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    基于虛擬仿真課件的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究與探討

    2022-04-02 03:32:15郭博雯,肖克拉提·阿帕爾,李娟
    電腦知識與技術(shù) 2022年33期
    關(guān)鍵詞:計算機(jī)輔助教學(xué)混合教學(xué)模式虛擬仿真

    郭博雯, 肖克拉提·阿帕爾,李娟

    摘要:實(shí)驗(yàn)是化學(xué)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié),受制于多種現(xiàn)實(shí)因素導(dǎo)致不是所有的實(shí)驗(yàn)都能在真實(shí)教學(xué)情境中開展。文章將計算機(jī)輔助教學(xué)的思想引入化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,以中學(xué)化學(xué)“實(shí)驗(yàn)室制取氧氣”為例,利用Adobe Flash開發(fā)工具和Action Scrip開發(fā)語言制作了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課件。該課件的開發(fā)目的是讓學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境下,通過連線、手動組裝等方式,認(rèn)識實(shí)驗(yàn)用品、了解實(shí)驗(yàn)注意事項、完成實(shí)驗(yàn)具體步驟、并可在實(shí)驗(yàn)完成后通過自測模擬題模塊檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果,進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。通過虛擬仿真課件的應(yīng)用進(jìn)一步探討在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中利用課件完成線上+線下混合教學(xué),以達(dá)到了更好的學(xué)習(xí)效果。

    關(guān)鍵詞:化學(xué)實(shí)驗(yàn);計算機(jī)輔助教學(xué);虛擬仿真;混合教學(xué)模式

    中圖分類號:G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

    文章編號:1009-3044(2022)33-0131-04

    信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和飛速普及促使教育理念、教學(xué)手段、教學(xué)模式不斷前進(jìn)和革新,給教育帶來了新的變革與機(jī)遇。化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程不同于授課過程,它是學(xué)生認(rèn)識客觀物質(zhì)世界,了解化學(xué)內(nèi)容最為直觀的方式,也是對理論原理的生動補(bǔ)充說明。在《化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提出了相應(yīng)要求,但是在實(shí)際開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中卻存在著諸多問題。伴隨著人工智能,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等多種技術(shù)的應(yīng)用,多方位地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)在時間和空間上的限制。

    該虛擬仿真課件主要用于教學(xué),設(shè)置和編排以課程的三維目標(biāo)內(nèi)容為導(dǎo)向,完整地體現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全過程,從課件使用的情況來看,不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,更在化學(xué)教學(xué)中起到了較好的輔助作用。

    1 化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

    傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要在特定的實(shí)驗(yàn)室開展,但實(shí)驗(yàn)室的數(shù)量是有限的,協(xié)調(diào)與審批實(shí)驗(yàn)室需要時間,導(dǎo)致理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容不能同步,二者內(nèi)容的脫節(jié)不利于知識的吸收[1]。實(shí)驗(yàn)學(xué)時是有限的,為了更好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),教師需要在有限的學(xué)時中花費(fèi)部分時間幫助學(xué)生完成知識復(fù)習(xí),導(dǎo)致學(xué)生操作時間大大縮短[2]。實(shí)驗(yàn)時間的縮短會影響學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。長此以往,將會打消學(xué)生對開展實(shí)驗(yàn)的熱情。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果是對實(shí)驗(yàn)過程的宏觀認(rèn)識,更為重要的是希望學(xué)生通過宏觀表達(dá)理解元素的微觀變化和反應(yīng)機(jī)理。只有掌握這部分內(nèi)容,學(xué)生才能做到用理論知識指導(dǎo)化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐,才能為以后設(shè)計實(shí)驗(yàn),開展創(chuàng)新打下基礎(chǔ)。對于學(xué)生而言,微觀層面的變化無法用肉眼捕捉,但立體且動態(tài)的微觀變化借助文字的描述后會變得抽象且扁平,不利于學(xué)生理解掌握,如電子的躍遷和轉(zhuǎn)移,活化能的降低等[3]。借助虛擬仿真課件的多種表現(xiàn)形式,將書本中二維的圖片和文字形象化、生動化和立體化,讓微觀變化以宏觀方式呈現(xiàn),打破學(xué)生的思維局限。從設(shè)計到完成實(shí)驗(yàn)的全過程對于提高學(xué)生的綜合素質(zhì),樹立正確的工程觀念有著重要的作用[4]

    化學(xué)實(shí)驗(yàn)開展時,往往存在熱情有余,準(zhǔn)備不足。造成這一現(xiàn)象的原因是學(xué)生需要做實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作,包括了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、熟悉藥劑性質(zhì)、儀器使用方法等。對于學(xué)生而言,從長篇的文字實(shí)驗(yàn)描述中難以精準(zhǔn)提取出實(shí)驗(yàn)核心內(nèi)容。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課件的形式學(xué)生可以以更加生動,簡明清晰且全面的方式做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作,同時具有更好的安全性和經(jīng)濟(jì)性,有助于綠色化學(xué)的發(fā)展[5]。

    2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

    2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)工具的選擇

    虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課件的開發(fā)工具選用 Adobe Flash,開發(fā)語言為 Action Script 3.0。

    Flash 制作出來的課件兼容性好,支持在瀏覽器上展示和播放,不易損壞,可以廣泛傳播使用。Action Script 腳本語言無論是二代版本還是三代版本在編寫的時候易于操作,便于理解。二代版本可以直接對舞臺上的內(nèi)容進(jìn)行代碼的編寫;三代版本雖然不能直接對舞臺上的素材編寫代碼,但是在對舞臺上的元素命名后,可以利用代碼或者 “代碼面板”對它進(jìn)行訪問。

    2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課件的選題

    許多實(shí)驗(yàn)往往有很高的操作價值和開展的必要性,卻因?yàn)榭赡軙斐杀ɑ蛘咴诜磻?yīng)的過程中產(chǎn)生毒性物質(zhì)而無法走進(jìn)學(xué)生的視野,部分實(shí)驗(yàn)存在難度較大、危險系數(shù)較高、實(shí)驗(yàn)步驟相對煩瑣、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目標(biāo)對學(xué)生能力要求較高、實(shí)驗(yàn)效果相對來說不易觀察等特點(diǎn),選取有上述特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課件的對象[6]。這部分實(shí)驗(yàn),對于學(xué)習(xí)者來說困難較大,在實(shí)際操作中會暴露出更多的問題,從而無法達(dá)到開展實(shí)驗(yàn)前預(yù)設(shè)需要完成的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。失敗的實(shí)驗(yàn)不僅沒有達(dá)到對理論知識的輔助效果,還在一定程度上消磨了學(xué)習(xí)者對實(shí)驗(yàn)過程的熱情與信心[7]。學(xué)習(xí)者通過虛擬仿真課件提前了解內(nèi)容,熟悉流程,規(guī)避錯誤,在實(shí)操時也會更加流暢。在課件中,也可以模擬出錯誤操作引發(fā)的危險情形,并向?qū)W生講授面對不同情形時的處理方法以及預(yù)防措施,打破了實(shí)驗(yàn)原料和實(shí)驗(yàn)空間的限制,拓寬諸如防火布,沙土等一些儀器的開放范圍和開放程度[8]。直觀地強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范,規(guī)避潛在的安全風(fēng)險。

    2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課件界面設(shè)計

    設(shè)計者將考慮項目用途,使用對象等相關(guān)因素,設(shè)計出符合學(xué)習(xí)環(huán)境要求的界面。本課件的用途是輔助教學(xué),在畫面呈現(xiàn)上要相對正式,顏色不宜過于復(fù)雜。在畫面的布置上,要以教學(xué)內(nèi)容為主體,內(nèi)容的呈現(xiàn)上清晰明顯,其他元素要配合呈現(xiàn)主體內(nèi)容;課件內(nèi)容是化學(xué)方面,在整體色調(diào)的使用上要選取冷色調(diào),不宜選取暖色調(diào),如圖1實(shí)驗(yàn)課件封面。該課件的使用對象主要是中學(xué)生,在呈現(xiàn)主體內(nèi)容的時候文字不宜過多,內(nèi)容分布不宜過于密集。通過多種媒體方式,將知識點(diǎn)以多種形式生動呈現(xiàn)。

    2.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K功能設(shè)計

    該課件一共設(shè)置了五個模塊,分別是實(shí)驗(yàn)簡介模塊、實(shí)驗(yàn)用品模塊、實(shí)驗(yàn)過程模塊、實(shí)驗(yàn)注意事項模塊和自測練習(xí)模塊。每個模塊在課件中都承擔(dān)著不同的功能。模塊間的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    實(shí)驗(yàn)簡介模塊:用于向?qū)W習(xí)者介紹本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、學(xué)習(xí)目標(biāo)、重難點(diǎn)內(nèi)容以及探究式學(xué)習(xí)中的思考部分。通過閱讀文字或點(diǎn)擊 “播放”按鈕聽取相關(guān)內(nèi)容。

    實(shí)驗(yàn)用品模塊:用于介紹本實(shí)驗(yàn)所需實(shí)驗(yàn)儀器,以連線作答的方式完成。

    實(shí)驗(yàn)過程模塊:分步驟講解實(shí)驗(yàn)操作過程。學(xué)習(xí)者根據(jù)文字說明和頁面提示內(nèi)容組裝儀器,如組裝有誤,儀器會返回至初始位置。點(diǎn)擊“播放”按鈕可觀看標(biāo)準(zhǔn)演示步驟。

    注意事項模塊:將匯總在實(shí)際操作過程中學(xué)習(xí)者遇到的常見問題,根據(jù)問題的文字描述,學(xué)習(xí)者在“判斷”位置,點(diǎn)擊按鈕進(jìn)行判斷,課件將根據(jù)學(xué)習(xí)者判斷結(jié)果做出相應(yīng)反饋。還可以點(diǎn)擊“分析”位置的“播放”按鈕觀看本題的詳細(xì)分析內(nèi)容。“分析”和“判斷”并無先后關(guān)系。

    自測練習(xí)模塊:由三個子模塊組成,分別是單選題模塊,多選題模塊和填空題模塊。在模塊中都設(shè)置了三個按鈕,分別是“提交”“清除”“答案”。

    2.5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課件實(shí)現(xiàn)流程圖

    虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3所示,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容確定后,首先進(jìn)行內(nèi)容梳理;其次,對內(nèi)容進(jìn)行模塊劃分并設(shè)計其具體展現(xiàn)方式;接下來,根據(jù)模塊包含內(nèi)容及呈現(xiàn)方式對模塊進(jìn)行分解,制作相應(yīng)的元件和素材;制作完成后,對素材元件進(jìn)行集成整合;最后,通過播放測試對課件進(jìn)行最終調(diào)試,完成最終設(shè)計。

    2.6 分解與集成整合

    劃分模塊后,就可自頂向下對模塊內(nèi)容進(jìn)行分解,劃分出最小功能單元。如圖4,以“注意事項”模塊為例。根據(jù)頂級功能描述完成二級功能分解,再對二層元件進(jìn)行分解,會得到第三層包含的元件。逐層對功能元件進(jìn)行劃分,直到得出最小功能元件,再對其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。底層葉子結(jié)點(diǎn)元件實(shí)現(xiàn)后,通過自底向上的集成方式實(shí)現(xiàn)更高一級也就是父親節(jié)點(diǎn)元件的功能。具體集成結(jié)果如圖5所示,具體操作就是將不同功能元件放置在不同圖層上,功能相同內(nèi)容不同的元件放在該圖層的不同幀中,然后在相應(yīng)的幀中編寫對應(yīng)元件的控制代碼?!白⒁馐马棥蹦K為學(xué)習(xí)者提供了5道題目,所以在圖5中占據(jù)5幀內(nèi)容。

    其余模塊也按照上述方式自頂向下逐層分解出底層功能元件,完成后再自底向上逐層集成整合,最后通過演示調(diào)整實(shí)驗(yàn)課件最終將其實(shí)現(xiàn),由于篇幅原因此處不再贅述。

    3 構(gòu)建自主靈活、形式多樣的線上線下混合式教學(xué)模式

    3.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

    在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開展前,教師將為學(xué)生講授實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并展示實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)訓(xùn)時,學(xué)生復(fù)刻教師操作步驟并記錄實(shí)驗(yàn)成果。實(shí)驗(yàn)后,上交實(shí)驗(yàn)報告,結(jié)束此次試驗(yàn)。在此種教學(xué)模式下,學(xué)生處于被動位置,按照教師的要求完成學(xué)習(xí),而非發(fā)揮自身主觀意志探索學(xué)習(xí)[9]。

    3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式創(chuàng)新

    傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開展前,教師會將實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)視頻在課堂展示或者發(fā)送至班級群,供同學(xué)們觀看學(xué)習(xí),但教師無法掌握學(xué)生對實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)情況。為解決這一問題,教師將媒體內(nèi)容上傳至超星學(xué)習(xí)通、雨課堂等其他線上學(xué)習(xí)平臺,通過觀看時長判斷學(xué)生是否按量完成學(xué)習(xí)內(nèi)容,再通過平臺內(nèi)相關(guān)知識點(diǎn)測試習(xí)題分析學(xué)生對知識的掌握情況。即借助虛擬仿真課件,通過線上+線下混合教學(xué)模式,即關(guān)注學(xué)生實(shí)驗(yàn)開展前、線下實(shí)驗(yàn)中、實(shí)驗(yàn)考核、實(shí)驗(yàn)后的總結(jié)與學(xué)習(xí)這四個方面內(nèi)容,教師實(shí)現(xiàn)全過程,全方位地跟進(jìn),評估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)情況并做出動態(tài)調(diào)整[10]。

    實(shí)驗(yàn)開展前階段,教師可以將虛擬仿真課件以及完整操作視頻發(fā)送至學(xué)生端。學(xué)生利用視頻和虛擬仿真課件,掌握實(shí)驗(yàn)用具操作方法、熟悉實(shí)驗(yàn)流程、了解實(shí)驗(yàn)危險情形及其應(yīng)對措施等,在開展實(shí)驗(yàn)時就能在有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時中充分發(fā)揮出實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的促進(jìn)作用[11]。

    線下實(shí)驗(yàn)階段,針對學(xué)生在線上平臺的學(xué)習(xí)及作答情況有針對性地對實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行輔導(dǎo),確保實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的促進(jìn)作用。對于線上表現(xiàn)較差的同學(xué),在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時,可作為重點(diǎn)關(guān)注對象。線下實(shí)驗(yàn)時,學(xué)生需要依據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容填寫實(shí)驗(yàn)報告單,包括記錄實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)遇到問題及解決方法,反思等內(nèi)容。教師借助實(shí)驗(yàn)報告了解學(xué)生線下實(shí)驗(yàn)開展情況。學(xué)生借助實(shí)驗(yàn)報告梳理實(shí)驗(yàn)過程,了解自己知識點(diǎn)薄弱環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)操作的不足[12]。

    實(shí)驗(yàn)考核階段,原有考核模式較為單一,不能準(zhǔn)確反映學(xué)生的動手操作能力和分析解決問題的能力[13]。在混合教學(xué)模式中,考核方式可以采用學(xué)生自評,組內(nèi)互評以及教師對學(xué)生的評價等多元評價考核機(jī)制。即綜合線上學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)以及線下實(shí)驗(yàn)情況對每位學(xué)生實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生綜合性反饋。教師一方面收集學(xué)生在虛擬仿真課件中測試題完成的情況給出相應(yīng)成績,另一方面借助學(xué)習(xí)平臺的限時測評工具,對學(xué)生實(shí)驗(yàn)掌握水平進(jìn)行測試。根據(jù)學(xué)生測試結(jié)果,教師動態(tài)地調(diào)整下一階段的教學(xué)內(nèi)容或者教學(xué)方式。通過多元評價考核機(jī)制有利于學(xué)生了解自身優(yōu)勢和潛力,增強(qiáng)與他人交流合作的能力,促進(jìn)學(xué)生個性化發(fā)展,有效提升學(xué)生的研學(xué)精神。

    實(shí)驗(yàn)完成后,通過多元評價考核機(jī)制對本次實(shí)驗(yàn)做反思總結(jié)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式以教師為輸出主導(dǎo),學(xué)生被動吸收。教師依據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐,忽視學(xué)生創(chuàng)造性思維和學(xué)習(xí)主觀能動性培養(yǎng)。在線上+線下混合教學(xué)模式中,轉(zhuǎn)變教學(xué)主體,讓學(xué)生在教與學(xué)的過程中占據(jù)主體和主導(dǎo)地位,教師則是根據(jù)學(xué)生情況做出動態(tài)調(diào)整。對于學(xué)有余力的學(xué)生,在通過基礎(chǔ)知識測試后,可以進(jìn)入更深一階段的學(xué)習(xí),滿足不同學(xué)生對知識的個性化需求。在實(shí)驗(yàn)操作不熟練、知識出現(xiàn)遺忘時,還可對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重復(fù)學(xué)習(xí),無須擔(dān)心實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備與回收,也無須擔(dān)心儀器的損壞,并且可以自己選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)進(jìn)度[14]。

    4 結(jié)論

    本文所提到的虛擬仿真課件其使用情景是在實(shí)驗(yàn)前由教師發(fā)送到學(xué)習(xí)者的手中,學(xué)習(xí)者通過本課件可以提前了解實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)重難點(diǎn),這樣在課堂學(xué)習(xí)中將更有學(xué)習(xí)目標(biāo)。同時學(xué)習(xí)者也可以借助本課件在虛擬環(huán)境下開展實(shí)驗(yàn),這樣在真實(shí)環(huán)境下做實(shí)驗(yàn)時,會對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)過程更加熟悉,對儀器的使用也更加規(guī)范,實(shí)驗(yàn)成功率明顯提高。本課件除了輔助學(xué)習(xí)者提前完成實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)外,還可以通過課件提供的測驗(yàn)?zāi)K,檢測學(xué)習(xí)效果,起到查漏補(bǔ)缺的作用。

    目前課件中存在的不足之處是檢測模塊的測試題目是固定的,無法依據(jù)每位學(xué)生的線上實(shí)驗(yàn)實(shí)況個性化地在題庫中選取最適合學(xué)生的題目[15]。期待在后續(xù)的研究中,通過獲取學(xué)生線上實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù),依據(jù)數(shù)據(jù)為不同學(xué)生匹配不同習(xí)題,方便教師根據(jù)學(xué)生的作答情況,了解每位學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,在線下指導(dǎo)時更有針對性,進(jìn)一步地提高學(xué)習(xí)效果。

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    【通聯(lián)編輯:王力】

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