一、研究背景与意义  

（一）研究背景  

初中化学实验教学是培养学生科学素养、实践能力和创新思维的重要途径。然而，当前化学实验教学中仍存在诸多现实问题：  

1. 实验条件受限：部分学校因实验室设备不足、药品短缺或经费有限，难以开展全部教材要求的实验。例如，金属活动性顺序探究实验需多种金属与酸反应，但部分农村学校仅能演示12种反应。  

2. 安全风险与操作难度：易燃易爆、有毒有害物质（如浓硫酸稀释、氢气爆炸实验）存在安全隐患，教师常以视频替代实操，学生缺乏真实操作体验。  

3. 微观现象可视化不足：传统实验难以直观展示分子运动、化学键断裂与形成等微观过程，导致学生对抽象概念理解困难。  

4. 学生参与度不均：受课时限制，实验多由教师演示或小组代表操作，多数学生停留在“旁观者”角色，动手机会有限。  

NB虚拟实验（以NOBOOK虚拟实验室为例）作为一种新型数字化实验工具，具备以下优势：  

 安全性高：可模拟危险性实验（如钠与水剧烈反应）而无安全风险；  

 成本低廉：无需消耗实体药品，解决资源匮乏问题；  

 微观可视化：通过3D动画展示分子、离子层面的动态变化；  

 交互性强：支持学生自主设计实验方案、调整参数并实时观察现象。  

（二）研究意义  

1. 理论意义：探索虚拟实验与传统实验的融合路径，丰富“线上线下混合式实验教学”理论体系，为化学实验教学改革提供新思路。  

2. 实践意义：  

    开发适用于初中化学的NB虚拟实验资源库，缓解实验条件不足问题；  

    提升学生实验参与度与探究能力，促进“证据推理”“科学探究”核心素养落地；  

    为教师提供可复制的虚拟实验教学策略，优化实验教学设计。  

 二、研究目标与内容  

（一）研究目标  

1. 分析初中化学实验教学现状及NB虚拟实验的应用需求；  

2. 开发适配初中化学课程的NB虚拟实验资源，构建“虚实结合”实验教学模式；  

3. 验证NB虚拟实验对学生实验能力、学习兴趣及成绩的影响效果；  

4. 形成可推广的虚拟实验教学实施策略与典型案例集。  

（二）研究内容  

1. 实验教学现状与需求调研  

    通过问卷调查与教师访谈，分析初中化学实验开设率、学生操作频率及教学难点。例如，统计“物质燃烧条件探究”“溶液配制”等实验的实际开展情况。  

    挖掘教师与学生对虚拟实验的功能需求，如“微观可视化”“错误操作后果模拟”等模块的优先级排序。  

2. NB虚拟实验资源开发与优化  

    基础实验库建设：针对教材中高风险、高消耗或微观抽象的实验（如“一氧化碳还原氧化铁”“分子运动现象”），开发交互式虚拟实验模块；  

    分层实验设计：根据学生认知水平，设置“基础操作→探究设计→创新拓展”三级实验任务。例如，在“酸碱中和反应”实验中，初级任务为观察颜色变化，高级任务需自主设计滴定方案并计算浓度；  

    错误操作模拟功能：构建常见错误操作场景（如直接闻氯气气味、向燃着酒精灯中添加酒精），通过虚拟后果警示强化安全意识。  

3. “虚实结合”教学模式构建  

    教学模式设计：  

      课前预习：通过NB虚拟实验完成基础操作训练（如量筒读数、酒精灯使用），减少课堂实操错误率；  

      课中融合：采用“虚拟演示→实体验证→对比反思”流程。例如，先通过NB模拟“铁钉生锈条件”的微观过程，再进行实物对照实验；  

      课后拓展：利用虚拟实验的无限重复性，布置家庭探究任务（如探究不同催化剂对过氧化氢分解速率的影响）。  

    教学策略开发：  

      微观可视化策略：通过虚拟实验拆解抽象概念。例如，用3D动画展示电解水过程中氢氧原子的分离与重组；  

      游戏化学习策略：设计实验闯关任务，如“化学实验室安全考核”“实验方案设计PK赛”，提升学生参与兴趣。  

4. 教学效果评估与优化  

    能力评估：从“操作规范性”“方案设计能力”“数据分析能力”三个维度构建实验能力评价量表；  

    对比实验设计：选取实验班与对照班，实验班采用“虚实结合”模式，对照班沿用传统教学，对比两组学生的实验考核成绩、探究行为频率及学习兴趣量表得分；  

    案例库建设：整理典型教学案例（如“虚拟实验助力微观概念教学”“虚实结合突破实验难点”），提炼操作要点与注意事项。  

 三、研究方法  

（一）文献研究法  

系统梳理国内外虚拟实验教学研究文献，聚焦初中化学实验教学痛点、NB虚拟实验功能特性及融合路径，为本研究提供理论支撑。  

（二）调查研究法  

1. 问卷调查：面向10所初中的化学教师与学生发放问卷，收集实验开设情况、虚拟实验应用需求及教学改进建议；  

2. 访谈法：对20名化学教师进行深度访谈，挖掘实验教学中的真实困境与创新诉求。  

（三）行动研究法  

1. 资源开发阶段：组建“学科教师+技术专家”团队，依据教材与课标开发虚拟实验模块，经三轮试用反馈后优化；  

2. 教学实施阶段：在实验班开展“虚实结合”教学实践，通过课堂观察、学生作品分析及教师反思日志动态调整策略。  

（四）实验研究法  

1. 变量设计：自变量为NB虚拟实验的应用方式（纯虚拟/虚实结合/传统），因变量包括实验成绩、探究能力与学习兴趣；  

2. 数据采集：通过实验操作录像、学习平台行为日志及前后测成绩进行多维度分析。  

 四、预期成果  

（一）理论成果  

1. 发表核心论文23篇，主题包括“虚拟实验与核心素养培养”“初中化学虚实结合教学模式构建”；  

2. 撰写《NB虚拟实验在初中化学教学中的应用研究》报告，揭示虚拟实验对学生实验能力的影响机制。  

（二）实践成果  

1. 资源建设：  

    完成30个NB虚拟实验资源开发，覆盖人教版初中化学80%的实验内容；  

    形成“基础操作训练”“微观过程解析”“探究实验设计”三级资源库。  

2. 教学模式：  

    提出“虚拟预习→虚实融合→拓展探究”三阶教学模式，配套10个典型教学案例；  

    开发“虚拟实验助力教学难点突破”等5类教学策略。  

3. 社会效益：  

    实验班学生实验操作考核优秀率提升20%，探究性学习行为频率增加35%；  

    项目成果推广至50所初中，助力区域实验教学资源均衡配置。  

 五、研究基础与条件  

（一）研究团队  

1. 课题负责人为化学教育专业副教授，主持省级教育技术课题2项，发表实验教学相关论文8篇；  

2. 团队成员包括5名初中化学骨干教师（教龄10年以上）、2名教育技术专家及3名软件开发工程师。  

（二）前期基础  

1. 已初步开发15个初中化学虚拟实验模块，在3所学校试用并获师生好评；  

2. 与NOBOOK虚拟实验室平台达成合作，获得技术接口支持与数据调用权限。  

（三）保障条件  

1. 合作学校提供智慧教室、实验录播系统等硬件支持；  

2. 教育局专项经费覆盖资源开发、教师培训及数据采集；  

3. 高校研究团队提供SPSS、NVivo等数据分析工具的技术指导。  

 六、研究特色与创新  

（一）研究视角创新  

突破单一技术应用视角，从“实验教学重构”高度探索虚拟实验与传统实验的深度融合路径，提出“以虚促实、虚实互补”的教学理念。  

（二）技术整合创新  

1. 在NB虚拟实验中嵌入“微观可视化”“错误操作模拟”等特色功能，弥补传统实验短板；  

2. 利用平台学习行为数据分析功能，实现实验操作过程的精准评价与个性化反馈。  

（三）应用模式创新  

1. 构建分层实验任务体系，满足不同能力层次学生的学习需求；  

2. 开发跨学科融合案例，如“虚拟实验中的数学建模（溶液浓度计算）”“实验方案设计中的逻辑思维训练”。  

 七、总结  

本研究以解决初中化学实验教学现实问题为导向，以NB虚拟实验为技术支撑，通过资源开发、模式构建与效果验证，探索数字化实验教学的新路径。研究成果将为化学实验教学创新提供理论依据与实践范例，助力“双减”背景下课堂教学质量的全面提升。