生留下深刻的印象，于是可以用动画的形式模拟浓硫酸注入水中的水沸腾场景：浓硫酸飞溅到学生的脸上导致皮肤颜色的变化……配合以水剧烈沸腾声和学生受伤的惨叫声。然后老师再以规范化的操作正确演示一次，让学生明白一个道理：只要学生能严格按照化学规范操作规程进行化学实验，其实化学实验是非常安全的。另外运用《仿真化学实验室》可使化学中一些比较抽象的内容直观化。如分子空间构型的展示：甲烷分子（正四面体型）、碳60分子（足球分子）、金刚石和石墨的空间结构；电子的运动——电子云的形成，这些都是比较抽象的内容。传统的教学中只能用简单的球棍模型和教师的描述讲解来进行教学，结果只能靠学生的想象来理解，效果难以保证。《仿真化学实验室》不但可以展示如H2O、NH3等分子结构及石墨、金刚石、NaCl等晶体结构；而且能够十分轻松的搭建出各种有机分子的微观模型。其提供的各种官能团使得各种烷烃、烯烃、醇、醛、羧酸、酯、胺、苯等等，甚至TNT的分子模型都能轻松的搭建出来。利用它老师可以带领学生自如的从不同的角度观察奇妙的化学微观世界，使课堂更加丰富多彩。
二、静态事物“动态化”

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化学实验教学中有很多看似不动，实质上是静中有动，如初中学习的溶解平衡,高中学习的化学平衡、电离平衡、水解平衡等。这些都属于动态平衡。由于看不见摸不着,学生对动平衡的概念很难建立起来，往往习惯静态分析，缺少一种动态观，如果使用《仿真化学实验室》进行一定的动态化处理，学生就很容易理解了。如化学平衡的建立，可以模拟水池中的水量变化，当单位时间内进水量和出水量相等时候，液面的高度就保持不变，容器中的水量就处于动态平衡，当进、出水量不等时，平衡就打破；又如用排空气法收集气体的实验，操作虽简单，但原理却不易理解。空气本来就是看不见、摸不着的，一个盛满空气的集气瓶，学生往往误认为是空瓶，而当用另一种气体（比如二氧化碳气体）倒入瓶中，就会把瓶里原有的空气挤出来，从而集满一瓶另外的气体。这整个过程是肉眼看不见的，所以对于初中学生来说，集气瓶内的气体是“静止”的没有发生变化，显然过于抽象了难以理解。因此有必要使之动态化、形象化，我们借助于《仿真化学实验室》对这个过程进行模拟，通过仿真化学实验室的药品编辑器来改变（如染色）不同气体的颜色（目的在于区分空气和另一种需收集的气体），随着反应的进行可以看见一种有色的气体如何把另一种有色的气体从集气瓶中赶走。当然，你也可以打开《仿真化学实验室》，查看集气瓶属性中的量的变化，你就可以很直观的看见各种气体的物质的量随时间变化的情况。这种把看似不变的气体进行量化、动态化、直观化，学生很容易明白其中的道理。静态事物“动态化”会大大增强了中学化学课堂教学的表现力，使得教学中很多难点变得很简单。
三、复杂工艺“简单化”
在教学过程中讲述到三大工业生产（比如工业上生产硫酸中有：合成塔、氧化炉、沸腾炉、接触室、吸收塔等）的时候，由于条件限制，一般不能将学生带到现场进行参观学习，更不能将复杂的、正在运作的工业设备打开来让学生来研究，化学仿真实验室采用虚拟仿真技术，模拟化学现象，突破时间及空间的束缚，灵活地放大或缩小场景，将化学实验过程生动、形象地展现于学生面前，非常便于学生理解和渗透。使学生闻其声，见其形、入其境，让学生更快、更准、更深地把握教学的重点和难点。通过计算机技术处理，可以将工业设备的现场拍摄资料、设备的流程原理、工业流程图表、内部结构解剖等集成在一个课件中，对其中的一些重要的内容做出重点标注，加深学生对化工生产典型设备、工艺流程和生产原理的理解和认识。如讲到热交换器原理时候，现有的模型都比较小，就可以采用摄像头进行实物投影的方法，让全班同学都可以看得清楚，然后使用Powerpoint工具在其原理图上标出气体流向，如可以用红线代表热蒸气，蓝线代表冷却气，通过热交换器时红线变浅，蓝线加深，使学生一下子就可以了解到气体如何流动，热量是如何交换，自然而然的就可以明白其中的热交换原理。这样将看似复杂的设备通过简单的多媒体演示来演示，学生很快就可以掌握其中的关键，达到事半功倍的效果。我在教学中使用《仿真化学实验室》软件设计工业上制备硫酸的串联实验，结合工业设备流程进行讲解，效果非常好。

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四、零乱内容“网络化”
中学化学知识的特点是比较零乱散杂，内容比较多，若采取分散记忆，不仅加重学生负担，而且知识掌握得不深刻。若把零星分散的知识根据其内在联系，进行梳理、归纳，使其知识化，条理化，网络化，这样不仅有利于学生掌握与记忆，而且有利于知识的灵活运用。如元素化合物的最大特点是知识点多、规律性强、特殊性也不少，对于化学复习课来说，容量大，信息量大、难度大。我们在教学中注重化学知识的归纳与总结，以“元素→单质→化合物”为横线，以“结构→性质→用途→制法”为纵线，把各类元素化合物之间有机的结合在一起进行综合复习，形成一个完整的知识网络，以图的形式加强记忆，以表的形式进行比较，最终把零星分散的知识集中化显示，有利于学生在课堂有效的时间内理解与掌握。我在教学中使用《仿真化学实验室》软件设计了从ＮＨ３ＮＨ４＋ Ｎ2ＮＯＮＯ２ＨＮＯ３ＮＯ３　实验装置串联实验，显示现象变化，表达反应原理，帮助学生加强对元素化合物性质的理解与综合。再如，《一氧化碳》一节，为了使学生对所学知识有一个全面、深入的理解，我留了这样一个作业：将混有少量二氧化碳的一氧化碳气体提纯干燥后，还原氧化铜，并验证产物。请设计一套装置图，以电子邮件的形式提交，以方便同学们之间互相交流。我把学生设计的所有合理方案进行整理，做了一个课件，让同学们进行拆装、组合。
五、实验操作“规范化”
化学仿真实验室严格按照实验教学的要求和仪器使用规范，对实验操作的规范性和科学性进行严格要求。如在向烧杯中倾倒溶液时，正确的握瓶方法应该是将标签向上，如果手握瓶方法不对、实验过程中安装和拆卸仪器的先后顺序不正确，系统就会提示操作错误。通过这种方法，即培养了学生掌握规范的实验方法，又培养了学生科学的实验观念。
综上所述，《仿真化学实验室》是理论与实验之间的桥梁。通过《仿真化学实验室》，可以十分方便的搭建出各种实验装备，不但可以展示逼真的现象，还能提供准确的实验数据以供分析。学生能进行自主学习，有充足的时间去预习实验，用仿真实验熟悉实验内容，带着问题来到实验室，有目的地进行实验，不仅可以在较短的时间内成功完成实验，还可以在此基础上进行创新尝试。由此可见，立足于网络模式，并及时跟踪新技术手段的应用，来服务于现代教学的跟新和发展是新时期教师所应具备的基本素质，也是教师本身不断提高和终身教育的需要。虽然我们认为模拟实验在培养化学实验技能中扮演着重要的角色，但无论仿真实验有多么“真实”，它都不应该取代真实实验。真实实验在这方面以及在培养学生的动手操作能力方面是虚拟实验无法取代的，模拟实验的应用只是一种辅助手段。仿真实验和真实实验二者是相辅相成的，只有发挥各自的优势，精心组织实验教学，才会收到更好的效果。