虛擬化學(xué)實驗室助力基礎(chǔ)化學(xué)課程教與學(xué)

王宇昕 郭京渝

北京電子科技職業(yè)學(xué)院 北京 100029

虛擬化學(xué)實驗室助力基礎(chǔ)化學(xué)課程教與學(xué)

王宇昕 郭京渝

北京電子科技職業(yè)學(xué)院 北京 100029

基礎(chǔ)化學(xué)課程是高職院校生物工程類專業(yè)學(xué)生很重要的基礎(chǔ)平臺課程，要為專業(yè)課的學(xué)習奠定基礎(chǔ)。高職學(xué)生感受到學(xué)習的樂趣后，才能成為學(xué)習的主體，認真思考并能運用所學(xué)知識解決實際問題。隨著現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，各種快捷方便的教學(xué)用具層出不窮，傳統(tǒng)的黑板、粉筆加上黑板擦正在逐步被高科技產(chǎn)品取代。虛擬化學(xué)實驗室的出現(xiàn)，讓學(xué)生如在虛擬游戲般的環(huán)境中學(xué)習，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)興趣、科學(xué)能力以及創(chuàng)新精神，從而助力基礎(chǔ)化學(xué)課程分層教學(xué)。并結(jié)合當前教學(xué)實際情況，闡述了借助虛擬化學(xué)實驗室實施分層教學(xué)的方法和經(jīng)驗。

虛擬化學(xué)實驗室；分層教學(xué)；基礎(chǔ)化學(xué)；高職

高職生物工程類專業(yè)的人才培養(yǎng)方案明確指出，基礎(chǔ)化學(xué)課程是專業(yè)課的重要基礎(chǔ)課程，課程主要講述研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及變化規(guī)律，有助于學(xué)生主動構(gòu)建自身發(fā)展所需的化學(xué)基礎(chǔ)知識和基本技能，增進對物質(zhì)世界的認識，進一步了解化學(xué)學(xué)科的特點；有利于學(xué)生體驗科學(xué)探究的過程，學(xué)習科學(xué)研究的基本方法，加深對科學(xué)本質(zhì)的認識，發(fā)展創(chuàng)新精神和實踐能力；有利于學(xué)生形成科學(xué)的自然觀和嚴謹求實的科學(xué)態(tài)度，更深刻地認識科學(xué)、技術(shù)和社會之間的相互關(guān)系，樹立可持續(xù)發(fā)展的思想。

1 基礎(chǔ)化學(xué)課程教學(xué)亟待解決的問題

1.1 教學(xué)難度增加

高中化學(xué)與高職基礎(chǔ)化學(xué)課程存在先行課與后續(xù)課的關(guān)系，但內(nèi)容、目標、難易程度差異很大，學(xué)好四大化學(xué)更非易事。高中化學(xué)很少涉及基本原理，與化學(xué)熱力學(xué)、原子分子結(jié)構(gòu)等有關(guān)內(nèi)容也非常簡單。高職基礎(chǔ)化學(xué)課程要求學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)的基本規(guī)律、反應(yīng)中的能量變化及物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系等有更為全面的認識和理解。高職教育要求學(xué)生達到高技能，必要實驗不能少，加之學(xué)時限制，造成教學(xué)難度與學(xué)習難度都遠高于高中化學(xué)要求，如何提高學(xué)習質(zhì)量和教學(xué)效率是亟須解決的問題之一。

1.2 實驗操作規(guī)范度與熟練度訓(xùn)練有限

高職基礎(chǔ)化學(xué)課程的知識與原理需要通過真實的操作體驗與觀察才可能逐步構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)。實際學(xué)習過程中，學(xué)生動手操作受到教學(xué)成本、場所、儀器數(shù)量的限制，很難做到儀器設(shè)備等人手一套。因此，僅靠課內(nèi)學(xué)時來培養(yǎng)學(xué)生的操作熟練度與規(guī)范度面臨著較大困難。

并且微觀世界中的基本微粒（電子、原子、分子等）既看不見，也摸不著，特別是化學(xué)實驗過程的變化、反應(yīng)稍縱即逝，使學(xué)生較難真正觀察、了解實驗現(xiàn)象和原理，造成真實實驗教學(xué)不能達到預(yù)期效果，造成學(xué)生實驗基礎(chǔ)不扎實，造成學(xué)生應(yīng)有的能力沒有得到有效的培養(yǎng)和鍛煉。因此，課程教學(xué)迫切需要有虛擬仿真教學(xué)軟件來輔助教學(xué)。

1.3 學(xué)生學(xué)習能力參差不齊

目前高職學(xué)校生源來源不同，學(xué)生在化學(xué)基礎(chǔ)、學(xué)習態(tài)度、學(xué)習能力上存在較大差異，教師講解通常以文字描述為主，不能吸引學(xué)生興趣，學(xué)生難以理解，不能滿足學(xué)習需求，嚴重影響了教學(xué)效果。并且高職學(xué)?；A(chǔ)化學(xué)課程教學(xué)多采用統(tǒng)一的課程標準及教材，采用大班授課，先講后實驗的傳統(tǒng)教學(xué)理念完全突出不了學(xué)生的主體地位，不利于學(xué)生自主學(xué)習，學(xué)生學(xué)習效果差。

2 采用分層教學(xué)的問題分析

分層教學(xué)的主導(dǎo)思想是因材施教，著名的教育家和心理學(xué)家本杰明·布盧姆率先建立了學(xué)習分層系統(tǒng)，他指出1/3的學(xué)生能完全掌握教師所教的知識，另1/3的學(xué)生成績一般，再1/3的學(xué)生不及格。分層教學(xué)是采用科學(xué)的評測方法把學(xué)生分層，教師有針對性地進行分層備課，分層授課，分層訓(xùn)練，分層輔導(dǎo)，以做到教學(xué)有的放矢，區(qū)別對待，最大限度地調(diào)動各層次學(xué)生的學(xué)習積極性，使每個學(xué)生在原有的基礎(chǔ)上得到提高和發(fā)展。分層教學(xué)形式給全體學(xué)生都創(chuàng)造一個輕松愉快的學(xué)習氛圍，使全體學(xué)生都處于一個適度焦慮的生活和學(xué)習環(huán)境中，以此來培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習品性。分層教學(xué)過程促使老師進行教和學(xué)的轉(zhuǎn)化，從學(xué)生的個性差異和實際情況出發(fā)，遵循可接受性原則和因材施教的原則，促使學(xué)生學(xué)習方式的改變，倡導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習，從要學(xué)生學(xué)，變成學(xué)生要學(xué)，從而幫助學(xué)生學(xué)會學(xué)習，獲得最佳的發(fā)展效果。

高職院?；A(chǔ)化學(xué)課程需要從學(xué)生個性差異出發(fā)，依據(jù)學(xué)生的學(xué)習差異性及學(xué)習興趣因材施教，教學(xué)實施過程中，一般為大班授課，一個班有40名左右學(xué)生，沒有專門的師資力量，授課教師教授基礎(chǔ)化學(xué)課程外還承擔其他專業(yè)課。如果采用分層教學(xué)，將會受到培養(yǎng)目標、時間和實驗條件限制，如何確定分層的學(xué)生、確定教學(xué)層次目標以及分層來組織教學(xué)和考核是一個比較復(fù)雜的過程，構(gòu)建分層次教學(xué)很困難。目前高職基礎(chǔ)化學(xué)課程教學(xué)主要采取班內(nèi)分層教學(xué)，是任課教師在班級授課制下根據(jù)學(xué)生學(xué)習能力和基礎(chǔ)，自主采取分層教學(xué)方法，缺乏科學(xué)分析與理論支持，但這種班內(nèi)分層教學(xué)依然不能解決基礎(chǔ)好的學(xué)生“吃不飽”，基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生“吃不了”的現(xiàn)象?；谏鲜霰尘埃呗氃盒Ｌ剿鞣蠈W(xué)生實際的教學(xué)形式成為當務(wù)之急。

3 利用虛擬化學(xué)實驗室實助力教學(xué)

傳統(tǒng)實驗教學(xué)中實驗室實驗是基礎(chǔ)化學(xué)課程中必不可少的環(huán)節(jié)，但其中存在的問題也一致困擾著教師教學(xué)。近幾年，國內(nèi)教學(xué)類虛擬實驗室類型的軟件研發(fā)力度一直在加強，目前虛擬實驗室軟件系統(tǒng)大多為桌面型，國內(nèi)部分初高中，甚至大學(xué)已經(jīng)開始試點虛擬實驗教學(xué)。適合移動終端的系統(tǒng)也已面市，軟件畫面逼真，操作簡便、交互性強，能較好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習樂趣，易于在教學(xué)中展示，更利于學(xué)生隨時隨地學(xué)習。虛擬化學(xué)實驗室具有傳統(tǒng)實驗室無法比擬的優(yōu)勢。

放大微觀世界。虛擬實驗室完全模擬真實的實驗場景，使用者能夠從視覺、聽覺、觸覺等多種感覺方面感受實驗過程的微觀變化。

自由練習，零成本。虛擬實驗操作流程和規(guī)則立足于實際實驗流程操作規(guī)范，學(xué)員可獨立學(xué)習，不受教室、教師等條件約束，可根據(jù)自身實際安排學(xué)習時間，且不用購買、消耗化學(xué)品。

危險系數(shù)為0。傳統(tǒng)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，尤其是化學(xué)實驗中往往會有許多實驗危險源，虛擬實驗室能有效避免因操作不規(guī)范所帶來的潛在危險，且不用擔心化學(xué)品污染，清潔環(huán)保。

有助個性化學(xué)習。教學(xué)環(huán)節(jié)中可要求學(xué)員在該情景下進行理論判斷和實驗操作，增強問答交互性。例如NOBOOK虛擬實驗獨有的DIY功能學(xué)員可以仿真一個情景進行自我探究。

方便教學(xué)演示。與多媒體教學(xué)設(shè)備聯(lián)動，省去教學(xué)用具和實驗設(shè)備的開支，結(jié)合虛擬化學(xué)實驗室軟件構(gòu)成教學(xué)互動平臺，可實現(xiàn)教學(xué)一體。

以NOBOOK虛擬化學(xué)實驗室為例，可以看到虛擬化學(xué)實驗室軟件涵蓋了經(jīng)典實驗、元素周期表、相對原子質(zhì)量、溶解性表、化學(xué)藥品取用演示動畫等多個功能模塊。經(jīng)典實驗可以用來輔助基礎(chǔ)化學(xué)課實驗環(huán)節(jié)教學(xué)。2000年后出生的學(xué)生，是信息化的一代，他們更加適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，更加喜歡信息化學(xué)習方法。虛擬化學(xué)實驗室提供了豐富的學(xué)習資源，能夠引起學(xué)生學(xué)習的興趣，調(diào)動學(xué)生學(xué)習的動力。

圖1 化學(xué)分子模型（3D）演示

在課前，實驗器材準備時間減少，教師可以快速完成備課。虛擬化學(xué)實驗室提供實驗仿真平臺器材庫，包括常用儀器、設(shè)備、材料，用于各類虛擬實驗器材的管理。在教學(xué)過程中，教師可以通過仿真平臺上提供的器材自由搭建任意合理的典型實驗演示實驗過程，減少實驗等待時間，從而有更充足的講解時間和與學(xué)生交流時間；教師還可以要求學(xué)生在此基礎(chǔ)上進行虛擬實驗，學(xué)生可以把器材從器材庫中移到實驗臺上搭建虛擬實驗，滿足教師對各層次實驗教學(xué)的需求。經(jīng)過系統(tǒng)學(xué)習和練習后，再讓學(xué)生走進真實實驗室，確保學(xué)生真實化學(xué)實驗室操作的成功率，大大提高學(xué)習效率和效果。

學(xué)生在課下，既可以通過虛擬化學(xué)實驗室軟件自主學(xué)習化學(xué)方程式、儀器使用方法、實驗步驟等化學(xué)知識和原理，也可通過實驗仿真平臺動手操作?；A(chǔ)弱的學(xué)生可以通過軟件提供的三維立體影像感知微觀世界，了解元素周期表、原子質(zhì)量、化學(xué)分子結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生理解化學(xué)方程式、儀器使用方法、實驗步驟等化學(xué)知識和基本原理，彌補課堂學(xué)習不足；可以依照實驗步驟的提示對器材進行拖動和組合即可完成實驗?zāi)繕?。虛擬實驗可以無限次重復(fù)操作，提高化學(xué)實驗演示效果，降低實驗成本，這是真實實驗室無法實現(xiàn)的。經(jīng)過反復(fù)學(xué)習與練習實驗操作，使這些學(xué)生明確了學(xué)習目標，掌握了學(xué)習方法，提高了學(xué)習興趣，提升了學(xué)習效率，快速跟上課程學(xué)習進度。

基礎(chǔ)好的學(xué)生可以觀察3D分子模型展示，研究化學(xué)變化的本質(zhì)，進行拓展學(xué)習，通過實驗仿真平臺自由搭建虛擬實驗，促進學(xué)生動手操作，自主設(shè)計實驗，有利于培養(yǎng)設(shè)計能力和創(chuàng)新意識。

利用虛擬化學(xué)實驗室教學(xué)推進速度更為迅速，而且沒有傳統(tǒng)實驗的善后工作?？梢哉f在教學(xué)效率上是傳統(tǒng)實驗教學(xué)難以比擬的。當然虛擬化學(xué)實驗也有它的弊端，真實體驗感不強。虛擬實驗不能代替真實實驗，二者是相輔相成的。只有發(fā)揮各自的優(yōu)勢，精心組織實驗教學(xué)，才會收到更好的效果。

3 結(jié)束語

虛擬實驗室的出現(xiàn)可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習興趣，使教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)直觀、形象、高效、多樣化的特點，既滿足了學(xué)生學(xué)習的個性化需求，也為教學(xué)實驗提供了一個新的輔助平臺。在基礎(chǔ)化學(xué)課程教學(xué)中引入虛擬化學(xué)實驗技術(shù)是有意嘗試，通過虛擬實驗演示與練習，增強了學(xué)習的趣味性，學(xué)生提高了學(xué)習自主性、創(chuàng)造性，最終提高實際教學(xué)質(zhì)量。

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Virtual Chemical Laboratory Help Basic Chemistry Teaching & Learning

Wang Yuxin， Guo Jingyu
Beijing Polytechnic， Beijing， 100029， China

Basic Chemistry is an important foundation coursefor bioengineering major in higher vocational colleges， to serve for the specialty and make students study easily. After feeling the fun of study， the students will learn actively， think hard and solve problems with the learned knowledge. Along with the rapid development of modern science and technology， all kinds of quick and convenient teaching equipment emerge in endlessly， and the traditional equipment such as blackboard， chalk and eraser are gradually replaced by high-tech products. The emergence of virtual chemical laboratory makes students study like in a virtual game， and cultivate students' interest， ability， and innovation spirit in science， so as to help Basic Chemistrylayered teaching. In combination with the current teaching situation， this paper states the methods and experience of layered teaching with the help of virtual chemical laboratory.

virtual chemical laboratory； layered teaching； basic chemistry； higher vocational college

2015-05-28

王宇昕，碩士，高級講師，生物工程學(xué)院教學(xué)運行辦公室主任。郭京渝，碩士，講師。