雷江角澜涛
（汉中市龙岗学校 723001）
[摘要]：“宏观-微观-符号”是化学学习的三重表征形式。 学生往往很难在这三种表征之间自由转换。 究其原因，是化学实验教学方法单一。 虚拟仿真实验室的出现为实验教学的发展提供了更多的方法。 本文以“中和热的测定实验”为课例，在NOBOOK虚拟实验室的技术支持下进行应用研究。 结果表明,虚拟仿真实验室不仅激发了学生的实验热情,还帮助学生构建了化学的三种表征形式,同时为今后化学实验的发展提供了教学参考。
[关键词]: 实验教学虚拟实验室三重表示中和热的测定
化学实验是化学教育的重要组成部分，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，教师常常通过播放实验视频或在黑板上“写实验、画实验”的方式进行实验教学。 学生参与实验困难，不仅违背了“以学生为本”的教育理念，也不利于学生化学素养的培养。 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弘扬教育理念、提高教育质量具有重要意义。和教学，促进学生德、智、体、艺、体技能全面发展，对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融合提供了二次动力。 因此，化学教师应积极转变教育观念，创新实验教学方法。
一、虚拟仿真实验室
联合国教育、科学及文化组织（UNESCO）采用广泛接受的虚拟实验室（Virtual aboratory）定义：通过分布式信息和通信技术生产和发布成果的电子工作室，以实现远程协作、实验研究或其他目的。创新活动[2]。 化学虚拟仿真实验室利用虚拟现实技术将化学实验教具虚拟化、电子化，通过逼真的实验现象和声音为师生自由探索提供虚拟空间。
1.模拟性强，激发学生实验兴趣
建构主义理论的核心内容可以概括为：通过创设教学情境，让学生主动探索知识，主动建构所学知识的意义。 虚拟仿真实验室依靠虚拟现实、人机交互等技术，构建具有真实声音和现象的化学实验场景。 教师和学生可以共同参与化学实验过程，不仅激发学生的探索精神，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，如实验成本较高的实验、对环境造成严重污染的实验、无法观察微观现象的实验等[3]仿真化学实验室软件，可以采用虚拟实验室来进行教学。
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。 实验教学设计不仅有利于加强高中化学实验教学，而且有利于促进化学学科的发展。 在现行的实验教学体系下，高中化学教师不仅要教授学生理论知识，还需要承担化学实验的教学任务，这给教学带来了很大的压力。 同时，高中生正处于好奇心和探索欲望强烈的青春期阶段。 他们很难遵守化学实验室的规章制度，因此实验操作过程中的危险系数极高。 化学实验的进行需要以师生安全为前提。 因此，对于高危险性的化学实验，可以采用虚拟仿真实验室作为教学工具。 教师和学生可以在虚拟实验场景中共同进行实验探索，这不仅保证了教师和学生的安全。 人身安全，也实现了边做边学的教育理念。
3.可重复操作，对环境零污染
化学实验过程中，实验废物需要妥善处理。 由于缺乏化学素养，高中生随意倾倒化学实验试剂、丢弃固体废物，导致环境污染。 同时，对于一些需要即用试剂的实验，学生一旦出错，将无法在有限的时间内进行第二次测试，很容易挫伤学生的实验积极性，不利于学生的实验。有利于学生主动建构知识。 在NOBOOK虚拟仿真实验室中，实验软件可以在学生犯错时返回上一步，让学生尝试犯错的同时也让学生对实验的本质有更深入的了解，从而达到教学目标化学实验。 。
二、虚拟模拟实验室中和热测量实验研究
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学科[4]，不仅研究物质的宏观现象，而且探索物质的微观结构和性质。 因此，在化学学科中，学生在心理上形成了物质的三种表征形式：宏观表征、微观表征和符号表征[5]。 学生学习化学的本质是构建化学的三种表示形式，并能够在三种表示形式之间灵活转换[6]。 宏观表征主要是指学习者头脑中形成的外部可观察到的物质现象。 在化学实验中，可以认为是物质所表现出的可量化的宏观现象； 微观表征主要指微观粒子的结构组成、相互作用、相互作用等。 反应机制等微观属性在学习者头脑中的反映； 符号表征主要是指用拉丁文、英文字母和图形在学习者头脑中的反映。 其中，符号表征是宏观表征与微观表征之间的桥梁，微观表征是理解符号表征的催化剂。 学生在化学学习中常常难以从微观层面理解化学符号的含义。 如果化学教师能够在相关教育理论的指导下，利用虚拟仿真实验室等现代教育设备进行科学合理的教学，将有助于学生在三重表征之间灵活转换。
2、教学案例
(1) 教学内容：中和热测定实验
（2）教学目标：①掌握中和热的测量原理
②了解实验操作流程，提高实验操作能力
③培养学生宏观辨别和微观分析能力
（3）教学重难点：①教学重点：中和热测量步骤
②教学难点：中和热的测定原理
（4）教学工具：红河一体机、NOBOOK虚拟实验室软件
(五)教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计计划
教程
要求学生观察以下热化学方程
HCl(aq)+NaOH(aq)=NaCl(aq)+H2O(l)
ΔH= -57.3 KJ/mol。
我们如何判断反应是否是放热反应？ 如何获取反应热数据？
(1)通过触摸反应容器或测量溶液温度
(2)根据热量计算公式Q=cmΔt
引入新课程激发学生探究意识
讲授实验原理并指导学生设计实验流程
(1) Q=cmΔt
问：中和反应放出的热量
m：反应混合物的质量
c：代表比热容4.18J/(g·℃)，
Δt：反应混合物溶液的温差
(2)我们可以对计算公式进行变形。
Q=c×(ρ酸V酸+ρ碱V碱)×(t结束-t开始)
设：V酸=V碱=50mL；
ρ 酸 = ρ 碱 = 1g/cm3
分别取C酸=0.50mol/L、50ml。
C基=0.55mol/L，50ml
实验。
因此Q =0.418×(t结束-t开始) KJ
虚拟实验室界面已经为大家提供了我们需要的实验仪器。
（3）实验仪器：大烧杯、小烧杯（2个）、量筒（2个）、温度计（2个）、环形玻璃搅拌棒、0.50mol/L盐酸、0.55mol/L氢氧化钠、蒸馏水仿真化学实验室软件，用于绝缘泡沫和纸板（中心有两个小孔）。
要求学生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。
各小组进行讨论，初步设计实验步骤。 过程中老师也给予了指导。
培养学生创新思维能力
解释一下实验步骤
(1)用50ml量筒量取50mL 0.50mol/L盐酸，用温度计测量盐酸的温度，记录t1值。
(2)另取50ml量筒量取50mL 0.55mol/L氢氧化钠溶液，用温度计测量氢氧化钠溶液的温度，记录t2值。
(3)将两者一次性倒入具有保温作用的小烧杯中，用环形玻璃棒轻轻搅拌，准确读取混合溶液的最高温度，记为t3。
(4)重复试验两次，取测量值的平均值作为计算依据。
实验过程中需要注意哪些事项？
[思考]
(1)测量氢氧化钠溶液质量前，应先用蒸馏水冲洗温度计上的酸溶液。 冲洗后的溶液不能倒入小烧杯中，否则会引起溶液质量的变化。
(2)酸碱混合时，应立即、快速倒入，以免热量散失。
(3)搅拌过程中要缓慢搅拌，防止测温不准确。
与学生设计的程序互动，以增强对实验的理解
学生在虚拟仿真实验室软件中操作
以小组为单位，分三组进行实验。
t1/℃
t2/℃
t3/℃
25.0
25.1
28.3
25.0
25.0
28.2
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
观察实验过程中微观粒子的运动
并引入中和热的概念
（1）请根据中和反应中微观粒子的运动状态来思考中和反应的本质？
(2) 中和热
在稀溶液中，强酸和强碱之间的中和反应产生1摩尔液态水。 此时的反应热称为中和热。 其热化学方程为H+(aq)+OH-(aq)=H2O(l)
ΔH= -57.3KJ/mol
计算方法
ΔH= -Q/n(H2O) KJ/mol
请利用实验数据和计算公式计算中和热值。
本质是：
H+(aq)+OH-(aq)=H2O(l)
t1/℃
t2/℃
t3/℃
25.0
25.1
28.3
25.0
25.0
28.2
25.1
25.1
28.3
t初始=(t1+t2)/2
t=t3 结束
n(H2O)=0.025mol
ΔH=-53.8KJ/mol
培养学生宏观现象的微观分析能力
实验探索
（1）为什么实验中C是酸，C是碱？
(2) 为什么计算值小于57.3？
确保酸充分反应以计算生成水的物质的量。
实验过程中，保温效果较差，反应容器吸收了部分热量。
提高学生分析问题、解决问题的能力
概括
实验过程中，动作要快，记录最高温度。 一般来说，进行三个实验。 取平均值并将其代入公式中。
家庭作业
请课后查阅相关资料，分析影响中和热测量数据的相关因素有哪些？ 并结合现实生活实例，分析了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：“科学真理不应该在古代圣人尘封的书籍中找到，而应该在实验和基于实验的理论中找到。” 笔者认为，在高中化学实验教学中，要充分体现“以学生为中心”的教育理念，只有学生参与实验，才能真正发挥作用。 本课程的成功之处在于，学生在虚拟实验室软件的支持下，自主设计实验步骤、获取实验数据、处理数据并得出结论，体现了科学探究的过程。 同时，在实验中，学生从宏观现象出发，再进行到微观分析过程，最后用符号来表示，形成一个闭环。 缺点体现在：上课时间有限，没有深入探究； 教学硬件条件差，探索过程以小组形式进行； 由于学生是第一次使用，熟练程度还不好。
虚拟仿真实验室应用于高中化学实验课，可以有效弥补传统实验的不足。 先进的教育理论要通过具体的教学设计来应用。 虚拟仿真实验室与教学设计的有机结合，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
[1]刘强. 中小学实验教学新遵循——解读《关于加强和改进中小学实验教学的意见》[J]. 人民教育，2020（01）：33-35。
[2]詹姆士． 各不相同。 虚拟实验室专家会议报告。 联合国教育科学及文化组织。 巴黎：联合国教科文组织，2000.3-5
[3]曾鲁丹. 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] 黄杰. “宏微观符号”三元表示的化学学习研究[D]. 山东师范大学，2005.13
[6] 毕桦林，黄杰，解英丽。 化学学习中“宏微观符号”的三重表征研究[J]. 化学教育，2005(5):51-54
