基于虛擬仿真課件的化學實驗教學模式的研究與探討

郭博雯, 肖克拉提·阿帕爾，李娟

摘要：實驗是化學教學中的重要環節，受制于多種現實因素導致不是所有的實驗都能在真實教學情境中開展。文章將計算機輔助教學的思想引入化學實驗教學中，以中學化學“實驗室制取氧氣”為例，利用Adobe Flash開發工具和Action Scrip開發語言制作了虛擬仿真實驗課件。該課件的開發目的是讓學習者在虛擬環境下，通過連線、手動組裝等方式，認識實驗用品、了解實驗注意事項、完成實驗具體步驟、并可在實驗完成后通過自測模擬題模塊檢驗學習效果，進行查漏補缺。通過虛擬仿真課件的應用進一步探討在實驗學習中利用課件完成線上+線下混合教學，以達到了更好的學習效果。

關鍵詞：化學實驗；計算機輔助教學；虛擬仿真；混合教學模式

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）33-0131-04

信息技術的迅猛發展和飛速普及促使教育理念、教學手段、教學模式不斷前進和革新，給教育帶來了新的變革與機遇。化學實驗過程不同于授課過程，它是學生認識客觀物質世界，了解化學內容最為直觀的方式，也是對理論原理的生動補充說明。在《化學課程標準》中對實驗內容提出了相應要求，但是在實際開展實驗教學的過程中卻存在著諸多問題。伴隨著人工智能，虛擬現實技術等多種技術的應用，多方位地彌補了傳統教學在時間和空間上的限制。

該虛擬仿真課件主要用于教學，設置和編排以課程的三維目標內容為導向，完整地體現了化學實驗教學的全過程，從課件使用的情況來看，不僅提高了學生的學習興趣，更在化學教學中起到了較好的輔助作用。

1 化學實驗教學現狀分析

傳統實驗教學需要在特定的實驗室開展，但實驗室的數量是有限的，協調與審批實驗室需要時間，導致理論教學和實驗教學的內容不能同步，二者內容的脫節不利于知識的吸收[1]。實驗學時是有限的，為了更好地達到實驗目標，教師需要在有限的學時中花費部分時間幫助學生完成知識復習，導致學生操作時間大大縮短[2]。實驗時間的縮短會影響學生良好的實驗體驗。長此以往，將會打消學生對開展實驗的熱情。

實驗結果是對實驗過程的宏觀認識，更為重要的是希望學生通過宏觀表達理解元素的微觀變化和反應機理。只有掌握這部分內容，學生才能做到用理論知識指導化學實驗實踐，才能為以后設計實驗，開展創新打下基礎。對于學生而言，微觀層面的變化無法用肉眼捕捉，但立體且動態的微觀變化借助文字的描述后會變得抽象且扁平，不利于學生理解掌握，如電子的躍遷和轉移，活化能的降低等[3]。借助虛擬仿真課件的多種表現形式，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，打破學生的思維局限。從設計到完成實驗的全過程對于提高學生的綜合素質，樹立正確的工程觀念有著重要的作用[4]

化學實驗開展時，往往存在熱情有余，準備不足。造成這一現象的原因是學生需要做實驗的準備工作，包括了解實驗內容、實驗目標、熟悉藥劑性質、儀器使用方法等。對于學生而言，從長篇的文字實驗描述中難以精準提取出實驗核心內容。通過虛擬仿真實驗課件的形式學生可以以更加生動，簡明清晰且全面的方式做好實驗準備工作，同時具有更好的安全性和經濟性，有助于綠色化學的發展[5]。

2 虛擬仿真實驗課件的設計與實現

2.1 虛擬仿真實驗工具的選擇

虛擬仿真實驗課件的開發工具選用 Adobe Flash，開發語言為 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容進行代碼的編寫；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”對它進行訪問。

2.2 虛擬仿真實驗課件的選題

許多實驗往往有很高的操作價值和開展的必要性，卻因為可能會造成爆炸或者在反應的過程中產生毒性物質而無法走進學生的視野，部分實驗存在難度較大、危險系數較高、實驗步驟相對煩瑣、實驗內容和目標對學生能力要求較高、實驗效果相對來說不易觀察等特點，選取有上述特點的實驗作為虛擬仿真實驗課件的對象[6]。這部分實驗，對于學習者來說困難較大，在實際操作中會暴露出更多的問題，從而無法達到開展實驗前預設需要完成的實驗目標和實驗結果。失敗的實驗不僅沒有達到對理論知識的輔助效果，還在一定程度上消磨了學習者對實驗過程的熱情與信心[7]。學習者通過虛擬仿真課件提前了解內容，熟悉流程，規避錯誤，在實操時也會更加流暢。在課件中，也可以模擬出錯誤操作引發的危險情形，并向學生講授面對不同情形時的處理方法以及預防措施，打破了實驗原料和實驗空間的限制，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]。直觀地強化實驗操作規范，規避潛在的安全風險。

2.3 虛擬仿真實驗課件界面設計

設計者將考慮項目用途，使用對象等相關因素，設計出符合學習環境要求的界面。本課件的用途是輔助教學，在畫面呈現上要相對正式，顏色不宜過于復雜。在畫面的布置上，要以教學內容為主體，內容的呈現上清晰明顯，其他元素要配合呈現主體內容；課件內容是化學方面，在整體色調的使用上要選取冷色調，不宜選取暖色調，如圖1實驗課件封面。該課件的使用對象主要是中學生，在呈現主體內容的時候文字不宜過多，內容分布不宜過于密集。通過多種媒體方式，將知識點以多種形式生動呈現。

2.4 虛擬仿真實驗模塊功能設計

該課件一共設置了五個模塊，分別是實驗簡介模塊、實驗用品模塊、實驗過程模塊、實驗注意事項模塊和自測練習模塊。每個模塊在課件中都承擔著不同的功能。模塊間的功能結構如圖2所示。

實驗簡介模塊：用于向學習者介紹本實驗的實驗原理、學習目標、重難點內容以及探究式學習中的思考部分。通過閱讀文字或點擊 “播放”按鈕聽取相關內容。

實驗用品模塊：用于介紹本實驗所需實驗儀器，以連線作答的方式完成。

實驗過程模塊：分步驟講解實驗操作過程。學習者根據文字說明和頁面提示內容組裝儀器，如組裝有誤，儀器會返回至初始位置。點擊“播放”按鈕可觀看標準演示步驟。

注意事項模塊：將匯總在實際操作過程中學習者遇到的常見問題，根據問題的文字描述，學習者在“判斷”位置，點擊按鈕進行判斷，課件將根據學習者判斷結果做出相應反饋。還可以點擊“分析”位置的“播放”按鈕觀看本題的詳細分析內容。“分析”和“判斷”并無先后關系。

自測練習模塊：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。在模塊中都設置了三個按鈕，分別是“提交”“清除”“答案”。

2.5 虛擬仿真實驗課件實現流程圖

虛擬仿真實驗課件設計與實現流程圖如圖3所示，實驗內容確定后，首先進行內容梳理；其次，對內容進行模塊劃分并設計其具體展現方式；接下來，根據模塊包含內容及呈現方式對模塊進行分解，制作相應的元件和素材；制作完成后，對素材元件進行集成整合；最后，通過播放測試對課件進行最終調試，完成最終設計。

2.6 分解與集成整合

劃分模塊后，就可自頂向下對模塊內容進行分解，劃分出最小功能單元。如圖4，以“注意事項”模塊為例。根據頂級功能描述完成二級功能分解，再對二層元件進行分解，會得到第三層包含的元件。逐層對功能元件進行劃分，直到得出最小功能元件，再對其進行實現。底層葉子結點元件實現后，通過自底向上的集成方式實現更高一級也就是父親節點元件的功能。具體集成結果如圖5所示，具體操作就是將不同功能元件放置在不同圖層上，功能相同內容不同的元件放在該圖層的不同幀中，然后在相應的幀中編寫對應元件的控制代碼。“注意事項”模塊為學習者提供了5道題目，所以在圖5中占據5幀內容。

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，最后通過演示調整實驗課件最終將其實現，由于篇幅原因此處不再贅述。

3 構建自主靈活、形式多樣的線上線下混合式教學模式

3.1 傳統實驗教學模式

在傳統實驗開展前，教師將為學生講授實驗內容并展示實驗操作。實訓時，學生復刻教師操作步驟并記錄實驗成果。實驗后，上交實驗報告，結束此次試驗。在此種教學模式下，學生處于被動位置，按照教師的要求完成學習，而非發揮自身主觀意志探索學習[9]。

3.2 實驗教學模式創新

傳統實驗開展前，教師會將實驗導學視頻在課堂展示或者發送至班級群，供同學們觀看學習，但教師無法掌握學生對實驗導學內容的學習情況。為解決這一問題，教師將媒體內容上傳至超星學習通、雨課堂等其他線上學習平臺，通過觀看時長判斷學生是否按量完成學習內容，再通過平臺內相關知識點測試習題分析學生對知識的掌握情況。即借助虛擬仿真課件，通過線上+線下混合教學模式，即關注學生實驗開展前、線下實驗中、實驗考核、實驗后的總結與學習這四個方面內容，教師實現全過程，全方位地跟進，評估學生的實驗學習情況并做出動態調整[10]。

實驗開展前階段，教師可以將虛擬仿真課件以及完整操作視頻發送至學生端。學生利用視頻和虛擬仿真課件，掌握實驗用具操作方法、熟悉實驗流程、了解實驗危險情形及其應對措施等，在開展實驗時就能在有限的實驗學時中充分發揮出實驗在教學中的促進作用[11]。

線下實驗階段，針對學生在線上平臺的學習及作答情況有針對性地對實驗操作進行輔導，確保實驗對學生的促進作用。對于線上表現較差的同學，在實驗教學時，可作為重點關注對象。線下實驗時，學生需要依據實驗內容填寫實驗報告單，包括記錄實驗內容、實驗遇到問題及解決方法，反思等內容。教師借助實驗報告了解學生線下實驗開展情況。學生借助實驗報告梳理實驗過程，了解自己知識點薄弱環節和實驗操作的不足[12]。

實驗考核階段，原有考核模式較為單一，不能準確反映學生的動手操作能力和分析解決問題的能力[13]。在混合教學模式中，考核方式可以采用學生自評，組內互評以及教師對學生的評價等多元評價考核機制。即綜合線上學習數據以及線下實驗情況對每位學生實驗產生綜合性反饋。教師一方面收集學生在虛擬仿真課件中測試題完成的情況給出相應成績，另一方面借助學習平臺的限時測評工具，對學生實驗掌握水平進行測試。根據學生測試結果，教師動態地調整下一階段的教學內容或者教學方式。通過多元評價考核機制有利于學生了解自身優勢和潛力，增強與他人交流合作的能力，促進學生個性化發展，有效提升學生的研學精神。

實驗完成后，通過多元評價考核機制對本次實驗做反思總結。傳統的實驗教學方式以教師為輸出主導，學生被動吸收。教師依據自身經驗進行教學實踐，忽視學生創造性思維和學習主觀能動性培養。在線上+線下混合教學模式中，轉變教學主體，讓學生在教與學的過程中占據主體和主導地位，教師則是根據學生情況做出動態調整。對于學有余力的學生，在通過基礎知識測試后，可以進入更深一階段的學習，滿足不同學生對知識的個性化需求。在實驗操作不熟練、知識出現遺忘時，還可對實驗內容重復學習，無須擔心實驗材料準備與回收，也無須擔心儀器的損壞，并且可以自己選擇學習內容和學習進度[14]。

4 結論

本文所提到的虛擬仿真課件其使用情景是在實驗前由教師發送到學習者的手中，學習者通過本課件可以提前了解實驗目標、實驗原理、實驗重難點，這樣在課堂學習中將更有學習目標。同時學習者也可以借助本課件在虛擬環境下開展實驗，這樣在真實環境下做實驗時，會對實驗內容和實驗過程更加熟悉，對儀器的使用也更加規范，實驗成功率明顯提高。本課件除了輔助學習者提前完成實驗學習外，還可以通過課件提供的測驗模塊，檢測學習效果，起到查漏補缺的作用。

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，無法依據每位學生的線上實驗實況個性化地在題庫中選取最適合學生的題目[15]。期待在后續的研究中，通過獲取學生線上實驗操作數據，依據數據為不同學生匹配不同習題，方便教師根據學生的作答情況，了解每位學生的學習需求，在線下指導時更有針對性，進一步地提高學習效果。

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【通聯編輯：王力】