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  • 虚拟实验室虚拟实验室。 发行于2019
  • 虚拟实验室

    2018-03-25 18:18:58
    自己是一名空想主义者,所以每天都会有一些奇思妙想。 这不,今天又有了一个主意,是看了...这不,提前是开发者要将软件所需内容转化到虚拟空间(实验所需的一切材料:包括化学药品、实验器材、实验操作流程虚拟化...

          自己是一名空想主义者,所以每天都会有一些奇思妙想。    这不,今天又有了一个主意,是看了Unity3D官方平台发的微信公众号消息之后的想法:为什么我们不开发一个应用软件是关于实验方面的呢?这样当科学家或者学习者可以通过虚拟软件进行提前预测所实验的结果,分析实验成功的概率等。这不,提前是开发者要将软件所需内容转化到虚拟空间(实验所需的一切材料:包括化学药品、实验器材、实验操作流程虚拟化),之后是编程(药物性质、互相反应后的变化、材料性质、操作步骤方法、所需环境条件、结果的智能分析和预测等)。

          有了这些条件,这才只是个开始,之后需要大量的实验数据分析,刚好可以应用当前比较火的人工智能、深度学习,通过大量的实验操作、输入数据之后,虚拟软件会自己学会做实验,或者得出人们想要的结果。只是个人想法,仅供参考学习,希望可以有熟练Unity3D、软件编程开发或者其他虚拟开发软件的大神共同交流心得,为祖国的发展尽一下微薄之力。

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    2021-02-09 00:09:12
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  • 虚拟仿真实验室在高中化学课堂中的应用探究雷江蛟 兰涛(汉中市龙岗学校 723001...本文以“中和热的测定实验”为课例,在NOBOOK虚拟实验室技术支持下进行应用探究。结果表明:虚拟仿真实验室不仅激发了学生的实验热情...

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    虚拟仿真实验室在高中化学课堂中的应用探究

    雷江蛟 兰涛

    (汉中市龙岗学校 723001)

    [摘要]:“宏观—微观—符号”作为化学学习的三重表征形式,学生往往较难在三种表征中自由转化,原因在于化学实验教学手段的单一。虚拟仿真实验室的出现为实验教学的开展提供更多的方法。本文以“中和热的测定实验”为课例,NOBOOK虚拟实验室技术支持下进行应用探究。结果表明:虚拟仿真实验室不仅激发了学生的实验热情,也有助于学生建构化学的三种表征形式。同时为未来化学实验的开展提供教学参考

    [关键词]:实验教学  虚拟实验室  三重表征  中和热的测定  

    化学实验是化学教育的重要组成部分,也是培养学生思维能力和创新精神的重要抓手。在传统的实验教学中,教师往往通过播放实验视频或者在黑板上“写实验,画实验”进行实验教学,学生较难参与到实验中来,这不仅违背了“以学生为本”的教育思想,也不利于培养学生的化学素养。2019年教育部印发《关于加强和改进中小学实验教学的意见》明确指出:加强和改进中小学实验教学对于推动教育思想、提高教育教学质量、促进学生德智体美劳全面发展,实现中华民族的伟大复兴具有重要的现实和战略意义[1]。虚拟仿真实验室的出现为化学实验与信息技术的接轨提供了二次动能,因此化学教师应积极转变教育思想,创新实验教学手段。

    一.虚拟仿真实验室

    联合国教科文组织(UNESCO)采用已被广泛接受的虚拟实验室的定义(Virtual aboratory):为了实现远程协作、实验研究或其他创新活动,通过分布式信息通讯技术产生并发布结果的电子工作室[2]。化学虚拟仿真实验室是通过虚拟现实技术,将化学实验教具虚拟化、电子化,并通过逼真的实验现象和声音,为广大师生提供可自由探究的虚拟空间。

    1.仿真性强,激发学生实验兴趣

    建构主义理论的核心内容可以总结为:通过创设教学情境,从而实现学生对知识的主动探索、以及对所学知识意义的主动建构。虚拟仿真实验室依托虚拟现实,人机交互等技术,以逼真的声音和现象搭建出化学实验场景,师生可以共同参与化学实验过程,不仅激发了学生的探索精神,也有助于提高教师的信息素养。同时对于实验室条件无法满足的化学实验项目,例如:实验成本较高的实验、对环境造成严重污染的实验、以及无法进行微观现象观测的实验[3],均可借助虚拟实验室开展教学。

    2.安全性高,保障师生人身安全

    化学是一门以实验为基础的自然科学,以实验为基础的教学设计不仅有利于加强高中化学实验教学,也有利于促进化学学科的发展。而现行实验教学体系下,高中化学教师不但要教授学生理论知识,还需要承担化学实验教学任务,教学压力较大。与此同时高中生处于好奇心胜、探究欲强的青春期阶段,在化学实验室中较难遵守规章制度,所以实验操作过程中危险系数极大。化学实验的开展需要以师生的生命安全为前提,因此对于危险性较高的化学实验、虚拟仿真实验室可以作为教学工具,师生共同在虚拟实验场景中开展实验探究,不仅保障了师生的人身安全,也实现了从做中学的教育思想。

    3.可重复操作,对环境零污染

    在化学实验过程中,需要恰当处理实验废弃物,而高中生由于缺乏化学素养,存在随意倾倒化学实验试剂和丢弃固体废弃物等现象,导致环境污染。同时部分需要现配现用试剂的实验,学生一旦操作错误,在有限的时间里,将无法进行二次试验,极易挫败学生的实验热情,也不利于学生知识的主动建构。在NOBOOK虚拟仿真实验室中,实验软件在学生操作错误时,可返回上一步,提供给学生试错的同时,也使得学生对实验的本质有了更加深刻的体会,从而实现化学实验的教学目标。

    二.虚拟仿真实验室在中和热的测定实验中的探究

    1.化学学习的“三重表征”形式

    化学作为研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的一门学科[4],不但研究物质的宏观现象,还要探析物质的微观结构和性质。因此,在化学学科中,学生在心理上就形成了对物质的三种表征形式:宏观表征、微观表征和符号表征[5]。学生学习化学的实质就是建构化学的三种表征形式,以及能在三种表征形式之间灵活转换[6]。宏观表征主要指学习者头脑中所形成物质外在可观察到的现象,在化学实验中可认为是物质所表现出可量化的宏观现象;微观表证主要指微观粒子的结构组成、相互作用、反应机理等微观属性在学习者头脑中的反映;符号表征主要指运用拉丁文、英文字母、图形在学习者头脑中的反映。其中符号表征是连接宏观表征和微观表征之间的桥梁,微观表征则是认识符号表征的催化剂,学生在化学学习中往往存在无法从微观上理解化学符号含义的困难。化学教师如果能借助虚拟仿真实验室等现代教育装备,在相关教育理论指导下,科学合理地进行教学,将有助于学生在三重表征之间灵活转化。

    2.教学案例

    (1)授课内容:中和热的测定实验

    (2)教学目标:掌握中和热的测定原理

               ②理解实验操作步骤,提高实验操作能力

               ③培养学生宏观辨识与微观探析能力

    (3)教学重难点:教学重点:中和热测定步骤

                 ②教学难点:中和热的测定原理

    (4)教学用具:鸿合一体机,NOBOOK虚拟实验室软件

    (5)教学过程

    教学环节

    教师活动

    学生活动

    设计意图

    导课

    请同学们观察下面这个热化学方程式

    HCl(aq)+NaOH(aq)=NaCl(aq)+H2O(l)

    ΔH= -57.3 KJ/mol

    我们如何判断该反应是放热反应?反应热的数据如何得到?

    (1)通过触摸反应容器或者测量溶液温度

    (2)根据热量的计算公式Q=cmΔt

    引入新课,激发学生探究意识

    讲授实验原理并引导学生设计实验步骤

    (1)Q=cmΔt

    Q:中和反应放出的的热量

    m:反应混合液的质量

    c:代表比热容  4.18J/(g•℃)

    ∆t:反应混合溶液的温度差

    (2)我们可以对计算公式进行变形。

    Q=c×(ρV+ρV)×(t—t)

    令:V=V=50mL;

    ρ=ρ=1g/cm3

    分别取C=0.50mol/L50ml

    C=0.55mol/L50ml

    进行试验。

    因此Q =0.418×(t—t) KJ

    在虚拟实验室界面已经给大家提供了我们所需要的实验仪器。

    (3)实验仪器:大烧杯、小烧杯(2个)、量筒(2个)、温度计(2支)环形玻璃搅拌棒、0.50mol/L 盐酸、0.55mol/L氢氧化钠、蒸馏水、用于保温的泡沫和硬纸板(中心有两个小孔)。

    请同学们根据中和热的计算方法和界面中的实验仪器初步设计实验步骤。

    聆听知识。

    小组之间展开讨论,初步设计实验步骤教师在此过程中巡视指导

    培养学生的创新思维能力

    讲解实验步骤

    (1)用一个50ml量筒量取50mL 0.50mol/L 盐酸,使用温度计测量盐酸的温度,记录数值t1

    (2)另取一个50ml量筒量取50mL 0.55mol/L 氢氧化钠溶液,使用温度计测量氢氧化钠溶液的温度,记录数值t2

    (3)将两者一次性倒入具有保温效果的小烧杯中,并且用环形玻璃棒轻轻搅动,并准确读出混合溶液的最高温度,记为t3

    (4)重复试验两次,取测量所得的平均值作为计算依据。

    在实验过程中我们有哪些注意事项?

    [思考]

    (1)温度计上的酸液要用蒸馏水冲洗干净后再测量氢氧化钠溶液的质量,且冲洗后的溶液不能倒入小烧杯,因为会引起溶液质量变化。

    (2)酸碱混合时,要一次性倒入且要迅速,避免热量散失

    (3)搅拌过程中,要缓,防止测量温度不准确。

    与学生设计的步骤进行交互加强对实验的理解

    学生在虚拟仿真实验室软件中进行操作

    以小组为单位,分三组进行试验。

    t1/

    t2/

    t3/

    1

    25.0

    25.1

    28.3

    2

    25.0

    25.0

    28.2

    3

    25.1

    25.1

    28.3

    培养学生实验操作能力,完成知识的主动建构

    观看实验过程中微观粒子运动状态

    并讲述中和热的概念

    (1)请大家根据中和反应的微观粒子的运动状态,思考中和反应的实质是什么?

    (2)中和热

    在稀溶液中,强酸与强碱发生中和反应每生成1mol液态水,这时的反应热叫做中和热。其热化学方程式为H+(aq)+OH-(aq)=H2O(l)

    ΔH= -57.3KJ/mol

    计算方法

    ΔH= -Q/n(H2O) KJ/mol

    请大家实验数据和计算式计算中和热的数值。

    实质是:

    H+(aq)+OH-(aq)=H2O(l)

    t1/

    t2/

    t3/

    1

    25.0

    25.1

    28.3

    2

    25.0

    25.0

    28.2

    3

    25.1

    25.1

    28.3

    t=(t1+t2)/2

    t=t3

    n(H2O)=0.025mol

    ΔH=-53.8KJ/mol

    培养学生宏观现象的微观探析能力

    实验探究

    (1)实验中为什么C˃C

    (2)为什么计算数值小于57.3

    保证酸充分反应,以此来计算生成水的物质的量

    实验过程中保温效果差,反应容器等吸收部分热量

    提高学生分析与解决问题的能力

    归纳小结

    在实验过程中,要迅速,记录最高温度,一般要进行三次实验。取平均值代入公式计算。

    布置作业

    请大家课后查阅相关资料分析影响中和热测定数据的相关因素有哪些?并结合生活实例,分析中和热在我们社会生产生活中的应用。

    三.反思与展望

    伽利略说过科学的真理不应该在古代圣人蒙着灰尘的书上去找,而应该在实验中和以实验为基础的理论中去找”,笔者认为在高中化学实验教学中,要充分体现以学生为本的教育思想,只有学生参与的实验才是真正有效的。本节课的成功之处在于在虚拟实验室软件的支持下,学生独立设计实验步骤、获取实验数据、处理数据并获得结论,体现了科学的探究过程。同时在实验中,学生从宏观现象入手,再到微观探析过程,最后用符号进行表征,形成闭环。不足之处体现在:课时有限,未深入展开探究;教学硬件欠佳,探究过程以小组为单位展开;由于学生初次使用,熟练度欠佳。

    虚拟仿真实验室应用于高中化学实验课堂中,可以有效的弥补传统实验所存在的不足。先进的教育理论应通过具体的教学设计得以运用,将虚拟仿真实验室与教学设计有机融合,可以充分发挥信息技术的优势,使教学过程更加有趣、生动。从而提高学生的实验操作能力,促进学生的思维发展。

    参考文献

    [1]刘强.中小学实验教学的新遵循《关于加强和改进中小学实验教学的意见》解读[J].人民教育,2020(01):33-35.

    [2]JAMES P. Vary. Report of the Expert Meeting on Virtual Laboratories. United Nations Educational Scientific and Cultural Organization. Paris: UNESCO, 2000.3-5

    [3]曾露丹.高中化学虚拟实验教学设计与实践研究[D].贵州:贵州师范大学,2016.

    [4]北京师范大学、华中师范大学、南京师范大学无机化学教研室.无机化学[M].北京:高等教育出版社,2002:3.

    [5]黄婕.“宏观微观符号三重表征的化学学习研究[D].山东师范大学,2005.13

    [6]毕华林,黄婕,介英丽.化学学习中宏观一微观一符号三重表征的研究[J].化学教育,2005(5):51-54

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  • 虚拟实验室的有时

    2012-10-23 12:16:07
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