交互式仿真化學實驗學習工具的設計評析

劉公園

摘要： 從內容層次、實驗情境和學習任務等視角，分析英國皇家化學會開發的“滴定屏幕實驗”的適用范圍和實用價值，評析這一交互式仿真化學實驗學習工具內容設計的特點，旨在為類似虛擬化學學習工具的設計提供一些有益的參考。

關鍵詞： 仿真化學實驗; 交互式學習工具; 滴定屏幕實驗

文章編號： 10056629（2020）12009206

中圖分類號： G6338

文獻標識碼： B

化學實驗是化學學習的重要途經，也是學生進行科學探究的重要方式[1]。良好的化學實驗技能對于學生有效掌握化學知識，提升化學學習能力能夠發揮重要的促進作用。然而，由于受到各種主客觀條件的限制，在真實的實驗學習環境下，一般難以保證學生對實驗技能進行反復練習和強化，同時也難以在實驗操作的過程中給予所有學生即時的反饋與評價。因此，傳統的實驗教學過程存在著實踐機會少、矯正不及時等不足。隨著信息技術與學科教學整合的不斷深化，在科學教育領域出現了許多虛擬仿真實驗的學習工具，這些學習工具通過形象的操作動畫和完善的交互設計讓學生能夠較為真切地感知科學實驗的過程，而且給予學生反復實踐的機會，以加深他們對實驗的理解。教師既可以利用這些學習工具讓學生在真實實驗之前充分地熟悉實驗程序和操作規范、理解實驗的原理，為真實環境下的實驗學習打好基礎，也可以將其作為實驗學習之后的擴展練習，讓學生在課后進一步鞏固與強化實驗學習的成果。

滴定屏幕實驗（Titration screen experiment）是由英國皇家化學會（Royal Society of Chemistry）與布里斯托大學（University of Bristol）、學習科學公司（Learning Science）合作開發的一個面向高中學生可免費使用的化學實驗學習數字資源，其設計的主要目的是通過交互式的屏幕實驗使學生在獨特而引人入勝的環境中進行酸堿中和滴定實驗與氧化還原滴定實驗，以增強學生對滴定分析的理解，提高學生與實驗室滴定有關的實踐技能[2]。該虛擬實驗學習工具在知識性、交互性、仿真性、智能性、可重復性等方面的設計較為完善，而且在學習層次、學習情境和學習過程的設計方面相較于其他同類型的學習工具而言還有一些鮮明的特點。因此，本文將以交互式仿真化學實驗學習工具的設計為視角，分析滴定屏幕實驗內容設計的特點，從而為類似化學學習工具的設計提供一些有益的參考。

1內容層次的設計

滴定屏幕實驗在內容設計上并沒有以一個單一的實驗項目形式呈現，而是設計成了4個不同水平且相對獨立的實驗項目（以下簡稱水平1、水平2、水平3、水平4）。這些實驗項目都圍繞“滴定分析”這個主題展開，在內容設計上既表現出一定的相似性，又表現出清晰的層次性。這種層次設計的出發點是為了滿足高中階段不同年級、不同水平學生的學習需求，而各個實驗項目設計的主要依據是英國高中不同階段的化學課程標準。英國的高中教育主要包括兩個階段，分別是關鍵階段4（Key Stage 4）和關鍵階段5（Key Stage 5）[3]。在學習階段的劃分上，水平1對應的目標學生水平是關鍵階段4，學生的年齡段處于14～16歲之間，而水平2到水平4對應的目標學生水平是關鍵階段5，學生的年齡段處于16～18歲之間。在課程層次的劃分上，水平1對應的主要是英國普通中等教育證書GCSE水平化學課程的相關領域，而水平2到水平4對應的主要是英國普通中等教育證書高級水平（Alever）化學課程的相關領域。滴定屏幕實驗依據不同的學習階段和課程層次對實驗項目進行設計與呈現，一方面拓展了學習工具的適用范圍，另一方面也提升了學習工具的實用價值（見表1）。

L4關鍵階段5（Key Stage 5）Alevel水平①pH曲線、等當點和指示劑選擇;②溶液稀釋計算;③氧化還原滴定法（KMnO4/Fe2+）;④確定離子反應方程式。

為了進一步梳理不同水平實驗項目之間的層次關系，我們參考英國皇家化學會編制的《滴定屏幕實驗教師注釋》（Titration screen experiment teacher notes）這一文件，從實驗方法、實踐技能發展和主要學習成果這三個方面進行橫向比較與分析（見表2）。從實驗方法上看，水平1、水平2和水平3采用的是酸堿滴定法，而水平4采用的是氧化還原滴定法。在酸堿滴定學習的基礎之上學習氧化還原滴定，可以拓展學生對滴定方法的認知，使其更好地把握滴定這種定量分析方法的實質。同時，從水平1到水平3，酸堿滴定法所采用的酸堿類型也不盡相同，從強堿滴定強酸到強堿滴定弱酸，再到強酸滴定弱堿，這一系列的變化可以從物質和反應層面逐步完善學生對于酸堿滴定原理的認識。

從實踐技能的發展來看，各個實驗水平所體現出的實踐技能較為一致，基本涵蓋了滴定分析實驗操作的主要方面，保證了不同實驗水平實踐技能學習的完整性和延續性。另外，水平2和水平3相較于水平1增添了“使用pH探針監測pH變化”這一實踐技能，在技能拓展的同時，也在操作層面上將滴定過程認知的視角從定性轉至定量，體現出不同實驗水平實踐技能學習的遞進性。

從主要學習成果上看，各個實驗水平所體現的學習成果主要集中在技能層面，包括實驗操作技能、化學計算技能、方程式書寫技能、實驗數據處理技能等。隨著實驗水平的逐步推進，這些技能性學習成果可以得到不斷的檢驗和強化，從而保證滴定屏幕實驗相關實驗技能學習的效果。

2實驗情境的設計

滴定屏幕實驗的各個實驗項目都是圍繞生動、具體的學習情境展開的。這些情境的創設一方面緊扣“滴定分析”這一實驗主題，將情境線索貫穿于整個實驗項目的學習之中，實現了內容與形式的統一;另一方面也與學生的生活實際緊密相關，將滴定分析與環境保護、產品質量檢驗聯系起來，讓學生在真實的情境之中學習實驗技能。滴定屏幕實驗對于學習情境的營造與呈現體現在實驗項目的多個要素之上，包括實驗名稱、實驗目的、實驗過程和實驗結論（見表3），凸顯情境設計的真實性和連續性。實驗名稱和實驗目的的情境化將學習內容轉化為學生想要解決的實際問題，從而激發學生的學習興趣;實驗過程的情境化將滴定分析應用于真實情境中實際樣本的物質含量測定，需要學生根據樣本的特點配制待測液，使實驗過程的模擬更為真切;實驗結論的情境化將滴定分析結果與河流水質標準或產品質量標準進行對照，引導學生在實驗事實的基礎之上對河流污染程度或產品質量做出正確的判斷，從而體現滴定分析實驗的應用價值。實驗項目各個要素的情境化設計將滴定分析的學習過程表現為實際問題的解決過程，在應用層面和情感層面上充分發揮滴定屏幕實驗的育人價值。

實驗名稱情境化實驗目的情境化實驗過程情境化實驗結論情境化

L1： 受污染的溪流油罐車溢出物中的鹽酸污染了溪流。通過酸堿滴定確定溪流中鹽酸的濃度，并判斷其是否在可接受的范圍內。用氫氧化鈉標準液滴定不同采樣點采集的受污染河水樣本。滴定結果對照水質標準（河流酸性條件標準），判斷溪流不同位置的污染程度。

L2： 阿司匹林含量測定通過弱酸/強堿滴定確定一批阿司匹林藥片中阿司匹林的含量。用氫氧化鈉標準液滴定由阿司匹林藥片配制的阿司匹林溶液。滴定結果對照阿司匹林片劑質量標準，判斷阿司匹林片劑中的阿司匹林含量是否在可接受范圍內。

L3： 護發產品通過弱堿/強酸滴定分析一批護發產品中氨的濃度，以確定其是否在安全范圍內。用鹽酸標準液滴定護發產品中的氨溶液。滴定結果對照護發產品標簽和化妝品安全信息規定中對氨含量的規定，判斷標簽含量是否虛標以及氨的濃度是否在安全范圍內。

L4： 補鐵片通過氧化還原滴定測定鐵補充片中的Fe2+（aq）濃度。用高錳酸鉀標準液滴定由補鐵片配制的水溶液。滴定結果對照補鐵片標簽，判斷標簽含量是否虛標以及每片補鐵片中的鐵含量是否超過鐵元素的日攝入量。

3學習任務的設計

滴定屏幕實驗為了有效支撐學生的自主學習，將實驗學習的過程劃分成一個個小的學習任務，并按照一定的認知順序將學習任務系統地排列起來進行呈現。在任務完成的過程中，學生可以獲得即時的反饋，確認自己的實驗操作或者回答是否正確，如果正確便可以進入下一個階段的學習，如果不正確則需要根據提示信息進行重復學習。因此，滴定屏幕實驗學習任務的系統設計非常符合程序教學法的基本特點，能夠讓不同水平的學生積極參與到學習之中，不斷強化學習效果，從而提升實驗學習的實效性。為了更好地說明滴定屏幕實驗學習任務設計的特點，下面將從整體設計和局部設計兩個方面進行分析。

3.1學習任務的整體設計

從整體上進行分析可以發現，滴定屏幕實驗的各個實驗項目所設置的學習任務類型及其呈現的順序基本一致（見表4）。通過這些學習任務的步步推進讓學生經歷一個相對完整的實驗學習過程，從實驗前認識實驗目標、學習理論知識到實驗中進行實驗操作、現象觀察和數據分析，再到實驗后對實驗過程進行反思和總結。如此一步一步地展開學習，可以在學生的頭腦中逐漸形成一個相對穩定的實驗學習思路（見圖1），進而提升他們的實驗學習能力。

3.2學習任務的局部設計

3.2.1理論學習

滴定屏幕實驗各個實驗項目的理論學習階段主要包括兩個學習任務，分別是觀看視頻和理解考查。觀看視頻是通過微視頻形式讓學生從真實情境出發對于滴定分析實驗的相關原理知識進行學習。以水平4的視頻素材為例，視頻從“食品標準局（Food Standards Agency）檢查補鐵藥片中鐵含量是否正確標示”這一情境出發引出氧化還原滴定這一測試方法，其后從微觀角度對氧化還原反應原理和氧化還原滴定原理進行分析，最后對滴定分析實驗任務進行簡要說明（見圖2）。視頻內容形象直觀、簡潔明快，能夠讓學生在較短的時間內了解相關的原理性知識。觀看視頻之后的理解考查則是通過5道選詞填空題對學生的理論學習成果進行針對性的檢驗和強化。同樣以水平4的理解考查為例，5道試題針對視頻內容著重考查學生對氧化還原反應原理和氧化還原滴定原理的理解情況。學生從3個選項中選擇1個正確的選項，并將其拖入題干中的對應位置，從而形成完整的內容表述。這種作答方式操作簡捷，同時也可以看作是對氧化還原滴定相關理論知識的一種總結。理論學習階段的學習為后續滴定分析實驗的進一步學習做好鋪墊。

3.2.2實驗實施

實驗實施階段是滴定屏幕實驗各個實驗項目的主體部分，是對滴定分析實驗過程的仿真模擬。在學習過程中，學生一方面需要根據提示信息使用虛擬的化學儀器和藥品完成各項實驗操作任務，學習滴定分析實驗的操作要領;另一方面也要利用相關的化學知識進行實驗數據的分析、化學方程式的配平和酸堿指示劑的選擇，理解滴定分析實驗的基本原理。因此，實驗實施階段的學習任務在設計上體現了“滴定分析”這一學習主題多個方面的知識與技能，能夠讓學生在實驗學習中獲得較為完整的學習體驗。為了滿足不同水平學生的學習需求，各個實驗項目實驗實施階段的學習任務在內容設計上也體現出一定的層次性。以“酸堿指示劑的選擇”為例（見圖3），水平1通過對比滴定前后錐形瓶中溶液顏色的不同，讓學生判斷酚酞作為酸堿指示劑的可行性;水平2通過呈現在滴定曲線上標注的不同指示劑的變色范圍，讓學生選擇恰當的酸堿指示劑;而水平3則讓學生在滴定曲線上確定滴定終點的范圍和等當點，并以此為標準選擇適當的酸堿指示劑。由此可以發現，從水平1到水平3，隨著學習任務的推進，學生對于酸堿指示劑選擇標準的認識在不斷深化，從現象層面的指示劑顏色變化要靈敏且明顯，逐漸深入到本質層面的指示劑變色范圍要包含或靠近酸堿恰好完全反應的等當點，在選擇酸堿指示劑的同時也加深了對酸堿滴定原理的認識。

除此之外，滴定屏幕實驗亦非常注重實驗過程模擬的仿真性。從實驗流程上看，滴定分析實驗的主要操作步驟在各個實驗項目中均有較為完整和細致的體現，而且每一種樣品都需要學生先試測一次，再重復測定3次，以降低實驗誤差的影響，更加貼近真實的實驗過程。從實驗觀察上看，為了讓學生準確地把握滴定終點的實驗現象，滴定過程中錐形瓶中溶液顏色的變化都是以視頻形式呈現的，將真實現象與模擬操作有機結合起來，從而增強了滴定分析實驗的仿真效果。

3.2.3知識總結

為了進一步強化學生對于滴定分析過程的認識，水平4在實驗實施階段的學習任務結束之后專門設置了總結性的任務環節，分別從實驗操作和化學計算兩個方面以問題解決的方式對滴定分析過程中涉及的關鍵步驟及其先后順序進行較為全面的總結（見表5）。在學習過程中，學生先要根據自己的理解將學習界面上隨機排列的3個計算步驟按照正確的順序拖入到對應位置，其后以同樣的方式確定4個實驗操作步驟的正確排列方式，最后再回答4道正誤判斷題，對每一個實驗操作步驟的重要細節和易錯點進行鞏固和強化。這種問題解決式的知識總結一方面實現了對已學知識的考查與梳理，另一方面也能在一定程度上增強學生知識復習的積極性和主動性。此外，滴定屏幕實驗的學習界面上均設置了一個“文件夾”按鈕，學生在完成一定的學習任務之后可以點擊此按鈕進入“實驗手冊”（lab book）界面對任務內容和相關知識進行及時的回顧和總結。在完成一個實驗項目的所有學習任務之后，學生還可以下載圖文結合的實驗手冊文本，并以此對各個實驗項目的滴定分析過程進行整體復習，從而提升知識復習的效果。

3.2.4學習反思

滴定屏幕實驗的每一個實驗項目最后呈現的學習任務都是學習反思任務。學習反思的任務系統會統計學生完成各個階段學習任務的嘗試次數，并以此為標準在學習界面上羅列出學生“表現優異的地方”和“需要改進的地方”。學生可以參照自己的學習表現情況將學習過程中的心得體會和疑難困惑填寫在學習界面的文本框中，反饋給化學教師，在對整個學習過程進行反思的同時，也能夠幫助教師有針對性地進行課堂教學的設計與準備。另外，各個實驗項目在學習反思階段都會根據項目內容設置一道拓展性的思考題（見表6），要求學生在學習界面的文本框中完成。通過對這些問題的思考，學生可以從多個角度進一步深化對滴定分析實驗原理的認識，進而提升學習反思的效果。

實驗水平思考題

L1你的滴定分析和快速反應有助于保護特殊地點的某些野生生物。三天后，你再次在所有地點對河流進行采樣。你預計結果如何？

L2從你的滴定實驗來看，有哪些潛在的誤差可能導致實驗結果不準確？

L3在該滴定實驗中，你使用了已知濃度的鹽酸。通常在滴定之前對酸要進行“溶液標準化”，以確保準確知道其濃度。為什么？

L4使用氧化還原滴定法測定片劑中Fe2+離子的濃度時，還有哪些其他因素可能影響氧化還原反應的發生？

4啟示

滴定屏幕實驗作為一種虛擬的化學實驗學習工具，雖然不能取代真實的化學實驗，但是它的出現為學生學習滴定分析的知識與技能提供了一種長期有效的工具性課程資源，也為學生的有意義學習創造了一種循序內化的實驗學習模式[5]。總結滴定屏幕實驗的設計特點，主要有以下三個方面： 首先，滴定屏幕實驗的各個實驗項目在內容設計上不僅關注對于滴定分析實驗過程的仿真模擬，而且也非常注重對于自主學習過程的系統設計，將問題情境、理論學習、實驗操作、化學計算、總結反思、考查評價等要素有機整合在一起，形成了一個較為完整的實驗學習單元。學生在學習過程中不斷地發現問題、分析問題和解決問題，在獲取知識的同時也提升了自己的問題解決能力;其次，滴定屏幕實驗十分重視對滴定分析過程中的誤差分析、指示劑選擇、平行實驗設計、定容操作、滴定終點判定等影響實驗成敗的關鍵因素進行點面結合的重點突出，在保證實驗學習效果的同時也有利于培養學生嚴謹求實的科學態度;最后，滴定屏幕實驗在內容設置和水平劃分上均以不同階段的化學課程標準為依據，重點關注相關實踐技能的學習和應用，結構清晰、內容緊湊，是對課堂教學的一種有效補充，可以幫助教師提高滴定分析實驗的教學質量。

參考文獻：

[1]史文景. 淺談學生化學實驗技能的培養[J]. 中華少年： 研究青少年教育， 2012， （3）： 229.

[2][4]Royal Society of Chemistry. Titration screen experiment teacher notes [EB/OL]. （20170523） [20200416]， https： //edu.rsc.org/download？ac=15369.

[3]王繼玲. 英國綜合高中課程設置及啟示[D]. 長沙： 湖南師范大學碩士學位論文， 2016： 18.

[5]王春. 新課程背景下信息技術與化學教學整合的實踐與思考[J]. 中國電化教育， 2007， （8）： 63～66.