巧用智能手機 模擬化學實驗

儲開桂

摘? 要 燒杯（BEAKER）APP軟件的應用讓化學實驗在手機等設備上完成變成現實，在燒杯APP（BEAKER）平臺上可以完成近300種化學實驗，為中學化學實驗學習方式的改變提供了一種新的范式，有助于提高學生的化學學習興趣并培育學生的化學學科素養。

關鍵詞 燒杯（BEAKER）APP;化學實驗;人工智能;VR技術;實驗室;化學學科素養

中圖分類號：G633.8? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）01-0028-03

1 引言

燒杯（BEAKER）是一款非常有創意且有趣的學習類APP，該軟件擁有與真正的化學儀器燒杯同樣的功能，在這里可以應用手機隨時隨地隨意模擬做出各種化學實驗，不僅可以直接觀察各種化學反應，而且完全無須準備試劑、材料。

燒杯（BEAKER）作為一個模擬化學實驗的應用，APP內置150多種藥劑，可以完成接近300種神奇的化學反應，功能很強大，可以將手機變成一個小型化學實驗室。通過輕搖設備、滑動手指模擬實驗操作，安全、有趣、生動，隨時隨地做各種化學實驗，顛覆傳統學習方式，讓化學變得生動直觀，充滿樂趣。在這里可以讓學生直接掌握更多的化學知識，也能給對化學實驗有濃厚興趣但缺乏儀器、藥品的學生提供平臺，更能完成許多在實驗室無法完成的危險性實驗。如可以通過操作觀察到金屬銫與水的反應的劇烈現象。

2 燒杯（BEAKER）APP使用方法

下載并安裝燒杯（BEAKER）APP? 在蘋果設備iPhone、iPad和iPod touch中的Apple Store中搜索“燒杯”（圖1）后下載安裝，軟件大小為75 MB，需要iOS 8.0或更高版本。安卓系統中同樣可以搜索到“燒杯”（Android版），下載后安裝即可使用。

燒杯（BEAKER）APP界面說明? 下面以蘋果機中的燒杯（BEAKER）（iOS版）為例進行介紹。在手機頁面中找到燒杯APP并打開，進入首頁面。首頁面上有兩個按鈕，通過按鈕進行化學反應物質的選擇和化學反應條件之間的切換。燒杯（BEAKER）APP內置了很多化學物質，點擊界面右上角的小圈圈就可以查看。將圖2所示頁面第一行放大后如圖3所示。

點擊化學試劑頁面右下按鈕，可以切換顯示各類化學物質的密度、摩爾質量、溶解度、英文名。

左右滑動屏幕，可以進行化學試劑的選擇，試劑的排列是按照化學物質的狀態出現（液體—固體—氣體），其中固體物質最多。系統將固體物質按化學式的首字母出現的先后順序排列，便于查找。

點擊首頁面左上角方框按鈕，進入圖4所示頁面，可以進行化學實驗條件和實驗方式的選擇，從上往下分別為選擇是否需要密閉實驗、是否需要加熱條件、是否需要點燃（AirMix功能下面再介紹。Chemist是另外一種收費實驗APP）。

除此之外，燒杯APP內還提供更多可以自費購買的設備項目，以供更高要求的實驗需要，例如：使用儀表來追蹤燒杯內的精確數據;使用過濾網進行過濾實驗;還有分離器、冷卻器、攪拌機等可供選購，每樣設備需支付一元。

用燒杯（BEAKER）APP做自己想做的實驗操作案例? 這款燒杯（BEAKER）APP的作用就是把手機模擬成一個燒杯，可以往燒杯里面放各種化學物質，甚至可以進行點燃、加熱等操作。而燒杯（BEAKER）APP的模擬效果也相當逼真，如果加注了溶液，晃動手機，溶液也會如同搖晃燒杯一樣動起來;當化學反應造成燃燒、沉淀等現象，APP也都會一一如實反映，十分刺激！

1）固體與溶液反應：以比較堿金屬與水反應快慢差異為例。高中《化學》（必修1）向高中生介紹了鈉（Na）的化學性質，鈉與水（H2O）的劇烈反應給學生留下深刻印象。不少學生想自己親手試試，但由于實驗條件的限制而不能如愿以償，可以通過燒杯（BEAKER）APP親自進行驗證。步

驟：進入試劑頁面，點擊鈉（點擊某樣化學物質，就可以把它加進燒杯），選擇1～2粒金屬鈉（也可以更多，模擬實驗不存在危險）;進入液體物質頁面，點擊水，長按就可以不斷加注，如想要加半燒杯水，就一直長按水就可以了。

如圖5、圖6所示，實驗現象說明：能聽到金屬鈉與水反應的聲響，能看到鈉在水面不停游動;滑動屏幕，會顯示反應的化學方程式;再次滑動會聽到爆炸聲，并出現氫氣和氧氣反應的化學方程式。

從元素在周期表中性質的遞變規律來看，金屬銣和鉀的性質比金屬鈉更活潑，它們跟氧氣和水反應比金屬鈉更劇烈。書本上知識告訴學生這樣的結論，實驗室也無法提供相應的實驗讓學生去探究和觀察，但燒杯（BEAKER）APP可以：將鉀投入水中，反應劇烈，同時能看到水面上方有水蒸氣不斷溢出，反應速度更快;將銣投入水中，立即聽到爆炸聲，上方有液體飛濺。反應瞬間結束，無法截圖，學生可以親自去體會。

2）非液相反應操作：以金屬鈉在氯氣中燃燒為例。如果想嘗試的化學反應是固體與氣體、氣體與氣體之間的反應，也可以參照上文的試劑選擇步驟選擇相應的試劑，如點擊氫氣，再點擊氯氣，只需用手指在屏幕上滑動，就表示點燃，能看到反應現象，并顯示反應的化學方程式。如需加熱，按住屏幕右下向左滑動即可。圖7表示金屬鈉在氯氣中加熱反應，實驗過程中不僅能看到鈉的焰色反應是黃色，還能看到不斷產生白色的煙，能聽到鈉在氯氣燃燒的聲音，真的特別棒！

3）聯機完成燒杯中物質傾倒：虛擬現實（VR）技術的簡單應用。燒杯（BEAKER）APP具有一個獨特的AirMix功能，當兩部手機連入互聯網，開啟定位服務，然后打開應用，就可以把兩部手都當作燒杯使用，把兩個燒杯（BEAKER）APP的手機靠近，它們會自動連接，然后就可以把化學試劑從這個“燒杯”倒入另一個“燒杯”，如將裝有NaCl+H2O的燒杯倒入裝有AgNO3+H2O的燒杯（發生沉淀），將裝有Na的燒杯倒入裝有Cl2的燒杯（發生燃燒），等等。

這是VR技術在化學實驗仿真上的應用，將一部手機“燒杯”向另一部手機“燒杯”進行傾倒時，感覺就像真的是溶液從其中流出，并在另一“燒杯”中觀察到相應的反應實驗現象。

3 燒杯（BEAKER）APP的化學實驗教學效果

有助于激發學生學習化學的興趣? 化學是一門以實驗為基礎的學科，化學課程之所以對學生有吸引力，不可忽視的原因之一就是千變萬化的化學實驗現象。但在應試教育壓力下，很多高中的學生已經喪失進入化學實驗室的機會，繁重的作業壓力讓學生逐漸對化學課程失去原有的興趣和探究的欲望。

愛因斯坦說過：“興趣是最好的老師。”如何能讓高中學生持續保持對化學課程的學習興趣，一直是一線教師高度關注的熱點問題，也有很多教師為此做了很多有益的探索。例如：在平時的課堂教學中盡可能設置和安排一些生動、形象、有趣的實驗引入課題，以激發學生的興趣;盡可能創造條件，讓學生自己動手做實驗;嘗試開放化學實驗室;開設化學實驗選修課程;等等。

燒杯（BEAKER）APP給學生提供了一個簡易操作平臺，可以驗證已經學過的化學知識，可以探究未知領域的化學反應，可以完成在實驗室無法完成的實驗。如王水溶解金屬、溴單質與金屬的反應和爆炸、氫氟酸溶解玻璃等實驗的完成，對學生有著強大的吸引力，無疑可以更大程度上調動學生學習化學的熱情，并逐步由直接興趣向間接興趣轉化。帶領學生由喜歡化學實驗轉化為喜歡化學課程，通過深入學習化學課程去體會化學課程的魅力。

有助于提高學生的化學學科素養? 課程標準指出，高中化學學科核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學精神與社會責任”五個維度。高中學生化學學科核心素養的發展有一個持續進步的過程。高中化學實驗是高中化學教學的重要組成部分，對于全面發展學生的化學學科核心素養有著極其重要的作用。燒杯APP的使用讓學生有機會接觸各類實驗，對提高學生的學科核心素養有輔助作用。

燒杯（BEAKER）APP中對化學物質的分類和排布，能讓學生學會從不同層次認識物質的多樣性，并對物質進行分類。燒杯（BEAKER）APP中各類實驗的完成，能讓學生認識一切物質都是運動和變化的，知道發生化學變化是需要一定條件的，即相同的物質在不同條件下的產物也不一定相同，并逐步認識化學反應遵循一定的規律;認識到有新物質生成是化學變化的本質特征，化學變化的同時伴有能量轉化;逐步學會從不同角度、動態地分析化學變化，有利于培養學生的證據意識;有助于學生進行科學探究，培養創新意識;有利于培養學生節約資源的意識、保護環境的可持續發展的意識。

有助于師生了解人工智能在化學學習中的作用? 教育部在2013年啟動普通高中課程修訂工作，修訂工作遵循的第二條原則就是：堅持反映時代要求。因此，要關注信息化環境下的教學改革，根據科學技術進步新成果，關注學生個性化、多樣化的學習和發展需求，促進人才培養模式的轉變。結合實際，大膽探索，學習并運用人工智能，為發展學生的核心素養提供先進的技術保障。

AI是人工智能（Artificial Intelligence）的英文縮寫。AI是一門富有挑戰性的新的科學，以人的智能研究為基礎，以開發用于模擬、擴展和延伸人的智能的理論、技術、方法及應用系統為目標。人工智能技術的發展在教育領域的應用必然對傳統教育行業帶來新的機遇與挑戰，教育行業如何調整以適應未來人工智能的發展趨勢，如何培養適合社會發展的人才，成為廣大教育工作者必須思考的新的課題。在中國教育學會舉辦的科創教育聯盟成立大會上，美國著名雜志《連線》的創始人凱文·凱利曾受邀作演講，預言“人工智能發展在未來二三十年五個方面的趨勢：認知、互動、使用、分享、流動”，認為未來智能教育將在這五個方面扮演重要角色。

燒杯（BEAKER）APP是人工智能在化學實驗學習方面開發的一次嘗試，盡管不是很完美，但熱愛化學的學生可以通過該APP進行化學實驗的體驗并獲取相關的化學知識和原理，是對真實化學實驗的虛擬認識，甚至能在一定范圍超越傳統實驗室的功能。隨著科學技術的不斷進步，有理由相信人工智能與化學學科的融合會越來越好，為化學學習提供更多精彩的內容和平臺。■

參考文獻

[1]普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]人工智能[DB/OL].https：//baike.baidu.com/item/%E4%BA%BA%E5%B7%A5%E6%99%BA%E8%83%BD/9180.

[3]人工智能發展的這五個趨勢可能會改變未來教育[DB/OL].[2017-04-06].http：//www.sohu.com/a/132114522_484992.