中學(xué)化學(xué)探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

楊　雪　王　娜　李　忠　姚俊峰

摘 要：虛擬演示實(shí)驗(yàn)有效地拓展了實(shí)驗(yàn)演示的范圍，降低了實(shí)驗(yàn)演示的成本和難度，給傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了生機(jī)，但它線性化的演示方式限制了學(xué)習(xí)者的發(fā)散思維能力。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文提出了探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想：通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)演示的多個(gè)路徑，供學(xué)習(xí)者根據(jù)自己的認(rèn)知特點(diǎn)來(lái)選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)演示現(xiàn)象，提高了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和探索能力。并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室制氧氣實(shí)驗(yàn)對(duì)探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行具體分析設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：探究性；虛擬演示實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)條件的控制；情感化交互設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1673-8454（2008）22-0051-03

一、引言

中學(xué)化學(xué)教材(初中全一冊(cè)、高中必修本、選修本)中共有189個(gè)演示實(shí)驗(yàn)（初中85個(gè)，高中104個(gè)），46個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)（初中19個(gè)，高中27個(gè)）。[1] 演示實(shí)驗(yàn)占80.4%,可見(jiàn)演示實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要性。在實(shí)驗(yàn)演示的過(guò)程中，教師應(yīng)發(fā)揮學(xué)習(xí)者的積極主動(dòng)性，使演示實(shí)驗(yàn)在發(fā)揮驗(yàn)證性作用的同時(shí)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的探究意識(shí)。

由于中學(xué)化學(xué)學(xué)科具有復(fù)雜性、微觀性和抽象性的特點(diǎn)，有的實(shí)驗(yàn)由于存在危險(xiǎn)性、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、不易觀察、不方便在課堂直接演示，而利用虛擬演示實(shí)驗(yàn)可以有效地拓展實(shí)驗(yàn)演示的范圍，幫助學(xué)習(xí)者較好地觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，更能加深對(duì)概念和規(guī)律的理解。

目前虛擬實(shí)驗(yàn)主要分為虛擬演示型和虛擬操作型，虛擬操作型實(shí)驗(yàn)的交互性很強(qiáng)，有的可以讓學(xué)習(xí)者自己來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了很好的仿真效果，但它的投入成本也很高，本文主要討論虛擬演示型實(shí)驗(yàn)。

虛擬演示實(shí)驗(yàn)具有傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)的演示功效，但它優(yōu)于傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)的人機(jī)交互性卻沒(méi)有真正地發(fā)揮出來(lái)，在具體應(yīng)用上還存在交互程度不高的現(xiàn)象，尤其是信息交互不足，大都是線性的演示過(guò)程，如圖1所示， 結(jié)構(gòu)圖中的線性結(jié)構(gòu)，一般是按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)好的路徑，沿實(shí)驗(yàn)步驟指示，逐步實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并不重視實(shí)驗(yàn)演示過(guò)程中量的因素，它在培養(yǎng)學(xué)習(xí)者科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)做實(shí)驗(yàn)的能力方面起到一定作用，但這種線性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，限制了學(xué)習(xí)者主體地位發(fā)揮，不利于學(xué)習(xí)者發(fā)散思維能力的培養(yǎng)和探究意識(shí)的形成。

二、探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想

針對(duì)虛擬演示實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題，根據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)習(xí)者探究能力的要求，虛擬演示實(shí)驗(yàn)要積極改變演示模式，為學(xué)習(xí)者的發(fā)散思維能力的培養(yǎng)提供一定的環(huán)境，幫助學(xué)習(xí)者更好地理解概念和規(guī)律，提高學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

1.探究的概念

美國(guó)國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)探究的定義是：探究是多層面的活動(dòng)，包括觀察；提出問(wèn)題；通過(guò)瀏覽書(shū)籍和其他信息資源發(fā)現(xiàn)什么是已經(jīng)知道的結(jié)論，制定調(diào)查研究計(jì)劃；根據(jù)實(shí)驗(yàn)證據(jù)對(duì)已有的結(jié)論作出評(píng)價(jià)；用工具收集、分析、解釋數(shù)據(jù)；提出解答，解釋和預(yù)測(cè)；交流結(jié)果。[2]

杜威首先將探究的思想引入教育界，他認(rèn)為，科學(xué)教學(xué)要注重學(xué)習(xí)科學(xué)研究的過(guò)程和方法。把探究的思想引入教育，更能提高學(xué)習(xí)者分析問(wèn)題的能力，充分發(fā)揮教師主導(dǎo)和學(xué)生主體的作用。

2.探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)的提出

在這個(gè)強(qiáng)調(diào)探究學(xué)習(xí)的時(shí)代，可以充分發(fā)揮虛擬演示實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)者的特征，控制實(shí)驗(yàn)的條件，比如根據(jù)在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生容易出錯(cuò)的操作、實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)或者在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中由于存在危險(xiǎn)性而不讓學(xué)生進(jìn)行的操作，來(lái)設(shè)計(jì)多個(gè)不同的演示路徑，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)具有情感交互的探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

如圖1結(jié)構(gòu)圖中的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)所示，這樣可以加強(qiáng)虛擬演示實(shí)驗(yàn)與學(xué)習(xí)者的交互，提高學(xué)習(xí)者的發(fā)散思維能力，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的探究意識(shí)。

探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)中的“探究性”，指的是通過(guò)以上的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)出來(lái)的實(shí)驗(yàn)具有探究性，比傳統(tǒng)的線性演示實(shí)驗(yàn)的探究性更深入、更具有演示的多樣性，當(dāng)然這里的“探究性”是有限制的，不是每個(gè)探究的層面都包括的，心理學(xué)研究認(rèn)為：人的意識(shí)支配人的行為，探究意識(shí)明確了，探究的行動(dòng)才有目標(biāo)和意義，探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)主要在觀察和提出問(wèn)題等方面來(lái)培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的探究意識(shí)，從實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和方法上提供給學(xué)習(xí)者多方面的實(shí)驗(yàn)演示效果，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者觀察與探究的能力。它可以和傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，組成一個(gè)完整的探究過(guò)程。

三、中學(xué)化學(xué)探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

中學(xué)化學(xué)探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)采用了樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，主要從三個(gè)層次來(lái)進(jìn)行分析，層層遞進(jìn)，設(shè)計(jì)逐步細(xì)化（如圖2）。下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)室制氧氣實(shí)驗(yàn)來(lái)具體分析。

圖2 探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)

1.第一層次：實(shí)驗(yàn)室制氧氣的探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

主要從理論指導(dǎo)、教學(xué)內(nèi)容的信息交互設(shè)計(jì)與技術(shù)的選擇與實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)室制氧氣的探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

（1）根據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，選擇相應(yīng)的教育理論

新課程標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的探究能力，為了更大程度地培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的探究能力，主要采用了分布式認(rèn)知理論和認(rèn)知心理學(xué)來(lái)指導(dǎo)探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

①分布式學(xué)習(xí)是一種教學(xué)模式，它允許指導(dǎo)者、學(xué)生和學(xué)習(xí)內(nèi)容分布于不同的非中心的位置，使教和學(xué)獨(dú)立于時(shí)空而發(fā)生。[3] 學(xué)習(xí)者以自己為中心，充分利用周圍一切可以利用的資源來(lái)進(jìn)行主體性學(xué)習(xí)；教師成為學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)者、指導(dǎo)者、參與者。分布式學(xué)習(xí)模式可以與傳統(tǒng)課堂相結(jié)合使用，更好地促進(jìn)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)。

實(shí)驗(yàn)室制氧氣的探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)，在分布式學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，課堂以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，教師引導(dǎo)學(xué)生思考、討論，并適時(shí)進(jìn)行點(diǎn)撥，充分體現(xiàn)師生的真正平等化。

②認(rèn)知通常指人獲得并應(yīng)用知識(shí)的過(guò)程，學(xué)習(xí)的過(guò)程就是對(duì)客觀事物的認(rèn)知過(guò)程。[4] 人們?cè)谡J(rèn)知客觀事物時(shí)，通過(guò)注意、感覺(jué)、知覺(jué)、記憶、思維、想象等各種心理活動(dòng)來(lái)交流信息，在心理學(xué)上叫認(rèn)知心理。

實(shí)驗(yàn)室制氧氣的探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)者主要在視覺(jué)信息刺激下，結(jié)合自己已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)演示現(xiàn)象所傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行組織和加工的過(guò)程。探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案離不開(kāi)對(duì)認(rèn)知心理的研究，它的設(shè)計(jì)要符合學(xué)習(xí)者的認(rèn)知規(guī)律。

（2）教學(xué)內(nèi)容的信息交互設(shè)計(jì)

教學(xué)內(nèi)容的信息交互設(shè)計(jì)主要是在分布式認(rèn)知理論和認(rèn)知心理學(xué)理論指導(dǎo)下，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)學(xué)習(xí)者主體地位的教學(xué)思想，發(fā)揮學(xué)習(xí)者的探究意識(shí)和創(chuàng)新能力。

（3）技術(shù)的選擇與實(shí)現(xiàn)

技術(shù)的選擇與實(shí)現(xiàn)主要從經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、方便性、教育性、科學(xué)性等方面來(lái)考慮，選擇Flash軟件來(lái)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室制氧氣的探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行二維模仿三維，實(shí)現(xiàn)生動(dòng)形象的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)演示。

2.第二層次：實(shí)驗(yàn)室制氧氣的教學(xué)內(nèi)容信息交互的設(shè)計(jì)

主要從對(duì)學(xué)習(xí)者特征分析、實(shí)驗(yàn)條件的控制方法、情感化的交互設(shè)計(jì)三個(gè)方面來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)室制取氧氣的教學(xué)內(nèi)容的信息交互進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

圖3 實(shí)驗(yàn)儀器選擇

（1）學(xué)習(xí)者特征分析

學(xué)習(xí)者是學(xué)習(xí)活動(dòng)的主體，學(xué)習(xí)者特征分析一般包括學(xué)習(xí)者初始能力分析、學(xué)習(xí)風(fēng)格、心理特征等分析。

新課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)發(fā)揮學(xué)習(xí)者的探究意識(shí)，發(fā)揮學(xué)習(xí)者的積極主動(dòng)性，要想在教學(xué)活動(dòng)中真正體現(xiàn)和發(fā)展學(xué)習(xí)者的主體性，在進(jìn)行探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，必須重視對(duì)學(xué)習(xí)者特征進(jìn)行分析。

（2）實(shí)驗(yàn)條件的控制方法

圖4 實(shí)驗(yàn)操作步驟

所謂實(shí)驗(yàn)條件的控制，就是將影響實(shí)驗(yàn)對(duì)象的諸條件中的一個(gè)條件作為可變，其他條件保持不變，探究此條件的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，以便找出最佳實(shí)驗(yàn)條件的一種科學(xué)方法。[5]

在實(shí)驗(yàn)室制氧氣的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件方法的控制，可以設(shè)計(jì)出多樣的實(shí)驗(yàn)演示路徑，供學(xué)習(xí)者根據(jù)自己的認(rèn)知特點(diǎn)來(lái)選擇觀看相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)演示現(xiàn)象，以此來(lái)培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的探究意識(shí)。

（3)學(xué)習(xí)環(huán)境的情感化交互設(shè)計(jì)

友好的用戶界面能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，形成最佳學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，激發(fā)學(xué)生探求新知識(shí)的欲望。

情感化交互設(shè)計(jì)有三個(gè)不同的層次：本能水平的設(shè)計(jì)、行為水平的設(shè)計(jì)、反思水平的設(shè)計(jì)。[6]其中本能水平的設(shè)計(jì)重視的是設(shè)計(jì)物品的外表、質(zhì)地和手感等，主要是設(shè)計(jì)物品的外形；行為水平的設(shè)計(jì)關(guān)注的是設(shè)計(jì)物品的功能、性能、可用性，主要是用戶使用產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)；反思水平的設(shè)計(jì)注重設(shè)計(jì)物品的印象和形象，設(shè)計(jì)產(chǎn)品給用戶的感覺(jué)，包括感情、意識(shí)、情緒和認(rèn)知等。[7]

實(shí)驗(yàn)室制氧氣的探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)如圖3所示，界面是以Web網(wǎng)頁(yè)呈現(xiàn)，左側(cè)是導(dǎo)航系統(tǒng)，方便學(xué)習(xí)者選擇相應(yīng)的操作，右側(cè)是模仿三維空間的教室，在黑板上演示實(shí)驗(yàn)的相應(yīng)操作?？傊?，要使這三種水平的設(shè)計(jì)盡量達(dá)到最優(yōu)化，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)和學(xué)習(xí)者的特征綜合設(shè)計(jì)出界面美觀友好，使用方便，能激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣和體現(xiàn)學(xué)習(xí)者探究意識(shí)的虛擬演示實(shí)驗(yàn)。

3.第三層次：實(shí)驗(yàn)室制氧氣的實(shí)驗(yàn)條件的控制方法具體分析

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件可分為三大類：化學(xué)藥品、實(shí)驗(yàn)儀器裝置及化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作?；瘜W(xué)藥品的選擇包括藥品的種類、藥品的形狀、藥品的重量大小等；實(shí)驗(yàn)儀器裝置的選擇主要是儀器的種類及不同的安裝方法；化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作，主要在組裝好化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器后，對(duì)化學(xué)藥品進(jìn)行點(diǎn)燃、加熱、振蕩等操作，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器和時(shí)間的控制等。實(shí)驗(yàn)條件的控制方法是設(shè)計(jì)和實(shí)施探究性實(shí)驗(yàn)的最常用的一種方法。[8]

正因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件的控制對(duì)于探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有重要意義，因而在義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)“發(fā)展科學(xué)探究能力”的“制定計(jì)劃要素”中，明確要求學(xué)生要具有“控制實(shí)驗(yàn)條件的意識(shí)”。[5]實(shí)驗(yàn)不同，實(shí)驗(yàn)的條件也不同，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)來(lái)控制實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)多個(gè)演示路徑。

在實(shí)驗(yàn)室制氧氣的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)化學(xué)藥品、實(shí)驗(yàn)儀器裝置及化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作的控制，來(lái)設(shè)計(jì)多個(gè)演示路徑，如圖3所示，通過(guò)選擇不同的實(shí)驗(yàn)儀器，可分為排空氣法和排水法兩種演示路徑；在實(shí)驗(yàn)操作方面，拆分儀器時(shí)，存在先撤導(dǎo)管還是先撤酒精燈的問(wèn)題，而先撤酒精燈的話就會(huì)出現(xiàn)試管爆炸的危險(xiǎn)，如圖4所示。存在危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)操作一般在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的條件下是不演示的，而虛擬演示實(shí)驗(yàn)可以為學(xué)習(xí)者演示。

四、結(jié)語(yǔ)

探究性虛擬演示實(shí)驗(yàn)，根據(jù)在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)條件的控制方法來(lái)設(shè)計(jì)多個(gè)不同的演示路徑，學(xué)習(xí)者可以觀看相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)演示結(jié)果，發(fā)展學(xué)習(xí)者的積極主動(dòng)性和探索的精神。這對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作有一定的指導(dǎo)和補(bǔ)充作用，并將成為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不可缺少的一部分。

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