【摘要】從當前高中“限制類”化學實驗的應用現狀出發，通過六個方面分析了化學虛擬仿真實驗在高中教學中的優勢，文章重點探析了虛擬仿真實驗在高中化學實驗教學中的應用實踐的三個方面：破“危”解“毒”，攻克傳統實驗“盲點”；抓“微”突“本”，解決傳統實驗“痛”點；培“核”育“才”，全面提升“素養”點。【關鍵詞】虛擬仿真；限制類；高中；化學實驗化學是一門基于實驗基礎的科學，隨著科技的發展，利用虛擬仿真等技術手段破解傳統實驗的短板，成為當前亟待解決的問題。教育部發布的《關于加強和改進中小學實驗教學意見》的文件中明確指出了“對于因受時空限制而在現實世界中無法觀察和控制的事物和現象、變化太快或變化太慢的過程，以及有危險性、破壞性和對環境有危害的實驗，可用增強現實、虛擬現實等技術手段呈現”。[1]因此，作為高中化學教師應深刻認識虛擬實驗教學的價值，用好用巧虛擬仿真實驗，助力提升教學效果。一、高中“限制類”化學實驗“限制類”實驗也就是傳統高中化學實驗中的幾類特殊性實驗，即毒性和危險性實驗難以做，微觀性實驗不好做，誤差性實驗做不好，時間周期類實驗不易表現。由于“限制類”化學實驗內容涵蓋了幾乎高中化學階段的所有重難點內容，如何讓學生體會到化學的神奇，感受到親自動手實驗的魅力，加深對知識的理解和深化，借助虛擬實驗仿真技術尤為重要。二、高中化學虛擬仿真實驗的優勢（一）實驗成本低虛擬仿真實驗具有節約人力、物力和時間成本的優勢。虛擬仿真實驗并不需要搭建專門的實驗室，不需要進行煩瑣的實驗各種器具、原材料的購買和制備，實驗中所用到的所有元素都是可重復使用的，實驗軟件的定時更新性，也使學生在不斷的學習過程中，能體驗到更多樣、更優秀、更精彩的實驗樂趣。（二）可重復性強虛擬仿真實驗的可重復性主要表現在兩個方面，一方面是試錯性強。在操作過程中由于步驟或方法的失誤而造成的實驗不成功，允許學生改進和完善后進行再次甚至多次實驗，直至實驗成功。另一方面是加強理解力。學生為了提高實驗的熟練程度或加深知識點的理解情況，可反復多次進行實驗，或者在課下也可以利用線上課程進行進一步的學習。（三）安全性強依托虛擬仿真實驗，不僅具有綠色環保的特征，還可以特意將那些由于誤操作所帶來的危險后果反復展現的形式，甚至讓學生親自體驗的形式，提升學生主觀上的安全意識。（四）教學實用性強利用虛擬實驗技術，打破了傳統實驗室的壁壘，使實驗在時間上更為靈活，同時還擺脫了實驗室空間上的限制，將實驗隨時引進到課堂理論講授中，教師可以在理論課程講授的同時進行實驗上的同步論證，學生也可以邊學習邊實驗驗證。（五）功能體驗性強虛擬實驗軟件在設計層面上具有較好的人機交互性、實用性以及美觀性，不僅支持實驗的預習、復習、知識點的總結和回顧等諸多功能，還通過設置的情境任務等方式，具有較強的參與性和趣味性，學生易于接受。（六）創新意識強虛擬實驗對于學生實驗操作持開放性態度，學生不必完全接受課本或輔導書上的方法，根據自己理解可自主進行實驗方案的設計改進，就為學生創新思維的發展提供了支持。三、虛擬仿真實驗在高中化學實驗教學中的應用實踐（一）破“危”解“毒”，攻克傳統實驗“盲點”高中化學“危”“毒”實驗的長期缺席，使學生無法切實感受到這些知識領域中化學實驗過程中所帶來的感性認知和直觀體驗。例如，在乙醇脫水制作乙烯的實驗中，傳統課堂體驗感較差。利用虛擬實驗技術則可以通過學生自主動手選擇虛擬實驗儀器設備，利用可視化數字技術進行溫度精準控制，利用可標識專用收集器皿進行產物的收集，并將高錳酸鉀、溴水、品紅溶液等試劑對實驗產物進行檢驗的形式，將這種集“危”“毒”各種因素的知識點進行巧妙化解，使學生在保證真實體驗感的同時，還極大地提高了實驗成功的概率[2]。（二）抓“微”突“本”，解決傳統實驗“痛”點傳統化學實驗中，微觀實驗、反應現象不突出、實驗過程周期長以及復雜實驗易產生誤差的實驗等，往往都是實驗教學中的“痛”點問題，利用虛擬實驗技術則可以既抓微觀，又突出本原，有效克服“老大難”問題。1.理論微觀實驗微觀實驗由于涉及原子、分子、離子等微觀的變化，理論性和抽象性較強，有些學生不能將理論知識與實驗現象有機地融合起來。利用虛擬仿真技術可以構建一種具有透視性、全息影像形式的模擬仿真環境，學生可以“第一視角”的形態滲入到物質的內部，融入微觀粒子之中，通過親身式直觀的感受，體驗實驗原理以及實驗過程中底層粒子分子、原子、離子間種類、形態、化合價、移動過程和數量、濃度等數據的微觀變化過程。例如，傳統教學中化學物質的結構部分，需要學生具有較強的邏輯轉化和空間思維能力，之前一直是教學難點，學生理解起來有難度，利用虛擬仿真實驗，將微觀空間，通過構建成色彩各異，全立體、全視角三維模型的形式，并配以“旅游式”的講解和“軌跡式”的運動，清晰地展示出雜化軌道、空間結構以及晶體的晶胞和相鄰原子間距離的計算等復雜的問題，學生通過這種仿佛置身于游戲世界的方式，[3]實現了透過現象看本質的本領，由此可增強學生對抽象問題的理解，降低了難度，全面激發了學生學習化學的熱情。2.反應現象不突出類實驗在傳統實驗操作過程中，有些實驗現象變化過程非常迅急，且人為不好控制，主體變化就在一瞬間，導致學生很容易忽略實驗中的關鍵點。以氫氧化亞鐵的制備實驗為例，由于氫氧化亞鐵在空氣中被氧化的進程非常短，很快就從白色沉淀氧化為灰綠色沉淀，當學生集中注意力觀察時，所看到的顏色是灰綠色，并將其誤認為是原本的顏色，很容易影響后面的實驗探究。利用虛擬實驗技術，在虛擬營造的真空無干擾的環境下，學生可以不必擔心外界環境所帶來的各種干擾因素，直接突出了實驗的本原特色，清晰地觀察到當氫氧化鈉溶液滴入氯化亞鐵溶液中時，會產生白色的氫氧化亞鐵沉淀的具體過程，[4]突出了實驗的重點。3.實驗周期長類實驗在傳統實驗中，有些實驗化學反應過程較為緩慢，要看到明顯的效果往往得按小時甚至以天算，一堂課內很難讓學生感受到實驗全過程、全周期。例如，以鐵的腐蝕試驗為例，要從視覺上看到明顯的實驗效果，課上的時間肯定是不足以支撐的。利用虛擬實驗技術，使學生在快速化學反應變化的環境下，加快實驗整體的進程，突破時空的限制，使學生觀察到試管中鐵吸氧腐蝕生銹的全變化過程。4.操作復雜，易產生誤差類實驗在化學反應的熱效應部分，關于中和反應反應熱的測定實驗中，該實驗要求學生操作實驗非常熟練并且快速，給學生思考和設計的時間很少，以減少打開瓶塞加入藥品時造成熱量的損失，減少熱量散布到空氣環境中造成的熱量損失，由于傳統環境下熱量的缺失不可避免，因此，學生所完成的實驗結果與理論上的標準實驗結果有一定的差異，而且在這種匆忙的氛圍中，學生實驗的體驗感并不高。在虛擬實驗中，學生只需要考慮到實驗主體要素是否正確，不必考慮熱量損失的影響而帶來的誤差，有充足的設計與規劃時間，甚至在實驗不成功后，還可以重新反思，查找問題，再次驗證，直至實驗順利完成。（三）培“核”育“才”，全面提升“素養”點《普通高中化學課程標準（2017版）》提出了化學學科核心素養概念，[5]在化學實驗中的核心素養主要指信息素養、思維素養、實踐素養以及創新素養和社會責任素養。在虛擬實驗教學中可以將核心素養有機地融入教學環節中，全面性培育人才。1.信息素養化學虛擬實驗教學其實就是學生利用計算機或智能終端平臺模擬實驗的全過程，學生在實驗過程中通過對數字化接口、硬件和軟件平臺的不斷磨合，會極大地提高他們對計算機的信息處理能力，對相關信息的加工和利用能力，并培養他們的信息素養。2.思維素養思維素養是指具備批判性思維、發散性思維、邏輯性思維和創新性思維等多種思維方式和方法。在虛擬仿真實驗中，可利用反復實驗的優勢，教師可提出一些帶有反思性的實驗問題，通過鼓勵學生利用可重復實驗的“復盤”去“反推”的方式，開拓其思維的寬度和廣度，通過去梳理其內在的邏輯關系、系統關系和內在聯系，提高其思維素養。3.實踐素養在虛擬仿真實驗中，學生可體驗到從實驗準備、實驗設計、實驗操作、實驗驗證、實驗回顧總結和實驗拓展與展望的“全鏈路”一體化、全過程、沉浸式實驗教學方式，學生在此過程中積累了實踐經驗，鍛煉了實踐動手能力，開拓了實踐學識，培養了實踐素養。4.創新素養在虛擬實驗操作平臺中，各類實驗器材和原料都是獨立模塊，可以單獨調用的，這就破除了傳統實驗器具和材料的阻礙，使學生具備了在完成常規實驗的基礎上，能夠“突發奇想”式地將實驗內容進行延伸，或者將前后節，甚至不同學科的實驗組合起來，也許在探尋的過程中會遇到一次次的失敗，但就是在這種反復式的改進和完善中，無形中培養了其創新素養的形成。5.社會責任素養在虛擬仿真實驗中，對于具有毒性或危險性的實驗產生物，教師可以安排成項目式的研討方案，讓學生運用科學環保的方法去處理，并通過實驗的形式去驗證、判斷和對比，學生也會在這種潛移默化中形成社