虚拟实验室环境下高中化学探究式教学研究

摘要：虚拟实验室教学是科技发展的产物，也是构建虚拟实验的重要载体。能利用其科技优势和技术优势为学生提供安全、高效、科学、活动、真实的实验环境和操作过程。对此，基于虚拟实验室环境的高中化学探究式教学，要利用虚拟实验室条件搭建探究、思考、实践操作过程，为学生深度研究和细致观察提供载体和环境。对此，教师要灵活利用虚拟实验室条件为学生创建探究式化学研究过程，从设计实验、操作、情境研究、问题思考、情景回顾反思、总结和复习微视频录制等环节设置探究式学习研究过程，促使学生的化学思维、研究能力及计算、思考能力得到提升。文章针对虚拟实验室技术的内涵、教学优势展开讨论研究，并重点探究基于虚拟实验室环境的高中化学探究式教学模式，提出教学建议。

关键词：虚拟实验室环境；高中化学；探究式教学

中图分类号：G633.8文献标识码：A文章编号：1673-8918（2025）06-0112-04

虚拟实验室环境的构建规避传统高中化学实验教学的危险性、污染性和复杂性，为学生提供安全、有效、参与性的实验过程，助力学生完成实验过程探究实验原理和现象，提高化学认知能力。对此，教师要在高中化学课堂上建立虚拟实验室环境，引导学生在参与体验中观察现象，运用知识进行研究思考，探究化学知识，形成学科思想与能力，进而针对学生探究思考力和达成锻炼提升，推动学生化学素养的构建，打造基于科技信息技术的高品质化学实验课堂。

一、 虚拟实验室技术内涵

虚拟实验室技术是一种高新技术，利用Web技术、VR虚拟现实技术，构建网络化的虚拟实验环境，为学生搭建数字化、虚拟化的实验参与体验和探究过程，致力于打造参与体验式教学互动环节。教师借助虚拟实验室环境引导学生自己整合器材、设计实验思路和原理、搭建实验过程、操作虚拟实验器材，观察实验现象，记录思考实验原理和结论，进而理解实验结论和知识。这种依靠计算机、智能技术、传感器技术和人机交互技术的虚拟环境，为学生创建多元化的实验体验参与过程，在人机交互中发展学生化学思维，推动学生化学素养的提升，实验感知能力的强化。基于现代科技的虚拟实验室技术有以下教学特征：

第一，沉浸性。虚拟实验室技术搭建虚拟实验能让学生在安全的环境中操作各种实验，接近真实环境的实验操作过程，促使学生沉浸在实验中操作、思考、设计、推理和探究。这种身临其境的感觉，让学生沉浸在实验中感知实验的趣味性和科学性，体验实验操作过程，从而完成知识的思考、探究过程，激发学生主动研究化学知识的积极性，构建高质量实践参与的探究互动过程。

第二，交互性。虚拟实验室技术下的交互性是人与计算机形成的交互环境，通过传感器与技术的应用，形成一种与真实环境类似的虚拟互动过程。这种互动过程促使学生产生与真实客观世界相一致的视觉感观，提高学生参与实验的真实性，在虚拟环境中达成实验互动效果，完成实验研究与操作，提高参与性与体验性。

第三，实践性。虚拟实验技术下的实践性能引导学生基于化学知识开展实验操作与研究，在逻辑思考的过程中开展不同层次的研究和实践操作，在思考与实践同步开展中拓展认知和思维，进而提升学生化学知识理解与应用能力。这样的虚拟实验技术能强化学生的思考和逻辑思维，实现理性与感性的融入性体验。

二、 虚拟实验室环境下高中化学探究式教学优势

（一）开展自主学习研究模式

传统化学教学模式更重视理论教学，阻碍学生发散思维、创新能力及实践力的培养。在虚拟实验室技术下的化学教学改变传统教学中的理论主导模式，更重视学生自主设计、研究、操作和总结实验的过程，有利于学生对化学基础知识的利用，帮助学生深度理解化学实验原理和现象，推动学生化学素养提升。这与新课标的育人理想相契合，引导学生在虚拟实验环境中开展研究、思考和实践，探究化学知识的奥秘。

（二）创设微观世界研究过程

高中化学很多内容涉及微观粒子的概念和研究过程，在课堂教学中受到教学条件和硬件设备的限制，导致学生对微观粒子的研究只能局限于视频观看或者理论学习，不能构建实践参与的研究体验过程，不能开展直观的微观粒子研究。但是在虚拟实验室环境中，教师利用虚拟实验工具和设备带领学生对微观世界开展探索研究，观察微观世界的粒子运动过程，研究微观空间结构等。构建现实教学环境不能完成的研究过程，促进学生对化学知识的深度研究和参与体验，获得更加直观的探究体验。借助虚拟现实技术将宏观现象进行微观化仿真模拟，能有效展示构成物质的空间结构，并能动画模拟微观粒子在一定条件下的运动，有效突破教学难点。

（三）规避实验风险大胆探究

高中阶段的化学研究有很多属于危险系数较高的实验，学生在进行实验时，可能会由于操作不慎或其他原因，使人身安全或仪器设备安全受到威胁或造成损失。因此，很多具有危险性的实验只能通过视频展示，引导学生思考和研究。但是在虚拟实验室环境下，教师借助虚拟实验工具和材料构建化学研究实验，能打破地域限制，规避化学制品和实验的危险性，提高实验的安全度，引导学生在各种实验中操作，探究不同物质的化学反应，研究危险材料的化学属性，拓展实验研究种类和领域，带领学生充分体验化学实验的研究特点和创新特点。这样，学生能探究、体验参与各种化学实验，能对多种危险物质进行化学研究，规避传统课堂的单一性、危险性和理论性。

（四）打破时间限制提升效率

高中阶段很多实验的开展过程时间相对较长，需要等待反应过程。但是课堂时间有限，在开展这类实验时一般有两种选择：一种是教师开展实验的前部分，省略反应过程，直接展示反应的结果；另一种是进行理论研究，借助学生想象理解实验反应和操作过程。这样的化学教学不利于学生思维和能力发展，限制学生对实验的观察研究。而在虚拟实验室环境中，教师借助实验工具能加快反应过程，让学生亲眼看见实验过程和反应过程，对其中物质的变化有直观认知。这样能节省化学反应时间，又能构建观察探究过程，推动学生素养和能力的发展。

三、 虚拟实验室环境下高中化学探究式教学策略

（一）学生自主设计探究实验

高中化学教学旨在培养学生自主学习能力和思考能力，借助对化学知识的运用开展化学现象和实验研究，落实化学素养培育。对此，教师在教学中要重视学生自主研究能力的发展和强化，重视对化学知识的灵活运用，进而发展学生创新力和发散思维。对此，依据虚拟实验室环境利用虚拟实验工具，教师引导学生基于化学知识与研究题目自主设计实验、自主开展实验步骤思考、自主探究实验注意事项、自主参与实验操作、自主观察实验现象、自主总结实验规律和结论。通过自主学习模式的开展，发展学生探究能力，推动其理论知识灵活运用能力。教师可以利用虚拟实验室中的资源，从对实验仪器的拓展和对教材实验方法的生活化应用两个角度构建设计型实验课题及其具体教学内容。

例如，学习苏教版高一必修上册专题四第二单元《硫及其化合物的相互转化》时，在虚拟实验室，教师让学生以小组的模式自主设计研究实验，探究硫单质和汞、硫粉与铁粉的生成物。学生根据课本中的知识自主设计实验步骤、思考其中注意事项、自主记录实验过程、自主观察和发现、自主总结实验报告等，并在小组人员相互帮助的情况下科学、精准的完成虚拟实验操作。利用虚拟实验室环境，学生可以利用虚拟实验物质、设备、器材等观察实验现象，思考实验反应过程，获得直观的参与感与体验感，增强学生研究硫及其化合物化学属性的主动性。同时，利用小组研究模式，不仅可以发展学生自主设计与探究能力，还能培养学生协作精神，在相互探究与讨论中理解化学物质间的反应原理，懂得化学实验中的危险因素，理解化学实验的严谨性，进而提高虚拟化学实验的正确性和顺利性。这为学生深度探究构建虚拟实验环境，推动学生大胆设计、大胆猜想、大胆实验的主动性提升，构建有利于学生探究的互动过程，提升化学研究直观性和体验性。

（二）反面教学引发深度探究

在高中化学实验教学中，一般教师会强调注意事项、教授学生实验过程的正确操作方法，促使学生形成正确的操作认知，规避错误操作方式。但是很多学生对错误实验操作引发的后果感兴趣，由于害怕引发实验风险和人员伤害及设备损坏，学生只能将这种好奇心隐藏在心底。兴趣、好奇是探究与学习的动力来源，只有对化学研究充满好奇才能推动学生在化学探究中克服困难和问题，突破能力发展瓶颈，实现大跨步前进。但基于学生生命安全、化学实验设备及仪器安全考虑，一般教师不会带领学生探究错误操作过程，阻碍了学生兴趣发展和能力突破。因此，借助虚拟实验室环境，教师就能带领学生研究各种具有危险性的化学实验，在正确操作与错误操作的对比分析中，引导学生探究物质反应过程、现象和结果，形成全面、科学的化学思考、探究过程，完成深入研究体验，助力其对化学实验的创新设计。对此，虚拟实验室环境下的反面教学能对学生创新思考力、探究力开展深度培养，落实素质教育，构建提质增效的体验模式。

例如，学习苏教版高二选择性必修1专题一第二单元《化学能与电能的转化》时，教师引导学生研究化学能与电能之间的转化原理，借助实验的方式探究化学能如何转化成电能，并思考二者之间转化效率提高的方式等。其中学生要在实验探究中清楚电池的正负极，开展正确的线路连接和实验操作，否则有可能会导致实验中的电池出现短路或者爆炸等问题。对此，教师借助虚拟实验室环境，引导学生探究化学能与电能的转化过程，在实验操作中让学生尝试开展错误的实验操作，观察实验现象，获得正确操作实验步骤的思想认知。这样学生在对比分析研究中懂得化学实验的危险性和严谨性，理解教师反复强调安全操作化学实验的意义。通过虚拟实验室环境的构建，学生在反面教学中获得探究过程，并依据错误操作导致的局面开展分析研究，创新实验方案，促进学生探究实验、创新思考开展强化培养。因此，虚拟实验室的构建不仅能引导学生探究实验的真实性，还能在教学中引发学生思考、探究，获得对化学物质的深层次思考，进而根据化学知识原理开展探究性创新实践，获得新的思路与学习突破，助力学生化学素养的提升、发散思维的发展和实践力的增强。

（三）构建情境研究粒子运动

高中化学很多内容都在研究微观粒子运动规律及现象，形成理论性研究过程。这种抽象的研究过程不利于学生思考和理解，导致学生的探究过程呈现表面化特点，头脑中不能形成客观的画面，因此探究难度大、吸收效率低。对此，教师凭借虚拟实验室环境为学生构建研究情境，在近距离观察与探究中懂得微观粒子运动轨迹，研究直观、形象的微观世界，促使学生在视觉与思考共同加持下形成完整的理解过程，形成动态化的记忆画面，有利于对抽象粒子运动的深度理解。利用虚拟实验室环境构建情境教学，促使学生更加深入探究微观物质，增强学生研究化学的兴趣，营造浓厚的学习氛围，有利于化学高品质课堂的构建，让学生专注研究与思考，呈现动态研究过程，帮助学生观察与理解。

例如，学习苏教版高二选择性必修2专题二第一单元《原子核外电子的运动》时，教师利用虚拟实验室环境引导学生构建研究核外电子运动的情境，让学生近距离观察核外电子运动轨迹和能量集中性，并通过虚拟实验室的技术搭建电子云示意图，引导学生在观察中思考电子能量状态，探究能量高和能量低时电子运动模式及汇聚程度，进而理解电子云的含义和描述方法。之后，教师带领学生在情境中研究原子核外电子的运动特征，基于课本知识的理解与运用，观察并理解其运动轨迹，形成视频记忆画面，进而理解课本第28页图2-6S轨道和P轨道的示意图（图1），读懂其中蕴含的电子运动特征，将抽象的知识转变为形象的视频情境，提高理解吸收效率，简化学生学习探究深度。对此，教师要灵活利用虚拟实验室环境构建教学情境，引导学生基于情境开展观察、思考、探究，获得深度体验和探究收获。

（四）录制微视频强化实验理解

虚拟实验室环境基于信息技术能进行实验操作和录制过程，能利用科学技术对学生的实验操作过程进行录制、播放、下载，为学生反复观看学习研究提供载体。对此，教师可以利用虚拟实验室环境的技术条件在学生实验操作过程中引导学生记录自己的操作过程，形成学习微课视频；在实验结束后，便于学生反复观看、探究其中的实验步骤和原理，观察实验现象，讨论实验结论。教师引导学生先开展实验尝试，在掌握整体操作步骤后，开展实验过程微课视频录制，记录实验过程、现象和结论。在化学课复习阶段，引导学生利用微课视频开展实验探究，强化实验理解和理论研究，有利于对知识的综合分析，增强复习效果。对此，教师借助虚拟实验室环境的技术条件及学生熟练操作过程，引导学生录制微课视频，作为复习、探究资料开展深度、反复研究，推动学生深入性研究和过程性思考。

例如，学习苏教版高三选择性必修3专题五第三单元《有机合成设计》时，教师从课本拓宽视野引导学生通过实验探究离子液体中的有机反应。这样的研究与生活发展关联紧密，在高考中容易涉及。因此，教师引导学生利用虚拟实验室环境开展实验探究，观察N-丙烯酰基噁唑烷酮与环戊二烯在离子液体和二氯甲烷中的不同反应，探究其产物及反应过程，进而研究有机化合物转化研究的科技性和时代性。在学生熟练操作后，引导学生利用虚拟实验室的技术开展微课视频录制，将有机物转化、反应过程进行录制，并在录制时加速反应时间，提高视频学习指导性，同时为学生后期研究和视频探究提供载体及资料，促进复习高效化。

四、 结论

将虚拟实验室技术应用于高中化学研究是科技发展的必然趋势，也是提高学生化学探究的必然过程。因此，教师要灵活引导学生利用虚拟实验室环境搭建学习过程，开展实验探究与思考，在设计与操作中收获知识理解，在试错与微课视频录制中开展深度研究与思考。虚拟实验技术教学为学生探究化学知识提供渠道，为其深度研究化学实验过程提供载体，促使学生在实践操作中推动创新思维的发展，推动教学高品质落实，学生化学素养高质量培育。

参考文献：

［1］王齐耀.虚拟实验室技术在高中化学实验教学中的应用［J］.新课程教学（电子版），2023（3）：149-150.

［2］荣子龙.基于Unity3D的高中化学虚拟实验室的设计与开发［D］.兰州：西北师范大学，2022.

［3］卢榕.虚拟实验室环境下高中化学探究式教学活动设计与实践研究［D］.兰州：西北师范大学，2021.

［4］王健涛，刘亚男，蔡开聪.基于NOBOOK虚拟实验室技术的高中化学实验教学探究［J］.中学化学，2021（2）：6-9.

［5］吴荣华，方钦华，彭靖.虚拟实验室在探究式复习课中的应用——以《硫及其化合物的检验》为例［J］.中小学电教，2019（Z2）：46-49.

［6］刘昊.虚拟实验室在高中化学实验教学中的优势［J］.现代教育科学（中学教师），2015（5）：153，34.

［7］王安康.关于高中化学探究式教学开放性的思考与实践［J］.考试周刊，2014（8）：142.