中學化學仿真實驗的開發(fā)與實施策略

摘要：為有效改變中學化學實驗教學所處的現(xiàn)實困境，切實提高實驗教學質(zhì)量，通過實際調(diào)查，分析了當前中學化學實驗教學中客觀存在的問題及產(chǎn)生原因，提出了一種新的信息化應對策略——中學化學仿真實驗平臺，并簡述了利用該平臺開展仿真實驗以解決中學化學實驗教學問題的方法及實施策略。

關(guān)鍵詞：中學化學仿真實驗平臺；仿真實驗開發(fā)與實施策略；中學化學實驗教學

文章編號：1005–6629（2013）12–0020–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

化學是一門以實驗為基礎的自然科學[1]，化學實驗在化學教學中有著舉足輕重的地位。它不僅能充分激發(fā)學生學習化學的興趣，還能創(chuàng)設生動活潑的化學教學情境，有效培養(yǎng)學生的觀察能力、思維能力、實驗能力、與人協(xié)作的能力以及分析和解決問題的能力。此外，在新課程改革大力推進的今天，化學實驗還是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和科學探究能力的重要途徑。因此，化學實驗教學是化學教學的重要組成部分，是學生獲得和運用知識、掌握實驗技能、形成實驗能力和提高科學素養(yǎng)的重要途徑。

然而，受諸多主客觀條件的限制，當前中學化學實驗教學的現(xiàn)狀不容樂觀，存在諸多問題，急需采取先進的科學方法加以解決。

1 當前中學化學實驗教學中存在的問題

筆者通過對四川省100多所中學的化學實驗教學的現(xiàn)狀調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，雖然新課改已在各地大力實施，但由于高考制度無根本改變，從而導致應試教育仍占主導，中學化學實驗教學不受重視，存在的問題也異常突出。具體情況如下：

1.1 演示實驗大打折扣

調(diào)查發(fā)現(xiàn)：除了一流的國家級重點中學（例如：成都樹德中學）外，很多二類或三類學校在教學中基本都忽略了教師的演示實驗。三類學校主要是因為客觀條件不足，例如經(jīng)費欠缺導致實驗儀器、藥品、場地等不到位，加上師資薄弱或教師的主觀意識落后，從而導致很多學校根本無法開設實驗。這一現(xiàn)象在偏遠地區(qū)尤為嚴重。二類學校一般具備開設演示實驗的條件，然而，教師卻因做實驗麻煩、耗時、有毒、不安全、現(xiàn)象不明顯等原因而放棄，取而代之的是播放視頻。由于現(xiàn)在很多城區(qū)學校的信息化設備都較為完善，教室里一般都具備播放視頻的條件，加上錄制的視頻效果清晰、現(xiàn)象明顯、安全無毒、方便快捷，因此廣為流傳。實驗視頻逐漸成了目前中學化學演示實驗的主要手段。只有少數(shù)一類學校因為客觀條件優(yōu)越、教師觀念先進而開設了演示實驗。而條件較差的三類學校則連播放視頻的條件都不具備，因此只有采取傳統(tǒng)的教師講實驗的方式。

1.2 學生實驗屈指可數(shù)

一類學校由于條件優(yōu)越、理念先進，因而盡可能多地為學生開設了分組實驗，以充分發(fā)揮化學實驗的優(yōu)勢，提高學生的興趣，培養(yǎng)學生的能力；二類學校條件次之，因此每學期就有代表性地安排學生做1到2次分組實驗以讓學生有所體驗；三類學校則因客觀條件的限制而基本不開設學生分組實驗，使實驗對于學生而言僅為紙上談兵。

1.3 實驗考試高分低能

三種類型的學校由于采取了不同的實驗教學方式，加上生源差距，導致三類學校的學生差距日益加大：一類學校的學生不僅學習興趣和考試分數(shù)高，而且動手能力和創(chuàng)新意識強（但這樣的學生比例還是太?。欢悓W校的學生由于有實驗視頻的演示，因而學習興趣和考試分數(shù)也都較高，但動手能力和創(chuàng)新意識則較弱，因為學生親手做實驗的次數(shù)太少，實驗探究的機會不多，從而無法提高其探究能力和創(chuàng)新意識；三類學校由于僅僅是教師講實驗、學生背實驗，因此，學生對化學的學習興趣普遍不濃（除了少數(shù)愛學習的學生），考試的分數(shù)也不會太高（愛學習的學生則是“背多分”），動手能力和創(chuàng)新意識則明顯較弱。

上述現(xiàn)象產(chǎn)生的直接后果是：學生普遍高分低能！能在高考試題中得高分，卻不能在實際應用中顯身手。這樣的結(jié)果顯然與新課程改革的初衷背道而馳。

2 仿真實驗的意義及特點

為有效應對上述中學化學實驗教學中普遍存在的問題，很多學校、老師均想了各種辦法，真可謂見仁見智。作為一所傳統(tǒng)的師范院校，提高師范生的實驗操作技能和中學化學教學質(zhì)量是我們不懈的追求。在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，信息技術(shù)與學科教學整合、特別是與實驗教學的整合，已成為一個重要的發(fā)展趨勢[2]。為更好地將信息技術(shù)運用于中學化學教學實際，解決目前實驗教學中存在的諸多問題，筆者所在的研究團隊經(jīng)多年的潛心探索和實踐開發(fā)出了一種新型的實驗教學資源——中學化學仿真實驗平臺，并已逐步運用到了實際教學活動之中，獲得了很好的評價。筆者和其他使用者一致認為， 這類平臺既克服了傳統(tǒng)實驗受時、空限制的不足，又克服了實驗視頻使師生交流不足的缺點；既為學生提供了完全個性化的學習環(huán)境，又為探究性學習提供了強有力的支持。

2.1 仿真實驗的意義

在目前中學化學實驗教學存在諸多問題的情況下，開展仿真實驗無疑是改善這一現(xiàn)狀的有效策略之一，對中學化學教學具有較為深遠的意義：

2.1.1 解決三類學校無法開展實驗的問題

三類學校因客觀條件限制而采用老師講實驗的方法無異于紙上談兵，抽象、枯燥甚至空洞無味。而本平臺卻可提供較為真實的實驗場景。平臺既可供教師在課堂上“演示”實驗，又可供學生在課前預習、課后復習實驗，從而在一定程度上幫助學生熟悉實驗現(xiàn)象及操作要領。這與完全無實驗、全靠學生憑空想象和記憶相比，其效果不言而喻。

2.1.2 解決二類學校學生訓練不充分的問題

二類學校由于有教師在課堂上播放的視頻而使學生對實驗現(xiàn)象及步驟等基本了解，但卻因?qū)W生分組實驗太少而使其動手能力較差。利用本平臺則可在一定程度上解決此問題。學生可利用平臺反復操作，不清楚的現(xiàn)象反復看，不熟悉的步驟反復做。久而久之，必然對實驗的重要現(xiàn)象和操作要領熟記于心。雖是虛擬的，但與不做實驗相比，其效果毋庸置疑。

2.1.3 解決一類學校學生探究活動不充分的問題

一類學校由于條件較好，演示實驗和分組實驗都開設得較為充分。因此，學生的主要需求在于有更多的實驗探究機會。然而，由于真實實驗始終要受時間、空間等客觀條件的限制，從而導致學生的自主探究實驗總受到不同程度的限制。利用該平臺則可解決此類問題。因為本平臺的使用條件僅需一臺電腦即可，只要有電，其使用場景多種多樣，從而使學生有充分的機會利用平臺進行自主設計和合作探究等。長此以往，學生的探究精神和創(chuàng)新能力必然得到大幅提升。

2.2 仿真實驗的特點

中學化學仿真實驗平臺是指操作者根據(jù)一定的實驗要求，運用化學知識與技能自主選擇化學實驗儀器、設計組裝實驗裝置等的一個虛擬實驗設計場景[3]。平臺主要有以下特點：

（1）交互性。交互性是指平臺中的對象（“儀器”、“藥品”等）均可通過鼠標的拖動或點擊來實現(xiàn)儀器的移動、組裝和動作（例如：酒精燈的點燃、活塞的開關(guān)等）的引發(fā)等，這一優(yōu)點不僅可幫助學生正確組裝實驗儀器，更為學生的實驗探究創(chuàng)造了條件。

（2）仿真性。仿真性是指平臺中的實驗儀器、過程和現(xiàn)象等與真實實驗非常相似，從而彌補真實實驗現(xiàn)象不易觀察的缺點，最終達到身臨其境的效果。

（3）智能性。智能性是指平臺中的實驗儀器和藥品等通過對用戶的操作路徑進行適時跟蹤并作出及時反饋，以達到智能判斷實驗步驟是否正確、操作是否規(guī)范等目的[4]。這是本平臺區(qū)別于其他類型課件最突出的優(yōu)勢，也是培養(yǎng)學生探究精神和創(chuàng)新能力的精華所在。

（4）容錯性。容錯性是相對于真實實驗而言。真實實驗若實驗步驟錯了會導致一些嚴重后果，因此我們只得按正確方法進行。但本平臺卻允許犯錯誤，誤操作后雖會出現(xiàn)相應的錯誤后果但卻不產(chǎn)生任何安全隱患，從而使學生大膽實驗并加深印象。

（5）可重復性。可重復性也是平臺不同于真實實驗和其他類型課件的顯著優(yōu)勢。學生可利用平臺反復操作課件，以確保把實驗現(xiàn)象觀察仔細、把實驗步驟了解清楚。這樣做卻不會浪費太多時間，從而充分提高實驗效率。

3 仿真實驗的使用方法

3.1 仿真平臺的結(jié)構(gòu)介紹

化學仿真實驗平臺主要包括“化學實驗儀器庫、操作場景和工具欄”三大部分（如圖1）。

首先，儀器庫中分類存放了上百種常用的實驗儀器素材，如導管類、試管類、容器類、加熱類、凈化類等等；其次，儀器庫還包括氣體制備、尾氣吸收、性質(zhì)檢驗等半成套實驗裝置和較復雜的成套實驗裝置，同時整合了全套初、高中化學課件，以供使用者任意調(diào)用。而工具欄則為用戶提供了一些常用的工具，如放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、復制、粘貼、畫筆、橡皮擦等。用戶可在儀器庫中隨意點擊自己需要的一個或多個儀器，所選儀器則立即出現(xiàn)在操作場景（類似于實驗室的實驗桌面）中。隨后，用戶可利用工具欄所提供的工具對儀器進行任意組裝和微調(diào)，以達到滿意的效果。

3.2 仿真平臺的使用方法

3.2.1 驗證性實驗

為使師生操作方便，平臺將教材中的大部分驗證性實驗都按教材的章節(jié)順序進行了整合。使用者在操作時只需點擊平臺右側(cè)的“高中課件”即出現(xiàn)如圖2 所示的場景，然后在場景中選取所需實驗即可進行操作。

以“鐵粉與水蒸氣的反應”實驗為例，鼠標點擊圖2中的“科學探究：鐵粉與水蒸氣的反應”，則出現(xiàn)如圖3所示的場景。操作者可根據(jù)導航條上的“實驗內(nèi)容”進行操作，先用鼠標點擊酒精燈，稍后再點燃酒精噴燈進行加熱（若順序顛倒則無法點燃），同時可看到燒瓶中的水沸騰和試管中的鐵粉發(fā)紅的現(xiàn)象。最后點燃試管中的氫氣，可聽到或尖銳或輕微的爆鳴聲。整個過程極其逼真，使學生有身臨其境之感。

3.2.2 探究性實驗

鼠標點擊平臺右側(cè)的“探究活動”即出現(xiàn)大量探究實驗的目錄，操作者同樣可任意選取自己所需的實驗進行操作，方法如上，不再贅述。以“噴泉實驗探究活動”為例，界面如圖4所示。

此外，對于平臺中沒有預設的探究性實驗，操作者同樣可隨意調(diào)取平臺儀器庫中的任意儀器進行組裝，方法同前。

4 仿真實驗的教學實施策略

在使用化學仿真實驗平臺開展仿真實驗時，需針對不同學校的不同需求而采取不同的實施策略，以最大限度地發(fā)揮本平臺的優(yōu)勢。因此，在具體的教學過程中需遵循以下原則：

（1）科學性原則。這是開展仿真實驗需遵循的最基本的原則。無論課件如何精美逼真，首先得以遵循客觀事實為基礎，絕不能為了仿真而仿真。本平臺在開發(fā)過程中嚴格恪守了這一原則，因此使用者不必擔心。

（2）針對性原則。開展仿真實驗的目的是為了彌補真實實驗的不足。因此，絕不是任何實驗都適宜開展仿真實驗。對于反應迅速、現(xiàn)象明顯、無毒無害的實驗，則盡量開設真實實驗，如鎂條燃燒、指示劑變色等實驗；而對于反應時間長、現(xiàn)象不明顯、易產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)等實驗則適宜開設仿真實驗，如NO 與水的反應、CO還原Fe O 等。

（3）階段性原則。中學教學可大致分為新課階段和復習階段，但并非任何階段都適宜開設仿真實驗。

在新課階段，對于因客觀條件限制而只能采取教師講實驗的三類學校而言，教師可利用仿真實驗為學生模擬實驗過程及現(xiàn)象等，以使學生擺脫憑空想實驗的困境；對于有條件觀看實驗視頻的二類學校學生來說，可安排學生在課后利用平臺進行仿真實驗，以體驗操作過程、熟悉實驗現(xiàn)象，并通過課件與視頻的對比，加深對實驗原理的理解，同時在一定程度上提高實驗動手能力；而對于學校條件較好、學生素質(zhì)較高的一類學校，一般不需開設仿真實驗。教師主要是利用平臺組織學生進行探究性實驗，同時開展各種比賽，以分享探究成果、交流探究心得，從而激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，提高探究能力。

在復習課（尤其是高三總復習）階段，無論何種類型的學校，真實實驗都因受客觀條件的限制而不可能全部重新演示，此時開設仿真實驗則有較為重大的意義。因為仿真實驗快速、便捷、逼真、高效，所以可在短時間內(nèi)為學生再現(xiàn)大量實驗過程及現(xiàn)象，從而喚起學生對真實實驗現(xiàn)象的回憶，其效果遠遠優(yōu)于學生的憑空想象，對實驗的復習效果自然可想而知。

（4）因地制宜原則。由于不同地區(qū)的不同學校存在著諸多差異，因此開設仿真實驗不能搞一刀切，而應遵循因地制宜原則。有條件開設真實實驗的學校盡量開設真實實驗，沒條件的農(nóng)村中學盡量創(chuàng)造條件（如自制教具等）開設真實實驗。這些條件確實都不具備的才開設仿真實驗，以彌補無法開設真實實驗而憑空想實驗的不足。

此外，開設仿真實驗還要根據(jù)教材編排、教學要求和學生需要而定，不能任何實驗都仿真，也不能完全排斥仿真實驗。按需開設方可使教學效果最優(yōu)化。

大量實踐表明：無論何種類型的學校，開展仿真實驗均可在很大程度上提高實驗教學效果，同時提高學習者的學習興趣和動手能力（二、三類學校的效果尤其明顯）。

5 結(jié)語

化學仿真實驗平臺不是一把萬能鑰匙，不能代替常規(guī)的化學實驗。但是作為一種化學實驗教學重要的輔助手段，它卻可在很大程度上解決不同層次學校在中學化學實驗教學方面出現(xiàn)的不同問題，并根據(jù)不同層次學校對人才的培養(yǎng)需求而發(fā)揮不同的優(yōu)勢。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定.全日制義務教育化學課程標準（實驗稿）[S].北京：北京師范大學出版社，2001.

[2]黃紅梅，嚴海林，謝康，冉鳴.應用交互智能性教學課件培養(yǎng)學生探究能力初探[J].化學教學，2008，（3）：44～47.

[3]段輝，余薇薇，何佳蓮，冉鳴.利用化學仿真實驗設計平臺改進中學化學實驗教學[J].化學教育，2010，（6）：60～61.

[4]黃紅梅，婁珀瑜，嚴海林，王聰聰，冉鳴.應用交互仿真性課件提高課堂教學效率的嘗試[J].化學教育，2009，（6）：43～45.