《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》明确提出：“以实验为基础是化学学科的重要特征之一，化学实验对于全面发展学生的化学学科核心素养有着极为重要的作用。”
［1］高中化学实验教学是化学学科教学的重要组成部分，对帮助学生理解化学原理、掌握实验技能、培养科学思维和创新能力，均具有不可替代的作用
［2］。在高三化学总复习这一承前启后的关键时期，实验内容的复习不仅关乎学生对元素化合物、化学反应原理等基础知识的巩固与深化，更直接关系到对其科学探究能力、证据推理与模型认知能力等高阶思维的培养与提升。但传统高中化学实验教学存在实验设备和场地不足、实验安全风险高、实验现象观察不全面、教学时间和空间有限等问题，这些问题已严重阻碍了实验教学效果的提升。
虚拟仿真实验基于高度发展的信息通信技术（ICT），利用计算机模拟、人工智能（AI）、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等先进技术手段，可构建虚拟仿真实验环境，模拟真实的化学实验过程
［3］。这种逼真、可交互的虚拟仿真实验环境，不仅允许使用者开展各种复杂、危险、现实中难以完成的化学实验项目（如爆炸反应、有毒气体制备等实验），获得近乎真实的反馈信息，还可以通过3D动画和特效功能展示微观层面的化学反应过程，从而将抽象的化学原理形象化、可视化。这一技术特性，使其天然成为解决高三化学实验复习困境的有力工具，能够突破时空与资源的限制，将抽象的微观过程可视化、危险的操作安全化、复杂的流程简单化。因此，如何科学、有效、系统地将虚拟仿真资源融入高三化学复习教学，实现虚拟仿真实验与真实教学的深度耦合，优化复习过程，提升复习效能，已成为当前基础化学教育工作者必须深入研究和实践的重要课题。为此，笔者展开系统性探索，以期为一线教学提供可资借鉴的思路与方法。
1 高三化学实验复习课存在的问题
1.1 时间成本高昂，复习效率低下
高三下学期，是整个中学阶段学业压力最大、时间最为宝贵的时期。各学科复习任务叠加，使得学校几乎不可能安排出足够的时间让全体学生重新进入实验室，完成所有必考实验的亲手操作。即便安排，一个完整的实验流程也需要经历组织、准备、实施到清理、总结诸环节，往往耗费数个课时，这对于分秒必争的高三复习阶段而言，非但成本过高，更显效率低下。
1.2 实验资源有限，必然众口难调
学校实验室的器材、药品和场地均是有限的，在高三大规模、高频次的复习需求下，这些资源显得捉襟见肘。更重要的是，学生的知识薄弱点存在个体差异，如有的学生需要反复练习滴定操作，有的则需要深入理解原电池原理；而统一的实验室操作根本无法满足这种个性化、针对性强的复习需求，导致出现“会的重复练，不会的没机会练”的局面。
1.3 安全环保约束，关键内容缺位
化学实验本身伴随着一定的风险性，而安全是化学实验不可逾越的红线。教材规定的大多数学生必做实验都是安全可控的，但对于涉及强腐蚀性（如浓硫酸、浓硝酸）、剧毒性（如氰化物、汞盐）、易燃易爆（如氢气，金属钾、钠）或污染性强的实验，出于绝对安全与环保的考虑，在常规教学中往往采取教师演示或视频播放的方式，甚至完全回避。这使得学生对于这类实验的认知仍停留在理论层面，缺乏对风险的真实感知和对应急处置的深刻理解，造成知识链条上的断裂。
1.4 仪器种类繁多，形态功能各异
对于启普发生器、酸式/碱式滴定管、三颈烧瓶等不常用或结构复杂的仪器，学生仅凭课本插图和教师的语言描述，难以在脑海中形成准确、立体的形象。这直接导致在分析实验装置图或进行实验设计时，学生常因理解不清仪器结构或功能而产生错误。
1.5 实验规范与否，直接关乎成败
以滴定管的“检漏、润洗、排气泡、读数”，分液漏斗的“振荡、放气、静置、分液”等操作为例，其中的每个细节都至关重要。在传统教学中，教师虽反复强调，但无法让每位学生都获得充足的练习时间并即时得到反馈，这导致“知”与“行”的脱节，遂使细节错误在书面考试中频发。
1.6 对接高考考查，缺乏创新设计
在新高考试题中，常出现基于教材实验的改进装置或全新情境下的组合仪器。学生若仅熟悉孤立的、固定的教材装置，则在面对需要自主选择、组装仪器以解决新问题的任务时，往往感到无从下手，缺乏仪器组装与功能迁移的创新能力。
1.7 认知方式抽象，机理理解困难
化学的终极解释，在于微观粒子层面。其中，许多核心概念，如化学键的断裂与形成、电解池中的离子定向迁移、化学平衡的动态过程等，都是肉眼不可见的。传统教学只能依赖教师的语言描述和静态的二维图示，这对于空间想象能力不足的学生而言，构建准确的微观图景极为困难，导致其对许多原理和现象的理解只能停留在机械记忆和生硬套用的层面，无法实现知识的迁移与应用
［4］。
2 虚拟仿真实验融合真实教学的理论基础
虚拟仿真技术在教学中的应用并非无源之水、无本之木，其设计与实施的背后需要得到教育心理学与学习科学等理论的支撑。
2.1 多元智能理论
1983年，美国教育心理学家霍华德·加德纳出版了《智能的结构》一书，其中提出的多元智能理论认为：人类至少存在8种相对独立的智能，如语言智能、逻辑—数理智能、空间智能、身体—动觉智能等
［3］。虚拟仿真资源，通过精美的三维模型、动态的视觉呈现和逼真的交互操作，能够同时、高效地调动学生的空间视觉智能（观察立体结构）、逻辑—数理智能（分析数据规律）和身体—动觉智能（模拟操作手势），能为不同智能优势类型的学生提供多样化的信息输入和认知加工通道，从而促进全体学生全方位、立体化地理解与建构复杂的化学实验知识。
2.2 建构主义理论
建构主义理论最早可追溯到皮亚杰，其核心要义可用一句话概括：以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构。虚拟仿真实验平台恰恰为学生提供了一个近乎完美的“主动建构”环境，学生不再是知识的被动接收器，而是化身为虚拟世界的“探索者”。他们可以自主地提出假设（“如果我用铜电极代替锌电极会怎样？”），在虚拟环境中进行尝试、操作，观察由此产生的现象和结果（电流表指针是否偏转），并对结果进行分析、反思，从而主动构建关于电化学的个性化、有意义的知识体系。这一实验教学过程以建构主义理论为指导，强调学生的主体地位，采取虚拟仿真手段，促进学生主动建构相关知识，提升解决问题的能力。
2.3 最近发展区理论
维果茨基的最近发展区理论指出：“学生的发展存在两种水平，一是现有的发展水平，二是其在外界指导和帮助下能够达到的潜在发展水平，这两者之间的差距即为‘最近发展区’。”
［5］在高三化学实验复习中，虚拟仿真实验可以充当有效的“教学脚手架”。例如，当学生已经掌握了乙酸乙酯制备的基本步骤（现有水平），但尚不能独立设计和优化实验方案时（潜在水平），教师可以引导学生在“NOBOOK”等虚拟平台中，通过改变催化剂种类、醇酸比例或温度等变量，观察产率的变化。虚拟环境降低了试错成本，让学生在教师的“支架”支持下，成功跨越最近发展区，实现认知能力的跃升。
2.4 人本主义学习理论
人本主义心理学的主要代表人物是罗杰斯，其理论强调教学要以学生为中心，尊重学生的情感、意愿和价值观，营造一种自由、安全、信任的学习氛围，以激发学生的内在潜能
［5］。该理论强调要以学生为中心来构建学习情境，但在真实的化学实验中，学生常常担心操作失误、损坏仪器、实验失败或发生危险，从而产生焦虑和紧张情绪。虚拟仿真实验环境则创设了一个“允许失败”的安全心理空间，学生在此无心理负担，可以进行各种尝试，甚至是“错误操作”（如将水倒入浓硫酸中），系统会以动画形式展示严重后果，并不会造成真实伤害。这种“安全的试错”机制，极大地保护了学生的求知欲和自尊心，培养了勇于探索的科学精神。
3 虚拟仿真实验融合真实教学的可行性分析
在当前教学环境中，将虚拟仿真技术大规模应用于高三化学复习阶段已具备了可行性。
3.1 技术可行性
随着“教育信息化2.0行动计划”的深入推进，我国中小学的信息技术基础设施已得到极大改善。“班班通”多媒体设备、交互式电子白板、计算机教室以及平板电脑等移动终端正在校园内加快推进应用，同时网络带宽持续升级，都为虚拟仿真资源的流畅运行与常态化应用提供了坚实的硬件基础。
3.2 资源可行性
教育市场的需求，催生了一批高质量的国产虚拟仿真软件。例如：“矩道科技”的3D虚拟仿真实验室在模型精度和物理引擎上表现出色；“NOBOOK虚拟仿真实验”则以资源丰富、操作简便见长；而“希沃白板”内置的学科工具，则能快速满足课堂即时演示需求。这些平台的内容严格遵循国家课程标准与高考考纲，科学性强，交互设计日趋人性化，为教学应用提供了丰富的资源选择。
3.3 教学需求可行性
高三化学复习在教学效率、资源覆盖、安全风险及认知深度等方面存在内在困境，形成了一种强烈的“拉力”，亟须一种新型教学手段来破局。虚拟仿真技术的特点——高效、安全、开放、可视化，恰好精准地匹配了这一刚性需求，其应用成为教学发展到一定阶段的必然选择。
4 虚拟仿真实验平台在高三化学复习中的应用案例
在实践中，教师应根据不同复习目标和内容，有针对性地选择和应用不同类型的虚拟仿真平台。
4.1 借助“希沃白板”，熟悉常见仪器，夯实基础
鉴于教室中的“希沃白板”可无限次重复使用平台所提供的数字化实验器材，我们可以将常见的化学仪器置于希沃课件中，上课时或拖拽或克隆，放大、缩小、组合仪器，即可在变换不同视角中重新认识和熟悉仪器。例如，可试着巧用动画将量筒和烧杯组合渐变成容量瓶，再用聚光灯效果引导学生仔细观察容量瓶上的温度、容积、刻度线等关键标识，从而让知识的掌握变得随机而富有趣味性。这样就可以高效地进行仪器认知教学，避免了炒冷饭式地重复旧知识，提升了课堂的复习效果（
图1）。
在开启一个实验专题（如“物质的分离与提纯”）复习时，利用“希沃白板5”的学科工具和资源库，教师可以随时从其中调用分液漏斗、冷凝管、蒸馏烧瓶等仪器的三维模型，在课堂上对其进行任意角度的旋转、缩放、拆分与组装；通过高亮标注和画笔功能，可以重点讲解仪器的关键部位（如分液漏斗的活塞和玻璃塞）和使用注意事项；还可以利用“希沃白板5”的“课堂活动”功能，设计“仪器配对”“装置组装排序”等互动游戏（
图2），让学生在轻松愉快的氛围中巩固对基础仪器的记忆与理解，从而为后续的深度复习打下坚实的基础。
4.2 借助“矩道科技”，深究操作细节
对于定量实验和操作规范性要求极高的实验，“矩道科技”这类高精度的3D虚拟仿真实验室具有不可替代的优势。“矩道科技”的虚拟仿真实验，能用VR虚拟现实技术呈现每一个操作细节。例如，用四氯化碳萃取碘水中碘的实验，涉及的操作细节有分液漏斗的检漏、萃取时的振荡操作、静置分层后液体如何放出等，而软件内置的智能评判系统能够实时监测学生的操作动作。
通过VR技术进行实验，可以边操作边发现问题，这对实验细节的掌握大有裨益。这种即时、精准的反馈，能够让学生深刻体会科学的严谨性，从而在内心树立起规范操作的意识，这是单纯的口头强调和板书示范难以达到的效果（
图3）。
4.3 借助“NOBOOK”平台，进行化学实验探究
“NOBOOK”平台是一个集模拟实验、仿真实验等于一体的教育平台，以其丰富的实验仪器与试剂素材，及可交互、易操作、变量可控（如溶液浓度可调等）、自由度高、直观性强等特点，成为开展开放式探究性复习的好工具，同时是对传统验证性实验的重要补充和升华。此外，该平台的虚拟仿真实验模块，还提供实验报告、边做边看等功能，便于学生学习实验操作的规范模式，了解实验的重难点。教师还可以直接将实验链接插入授课所使用的PPT或“希沃白板5”课件中，便于随时调取。同时，将二维码发送到班级群中，可以让学生在课余时间登录平台进行自主操作，增强学生的动手能力，培养其创新思维，增强其安全防范意识（
图3）。
5 借助虚拟仿真实验融合真实教学的优化策略
为确保虚拟仿真资源的应用能够取得实效，避免陷入技术应用的误区，教师需要遵循以下优化策略。
5.1 明确实验目的
使用虚拟仿真资源的第一原则是“目的先行”。教师在设计虚拟仿真实验之前，必须清晰界定使用虚拟仿真资源的具体目标是为了激发兴趣、认知仪器、练习技能、探究规律，还是突破认知难点？整个虚拟教学活动应紧密围绕这一核心目标展开，所有的交互设计和教师引导都应服务于该目标的达成，切忌为了追求课堂的“技术感”和“热闹”而盲目使用，导致教学目标的虚化和偏移。
5.2 注重交互的适切性
虚拟仿真实验的价值在于其“交互性”，但交互的层次有深有浅。对于初学者的操作，应设置基础操作引导环节；对于能力较强的学生，提供参数由其自主调节。至关重要的是，系统应对学生的关键操作（如试剂过量添加、温度超出安全范围）给予实时、有效的反馈，这样不仅能及时防范操作风险，更能帮助学生深入理解错误产生的原因；教师应多设置一些开放性问题，引导学生不仅仅“动手”操作，更要“动脑”思考，在交互中进行分析、比较、归纳和推理，以期将操作活动升华为思维活动。
5.3 明辨虚拟仿真实验与真实情境的一致性
一方面，虚拟仿真实验技术的核心价值在于借助平台模拟真实环境下的化学实验过程，这要求虚拟环境下的化学实验能够准确模拟真实情境下的各种反应，必须反映出变量之间的关系。例如：气体产生的速率需与浓度和温度变化相关联，沉淀现象应能精准体现不同物质的溶解度差异。同时，应积极预设并模拟常见的学生操作失误情境（如用排水法收集气体时，导管未伸入集气瓶底部），通过仿真结果直观展示操作失误的后果，从而引导学生反向推导出错误操作的实质及其违反的原理。
另一方面，教师必须清醒地认识到，虚拟仿真实验是对现实的一种理想化模拟。在教学中，要有意识地引导学生讨论虚拟环境与真实实验室的差异。例如，虚拟仿真实验中药品添加总是“恰好完全反应”，而现实中是存在误差的；虚拟仪器永远洁净无损，而现实需要清洗维护。这种对比，能帮助学生建立起对科学实验全面、辩证的认识，防止学生将虚拟世界的“完美”等同于现实世界的“复杂”，避免产生认知偏差。
5.4 加强教师数字素养培训
教师是虚拟仿真资源能否高效应用的关键。学校和教育部门要定期组织教师参与虚拟仿真实验技术应用方面的培训，以提升教师对数字技术的认识及操作水平。培训的内容，既包含虚拟仿真实验软件、智能实验设备、在线教学平台等的使用方法，也包含虚拟仿真实验软件与实验教学融合的教学设计、教学方法等内容
［6］，这有助于强化教师将虚拟资源与课程内容、教学目标、评价方式进行深度融合的教学设计能力。与此同时，鼓励教师组建教研共同体，共同开发、评鉴和分享优秀的虚拟仿真教学案例，促其从“技术使用者”成长为“智慧教学设计者”。
5.5 平衡虚拟仿真技术与实际操作
必须坚定不移地确认：虚拟仿真实验是真实实验的补充、延伸与深化，绝不可完全替代亲手实践。真实实验所带来的触觉、嗅觉等全方位感官刺激，对意外情况的应变处置，以及严谨细致的科学态度的养成，是虚拟仿真实验无法给予的。因此，在高三复习阶段，应坚持“虚实结合、优势互补”的原则。
对于基础性、代表性的实验，在时间允许的前提下力争安排真实的实验操作；对于高危险、高成本或“宏观—微观”联系紧密的实验，则优先采用虚拟仿真实验进行突破。只有如此，才能使二者相辅相成，共同构成一个完整、立体的化学实验复习体系。
6 结语
虚拟仿真资源为处于攻坚阶段的高三化学复习，特别是实验复习，注入了强大的活力与创新动能。它以其直观化、安全性、强交互和可探究的鲜明特征，有效地破解了传统复习模式中的诸多问题，为学生学科核心素养的落地提供了强有力的技术支撑。但我们更要明确，技术的先进性与教学的有效性之间并不能直接画等号。其最终成效，根本上取决于教育工作者能否以先进的教育理论为指导，以学生的发展需求为中心，进行科学、精巧的教学设计。
未来，我们应继续在“虚实结合”的路径上深入探索，不断优化应用策略，审慎地扬长避短，让虚拟仿真资源真正成为赋能高三化学复习、引领学生从知识掌握走向素养提升的“点睛之笔”，以期为培养具有创新精神和实践能力的高素质人才作出更大的贡献，最终实现党的二十大报告提出的“推进教育数字化，建设全民终身学习的学习型社会、学习型大国”的战略部署。
2023年度湖南省教育信息技术研究立项课题“虚拟仿真实验在理化生教学中的应用策略研究”(HNETR23085)
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