計算機模擬在化學學習中的應用

【摘 要】興趣是學生積極主動學習的源動力，如何激發學生學習無機及分析化學的興趣，調動他們的學習熱情，在無機及分析化學課程教學中顯得尤為重要. 對于如何激發學生學習無機及分析化學的興趣，筆者結合幾年的教學經驗，在本文中提出了幾點具體措施。

【關鍵詞】計算機模擬；化學

一、引言

在當代社會，要想在生存的環境中對自己的健康和幸福做出明智的判斷， 化學教育被認為是至關重要的。但是化學教學情況不容樂觀，許多學生對化學甚至科學都不感興趣，只是盡可能少的選擇一些必需的科學課程進行學習。在過去幾年中，人們期待通過以計算機為基礎的教學氛圍能夠培養并提高學生的學習興趣多媒體材料的使用也被認為是順理成章的事情了，多媒體可以提供積極主動學習的有利條件、情境教學和可視化的說明復雜的概念，致使在健全的教學實踐中配備多媒體就成為水到渠成的事。

二、計算機模擬在化學中的應用

現在，化學教師可以使用復雜的多媒體，其可提供可供學生觀看和互動的現象和過程的模型。對于一些靜止狀態的教科書難以表征但對理解事物運行至關重要的動態理論實體，利用這些模擬可得到形象的表征。通過提供學生處理復雜體系和通過自己的研究識別模式的機會，這些模擬可促進主動學習。當與模擬互動時，學生可參與到科學推理的過程，例如題目說明、假設生成、實驗、觀察和數據解釋。因此，C不僅僅能夠幫助學生理解化學現象，還可以培養學生探究和解決問題的能力。

但是現在化學教師們現在總是致力于發展和傳播分子水平化學過程的電腦動畫制作和模擬，往往忽略了哪種模擬特性才能更好的幫助學生。特別是在模擬設計上，教師們只重視了表述的科學嚴謹性，忽略了設計特性是否適合學生學習。化學模擬的設計和形成應該建立在學習理論、認知力和多媒體的研究以及化學教育最佳做法的基礎上。將學生結合進化學模擬的過程中，采取迭代設計過程，對于模擬的實用性不斷測試和改進完善。這樣制作出來的模擬結果，有些地方是與僅以化學專家的觀點制作模擬時通常接受的方式相違背的。例如，在模擬中應盡量減少符號的使用，而以文化熟悉的圖標代替； 支持探索而避免使用已經制定出的例子； 在整個模擬中使用一致的界面。

三、如何將計算機模擬應用到化學教育中

在模擬的設計和改進過程中，我們可參考Gabel （1999）和Johnstone （1982）的研究成果，他們曾對“不同級別表示形式”的思想以及其在化學家理解世界過程中所起的作用都進行了研究。Gabel認為化學現象最初是在可見的或宏觀層面進行感知的，這也是人們體驗化學的方式。但是這些現象卻通常被化學老師用亞顯微水平的原子和分子的特性和行為來進行解釋。化學老師通常會使用符號、公式和方程式等展現這些宏觀和亞顯微水平，從而進一步使簡單問題復雜化。化學教育的一個中心目標是協助學生掌握這些不同形式的表征。正如Kozma所認為的，理解和使用這一系列的表征不僅僅是化學老師應該做的一部分，從更深遠的層次上講，這就是化學。Kozma 和 Russell認為學生進行不同層次上的認知可成就他們的表征能力。所以，我們在模擬時應注意，用敘述的形式表征觀察到的，用代表性的粒子模型進行解釋，用符號展現現象和解釋之間的聯系。

（1）可見的現象：用敘述法介紹每天的經歷。科學的基礎是用理論和模型解釋觀察到的現象。給學生介紹需要解釋的現象時敘述是一個很有利的工具。在模擬中，用敘述展現熟悉的現象，學生可通過與運動粒子動態解釋模型的互動來探究它。結構上，我們的敘述是典型的流派：它們要有完整的開頭、中間和結尾；融入制作人的意圖；作者和讀者協作確定最終結果。研究表明，人類是基于敘事結構的思考組織事件，并在不知不覺中把時間和因果關系強加于事件的邏輯語義關系結構。敘述被認為是最為學生熟悉的形式。

（2）展示一個解釋性模型。以教授分子動力學理論及相關主題的概念時為例。這個理論需要學生理解物質是由恒定運動的粒子組成的，多媒體就可以用視覺上的動態方法表達這種思想，這是靜態的教科書無法做到的。通過交互式計算機模擬展示一個解釋性模型可給學生提供一個積極的學習經驗，是學生完全投入進去，這個模型有可能是不切實際或不可能的。在這個例子中，我們的模擬可形象的展示粒子的行為，但實際上是看不到的。描述顆粒模型

（3）符號表示。文字和符號在模擬設計中都是重要的要素。每個解釋性模型都要有一個變量關系示意圖。創作和解釋圖形的能力在學習科學中是重要的技能。根據原始數據繪制圖形可幫助科學工作者進行認知和解釋，還可以直觀系統的觀察大量數據。在我們的模擬中，還應該將學生引入化學定量方面，這也是國家標準關注的方面。

在一個模擬中應該融合了以上三個層次的表征：可見，解釋，和符號。以相變的模擬為例：在可見層次，相變可通過一段女主人公和哥哥試圖給水加熱制作熱巧克力的敘述引入。這段敘述可將相變融入學生熟悉的日常生活實踐中。在解釋層次，可提供相變（液態向氣態）分子動態行為的粒子模型來形象的表征。其中可用不同顏色的點代表容器內的不同氣體分子，爐子代表加熱，插進容器內的溫度計代表溫度。在符號層次，基于顆粒模型每個用戶操作的數據可生成一個圖形。

參考文獻：

[1] Gabel， D. Improving teaching and learning through chemistry education research： A lookto the future. Journal of Chemical Education， 1999 （76）.

[2]Johnstone， A. H. Macro- and microchemistry. School Science Review， 1982 （64）.

[3]Kozma， R. B. （2000）. The use of multiple representations and the social construction of understanding in chemistry. In M. Jacobson R. Kozma （Eds.）， Innovations in science and mathematics education： Advanced designs for technologies of learning （pp. 11-46）. Mahwah， NJ： Erlbaum.

[4]Kozma， R.， Russell， J. （2005）. Students becoming chemists： Developing representational competence. In J. K. Gilbert （Ed.）， Visualisation in science education （pp. 121-146）. Dordrecht， The Netherlands： Springer