化学实验是初中学生经历科学探究的重要形式，由此决定了具备基本的化学实验技能是学习化学的基础和保证。“氧气的实验室制取与性质”是义务教育化学课程标准（2022年版）中学生必做实验及实践活动之一，故而帮助学生建构实验室气体制备的基本思路与方法，对后续学习二氧化碳等气体的实验室制取与性质具有承上启下的作用
［1］。在初中化学教学阶段，学生尚处于化学学习方法和基本实验操作技能的起步阶段，即使是借助演示实验或学生分组实验，其在学习时存在的实验设计思路模糊、仪器选取方法错误、装置组装理解混乱等问题依然得不到有效解决。为此，结合人教版化学九年级的课程设计内容，以“氧气的实验室制取与性质”为研究对象，将虚拟现实技术适时引入化学教学实践中，实现线上线下教学的优势互补，建构“三室联合教学法”（
图1），即“虚拟实验室+化学实验室+家庭‘实验室’”三室联合的气体制取教学法，从而为教学形态的多样化提供路径和素材。这一教学法的优点体现在，可以在不同的实验场景下满足不同的学习需求，通过“做中学”“用中学”“创中学”调动学生的主动性，最大限度地提高实验学习的效果，使学生体会到化学学科的价值，即通过实验创造并使用新物质，促使学生形成基本的化学观念，帮助其养成良好的实验习惯，端正其科学态度，进而发展其科学思维。
1 教学目标
（1） 学习制氧需求、制氧原理和制氧操作（虚拟实验模拟与真实实验相结合）等知识点，初步形成实验室制取气体的一般思路和方法。
（2） 坚持虚实结合方式，学习固固加热型装置制取气体的规范操作步骤，强化安全意识，夯实基本实验技能。
（3） 经历从真实需求到实验室研究，再到生产生活中应用的学习过程，感受化学学习的重要价值，初步形成从化学视角关注社会生活的意识，提高解决真实情境中的简单实验问题的能力。
2 教学过程
【创设情境】
视频播放：展示2022年北京冬奥会开幕式上的烟花、非物质文化遗产——“打铁花”。烟花、“打铁花”之美，皆是化学之美！如此绚丽的表演皆因燃烧这种常见的化学反应，而燃烧反应的幕后英雄就是氧气，利用的是其助燃性。但是，关于烟花和“打铁花”在现实生活中的使用却遇到了一些问题，遂有以下师生对话。
生：烟花燃烧会产生大量的污染物，如二氧化硫等，导致很多地方禁止燃放烟花；“打铁花”的铁水温度非常高，不仅危险而且表演难度高，所以此项非遗产品的文化传承较为困难。
师：同学们，想研究的问题或愿望是什么？
生：想做烟花实验，看到炫酷的现象；想知道燃放烟花时为什么会产生二氧化硫等污染物，如何处理污染物，如何制得无污染的烟花；想去“打铁花”，传承非遗文化。
师：同学们，感兴趣的化学问题可以通过化学实验来解决。老师提供火药成分中的硫磺、木炭及铁丝等实验材料，而纯净的氧气需要同学们走进化学实验室制取。在实验室中如何安全、规范地制得纯净的氧气呢？同学们，你们不仅要在虚拟实验室中学习实验室制取氧气的方法，还要进入真实实验室中制得氧气并进行实验研究。让我们开启虚拟实验室的学习之旅吧！
2.1 实验场景1——虚拟实验室
（1） 选原理。
学生通过课前了解并制作关于高锰酸钾、氯酸钾和过氧化氢的物质卡片（
图2），明晰了3种物质的特性、用途和制氧原理。
（2） 定装置。
师：若用高锰酸钾制得一瓶氧气，你会选择哪些仪器？理由是什么？
生：需要酒精灯，因为反应条件是加热；试管用来装高锰酸钾；试管夹用来夹持试管；铁架台更好，因为铁架台可以固定试管，解放双手收集气体。
师：我们将选择的仪器分类，产生氧气的装置称为发生装置，收集氧气的装置称为收集装置。同学们，选择的装置适用于利用氯酸钾或者过氧化氢制氧气吗？选择发生装置的依据是什么呢？
生：氯酸钾制氧气的装置与高锰酸钾一致，但过氧化氢是液体，且不需要加热，所以发生装置有所不同。因此，不同的反应原理需要的仪器和装置的模型有所不同，选择依据是反应条件和反应物的状态。
生：以加热高锰酸钾制氧气为例，借助虚拟实验室，尝试组装发生装置并加以展示。
师：两套装置最大的区别是试管口的方向不同，对实验是否有影响呢？
播放视频：观看模拟实验视频，了解试管口向上倾斜的后果，明确试管口应略向下倾斜。
继续提问（教师）：收集装置该如何搭建呢？收集气体的方法都有哪些呢？氧气该如何收集呢？请同学们在刚才发生装置的基础上，继续组装收集装置。
生：氧气的收集方法是排水法和向上排空气法，选择的依据是气体的性质，包括密度、溶解性，以及是否与水反应。
师：在组装的过程中有些细节需要同学们注意，请同学们通过观看模拟实验视频，将收集装置加以完善。
生：收集装置的组装需要注意以下两点：第一，在采用向上排空气法收集气体时，玻璃导管需要伸至集气瓶底部，方能将瓶中空气排尽；第二，在采用排水法收集气体时，为将瓶中水排尽，导管伸入集气瓶口不能过长。
师：改进装置后，归纳并总结两套制取氧气的发生装置：固固加热型和固液不加热型；两种收集氧气的方法：排水法和向上排空气法。
（3） 明步骤。
选定制取氧气发生装置和收集装置后，以加热高锰酸钾固体、排水法收集氧气为例，明确实验室制取氧气的具体步骤以及用该方法制取氧气的注意事项、操作要点。
学生讨论并梳理操作步骤后进入虚拟实验室，在尝试制取氧气时发现实验过程会发生以下意外：首先，开始加热时气泡少，过一会儿气泡连续、均匀，选择何时收集呢？其次，水槽中的水变为紫色，怎么避免呢？最后，先熄灭酒精灯，发现水槽中的水流入试管，会使试管炸裂。
师：以上虚拟试错现象说明，同学们在真实实验时需要注意规避错误操作带来的实验安全问题，由此梳理出采用高锰酸钾固体、排水法收集氧气的实验操作步骤为：“查—装—定—点—收—离—熄”（谐音记忆“茶庄定点收利息”）。接下来，让我们观看在真实实验室中制取氧气的实验视频（播放视频），进一步巩固学习成果。
学生通过虚拟实验室“选原理→定装置→明步骤”的学习，总结实验室制取气体的基本思路和方法（
图3）。
2.2 实验场景2——化学实验室
接下来，师生进入化学实验室，按安全、规范的要求制取氧气并进行硫、木炭、铁丝与氧气的性质实验。
（1） 制取特定需求的氧气。
师：硫燃烧会生成有害气体二氧化硫，必然需要用水吸收二氧化硫，因此，与硫反应的氧气在收集时集气瓶中应预留少量水；木炭燃烧会生成二氧化碳，可以用澄清石灰水加以检验；针对铁的燃烧，从非遗文化“打铁花”中我们了解到铁燃烧时的温度非常高，因此在做铁丝燃烧实验时，应该用坩埚钳夹持铁丝，以防烫伤手；另外，为防止集气瓶炸裂，瓶中应预留有少量水。
学生根据实验目的，选取实验用品，制取氧气。
师：二氧化硫有毒，故硫燃烧应在通风条件下演示；木炭与铁丝反应须由同学们亲自操作，制取两瓶氧气。
生：用高锰酸钾制取两瓶氧气，其中收集的一瓶氧气中应预留有少量水。
（2） 氧气的性质实验。
教师直播在通风橱中硫在空气中和氧气中燃烧的演示实验。
学生观察并描述实验现象，包括颜色、状态、气味、吸放热等，并尝试写出硫燃烧的文字表达式。
教师指导学生明确实验任务。
学生进行以下实验并完成相关任务：实验1.木炭在空气中加热时呈红热，在氧气中燃烧发出白光，生成能使澄清石灰水变浑浊的气体，放出大量热；正确、全面地记录实验现象并写出木炭燃烧的文字表达式；实验2.铁丝燃烧的实验，直接加热导致实验失败。
教师展示“打铁花”实验，并从增大接触面积和引燃等角度改进实验方法。
学生以小组合作形式改进实验方案并尝试进行实验操作，成功实验后记录实验现象并写出铁丝在氧气中燃烧的文字表达式。
（3） 实验收获。
师：通过对氧气的实验室制取与性质的学习与实践，你的收获有哪些？
生：要有目的地制取特定需求的氧气；实验前要充分了解不同物质的性质，有针对性地设计实验；在实验过程中要不断改进实验方案，达到最佳的实验效果；等等。
2.3 实验场景3——家庭“实验室”
（1） 布置任务。
展示学哥、学姐家庭实验成果，激发学生参与家庭实验的积极性。尝试用所学氧气制备的相关知识，在药店或者现实生活中寻找合适的制氧剂和仪器，代替实验室药品和仪器，完成氧气的制取和检验等实验。
（2） 参考材料。
实验用品：药店购买的高锰酸钾和过氧化氢溶液、干酵母粉（代替二氧化锰作为催化剂）、烧烤用木炭、钢丝球（代替铁丝）、木质棉签（代替木条）、长柄夹子（代替坩埚钳）、500 mL透明塑料瓶。
实验药品及建议用量：过氧化氢溶液50 mL、干酵母2 g，待塑料瓶中充满气泡后开始实验。
（3） 注意事项。
家庭实验时要参考任务单上的用量，在家长的陪同下进行实验；向家长讲述实验原理，以及氧气在生产生活中的应用；实验时一定要注意安全，规范操作；准备好灭火预案（如湿抹布等），做好防护，预防失火，防止烫伤。
（4） 成果展示。
3 教学效果分析
（1） 评价作为教学系统中不可或缺的重要组成部分，其功能是诊断学习效果、改进教学和促进课程目标的落实。倡导基于证据诊断发展学生的核心素养，故教师需要依据“物质的性质和应用”学习主题的内容要求、学业要求以及质量描述，制定评价量表，采用教师评价、学生自评和同伴互评的评价方式，搜集学生在“虚拟实验室+化学实验室+家庭‘实验室’”学习活动中的表现证据，用于学生自我诊断、组间评价和教师评价反馈。
（2） 从学生评价量表的反馈来看，多数学生在实验设计环节都能根据氧气制备原理，利用虚拟实验设计气体发生装置；根据氧气性质，利用虚拟实验选择收集装置；对虚拟实验平台不限时、不限量、不限空间的多元互动学习方式，持积极态度；在“定装置”和“明步骤”实验环节中不断试错，能发现问题、解决问题；在实验实施环节即氧气的实验室制取过程中，能通过虚拟实验的模型建构做到规范化操作，并有较强的实验安全意识；在交流反思环节，大多数学生对自我和同伴的评价较为乐观，表现出积极的学习态度，但在提出疑问和倾听方面尚需努力。
（3） 基于教师测评评价量表，依据课程标准对应的学业质量描述下的七方面测评内容，借助课堂观察并结合数据分析可知，学生能较好地使用虚拟平台，但在用规范语言呈现探究结果，与他人交流、讨论，以及实验现象记录和按规范要求书写实验报告等方面尚需进一步加强。在操作家庭小实验时，学生能依据氧气的制取与性质从生活中选择适宜的用品制取并验证氧气，充分体现了基于真实问题情境的“做中学”“用中学”“创中学”，在调动学生主动性的同时最大限度地提高了实验学习的效果。
4 教学反思
核心素养内容化是核心素养落地的前提和关键。在初中化学实验教学中，“三室联合教学法”弥补了以往气体制备实验的程式化教学，让实验方法和科学思维贯穿于线上和线下、课内到课外，学生不再是技能操练和知识堆砌的践行者，而能最大限度地获取知识背后的思想和方法。“虚拟实验+学生实验”相结合的方式，为理论知识和实践操作搭建了桥梁，在帮助学生逐步形成实验室制取气体的一般思路和方法的同时，体现了学习的体验性与建构性。基于实践活动建构化学观念，能帮助学生增进对化学科学的理解，而以“家庭‘实验室’”为平台的实验活动，为学生创设了更多的动手实践机会，便于其应用化学知识发现并解决问题，从而充分发挥化学的育人价值，发展学生的探究能力和创新意识。师生共同参与，能够及时捕捉课堂生成行为；对渗透于教学过程中的学习动机、学习态度，以及与学习密切相关的非智力因素进行判断，就起到了诊断反馈、强化学习和激励动机的作用；教师获得教学过程中的连续性反馈，为了解学生的学习效果、学习历程、学习特点和学习困难等信息，提供了教学改进和个别辅导的依据，使整个教学过程得到了充分的监控、反馈、补救和改进，最终有利于教学质量的提高。
宁夏回族自治区第六届基础教育教学课题“虚拟实验辅助初中化学实验教学的应用研究”(JXKT-HL-06-013)
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