應用互動實驗資源構建交互式化學實驗教學平臺的實踐探索

楊劍萍，侯曉楠,2，侯曉琳,3，陳曉倫

（1.廣東第二師范學院 化學與材料科學學院，廣東 廣州；2.清新區禾云鎮第一初級中學，廣東 清遠；3.清遠市清城區清城中學，廣東 清遠）

一 引言

全面推進教育教學信息化，虛擬仿真實驗在解決化學實驗教學的若干問題上功不可沒，2021年全國兩會《關于升級虛擬仿真實驗教學，更好服務創新型人才培養的提案》指出要在虛擬仿真實驗教學項目提升必要的互動性和智能性[1]；在新一代的信息教學工具中，微課、希沃白板等以知識碎片、實時互動的特點成為了學校搭建“智慧課堂”的重要工具，但此類實驗資源往往固化在課堂上，縱然微課或動畫視頻等素材能通過流量傳送，促使學習相對自由，但缺乏教師思維指引，效率不高[2-3]。自2020年新冠病毒肺炎疫情沖擊，促使線上教育迅猛發展，“化學實驗教學如何實現線上的有效教學？”成為眾多一線化學教師力求解決的問題，互動實驗資源對創新實驗教學提供了新思考。

二 互動實驗資源的價值澄清

（一） 解決資源配置不足

在開展實驗教學的過程中，實驗器材配置不足是普遍存在的問題。搭建基于互動實驗資源的交互式化學實驗教學平臺，借助信息技術的模擬功能，能夠緩解實體教具的使用壓力，有效緩解因為經濟水平、學校建設規模等客觀因素引起的化學實驗教學區域差異，力求在有限的資源下為學生提供無限想象和思維創造的平臺。

（二） 破解教學模式固化

傳統的化學實驗教學模式存在單一主體性或平行主體性，兩者缺乏互動和溝通。教師的導與學生的思理應同步進行，才能落實實驗教學的有效性和科學性。搭建基于互動實驗視頻的交互式化學實驗教學平臺通過設計“劇情分支”引導學生思考，并推進劇情，實時解答，引導學生理解，是對原有教學模式的創新優化。

（三） 瞄準實驗考察訴求

化學實驗是化學學科的基礎部分，化學實驗技能則是學生化學核心素養的重要呈現，化學實驗操作納入中考對實驗教學質量提出了更高的要求。化學實驗的教學既注重操作的效率性，也突出思維理解的邏輯性。搭建基于互動實驗視頻的交互式化學實驗教學平臺正是瞄準實驗考查訴求的產物。通過為學生提供更具自由度的學習空間，豐富學生實驗操作的時間資源；通過設置正反兩面的實驗劇情，提高學生對實驗內容理解的完整度；通過反面操作的危險模擬、誤差分析，強化學生實驗的安全意識與科學意識。在實驗操作選擇、實驗意圖猜想、實驗結果推測等科學探究環節，把知識學習的過程活化成游戲與冒險，讓每一個學生都能在實驗探究的旅途中擔任偵探者，提升學生的情感體會和動作體驗[4]。

三 交互式化學實驗教學平臺的實現路徑

（一） 交互式化學實驗平臺的技術基礎

搭建交互式化學實驗教學平臺這一復合型的智能平臺，選擇組件積木、勾畫應用圖紙、選擇資源展廳每一個環節都尤為關鍵。對于交互式化學實驗教學平臺而言，豐富多彩的多媒體資源就是積木素材，其中實驗視頻素材是核心組件；NOBOOK化學虛擬實驗平臺就是“圖紙”，虛擬仿真技術是核心框架；極具兼容性且可以展示交互式視頻資源的嗶哩嗶哩視頻平臺就是展廳，為落實學習資源的分享性和科普性保駕護航。

1.“積木”——多媒體資源

搭建交互式化學實驗教學平臺主要采用的“積木”為自主錄制的化學實驗操作視頻、化學實驗儀器介紹圖片、化學實驗設計流程圖等，其間呈現的資源形式包括動畫、圖片以及趣味音頻等，這與借助PPT云平臺設計的動畫交互平臺同源[5]，但更加簡易，貼近學生的生活經驗與認知建構習慣。

2.“圖紙”——NOBOOK虛擬實驗平臺

化學仿真虛擬實驗室——NOBOOK實驗室是一款給老師和學生共同建設智慧課堂的信息化智能工具，是兼具方程式設置、演示設計、裝置拼接以及實驗結果推測等復合功能的虛擬仿真平臺[6]。為師生進行“掌上實驗”提供了可能性，有效地突破了實驗難度較高、實驗危險度不可控、實驗儀器設備缺乏等因素的限制，跨越時間和空間的客觀障礙，為隨時隨地進行實驗探究與共享學習提供了平臺[7]。在NOBOOK化學實驗平臺上，結合師生的需求，在線創建并設計了一些教學實驗。基于NOBOOK虛擬實驗室平臺，教師可以點評輔導，學生可在課前后鞏固練習，師生雙方都擁有較為開放自由的實驗環境。

3.“展廳”——嗶哩嗶哩視頻平臺

2019年7月，嗶哩嗶哩平臺增添的“互動視頻”功能，是一種新興的信息組織方式，互動視頻成為當前年輕人學習廣為喜愛的學習形式。從化學實驗的組織模式上看，實驗探究的過程可以分解成若干“實驗劇情”（步驟），基于實驗推進的思路，結合知識點考察，形成化學實驗教學互動劇場。過程通過應用互動視頻功能，結合信息技術手段，設計化學實驗教學互動作品，創新了化學實驗組織教學模式。

（二） 構建交互式化學實驗平臺的設計方法與工作模式

目前為止，虛擬仿真、交互等平臺的構建已有多個成功的案例，但有時間成本和技術成本的雙重限制，其在教學中推廣應用還存在困難。擬搭建的交互實驗平臺則具有低成本、技術簡便的鮮明特點，故在教學推廣上具備良好的應用價值。

1.應用互動實驗視頻構建交互式化學實驗平臺的設計方法

設計互動實驗視頻作品分三步：（1）利用NOBOOK平臺進行實驗演示，并進行視頻錄制（也可以實體實驗演示錄制），得到作品集成的主要碎片；（2）利用世界線視頻剪輯器對實驗視頻、網絡共享的多媒體資源依據實驗活動組織及知識點考察進行分割，得到作品集成的知識地圖（劇情線）；（3）在嗶哩嗶哩視頻平臺依次完成視頻上存、劇情樹設計、作品發布系列操作，即可實現通過平臺上載作品。

2.交互式化學實驗平臺的工作模式

交互式化學實驗平臺是以信息技術為骨架，以教師為主導，以學生為主體，實現師生互動、教學相長的教育理念。一方面，教師借助虛擬實驗室可獲得實驗教學知識碎片，在研讀教材的基礎上進一步設計，實現交互實驗視頻資源的集成，通過發布線上“闖關式”任務促使學生預習新知識，通過開設平臺評論區了解學生的預習情況。另一方面，教師可根據平臺上的學習情況完善線下教學的內容組織設計，在線下教學中突破教學重難點，著重解決學生普遍存在的疑難問題，促進教學質量和教學設計科學性的雙重提高，見圖1。

圖1 基于交互實驗視頻資源集成的生本課堂教學工作模式

四 交互式化學實驗平臺的實踐與應用

從教學現有問題出發，結合文獻研究和教學實踐，對不同類型的實驗教學活動組織進行了精心的設計和實踐探索。

（一） 利用互動實驗資源進行思維索引與考察，活化實驗教學形式

1.教學分析

常規實驗教學以教材為主要學習材料，以課堂講解為主要教學陣地，在實體教學過程中，存在學生對知識的理解程度不同，個體實驗操作技能差異較大等問題。實驗教學有必要突破現有課堂教學師生“一對多”的組織形式，進行“一對一”的分層引導，引導學生學會分析實驗現象，培育證據推理與模型認知的化學學科核心素養。

2.以《探究鐵釘的生銹》為例，設計探究型實驗教學《探究鐵釘的生銹》是初中化學實驗教學中典型的探究型實驗，操作簡單，情境知識趨于生活化，但學生往往難以理解控制變量法，也難以分析實驗現象與實驗操作之間的聯系。通過采用互動實驗資源的設置，幫助學生從理解鐵生銹的本質入手，進一步探究鐵釘生銹的因素，并融合了因鐵釘刺傷導致“破傷風”的知識拓展，最后布置學生家庭實驗任務，創新探究性實驗的組織形式，也拓展了教學內容，見表1。

表1 以《探究鐵釘的生銹》為例的探究型實驗教學實踐

（二） 利用互動實驗優化虛擬實驗教學，完善實驗的教學結構

1.教學分析

初中化學實驗側重考查學生對知識網絡的自主構建與應用能力。因此，教師在教學中需要能動地通過有效選擇，輔助學生把已知與未知相連，理解知識的應用與考察背景，將難以實操的實驗通過視頻動畫等方法，把實驗問題講透。在虛擬實驗室的基礎上創新設計互動實驗資源，實現有效教學資源的集成，以完善實驗的教學結構。

2.以《一氧化碳還原氧化銅實驗》為例開展教學實踐

《一氧化碳還原氧化銅的實驗》對學生的化學實驗室安全意識教學、科學探究與創新意識的培育具有重要意義，諸如實驗操作的先后循序、加熱的方法都是學生考查的熱點內容。在傳統教學上，一般通過播放演示實驗視頻或利用虛擬實驗進行演示，學生缺乏實體代入感，且缺乏對錯誤實驗操作后果的實質認識，借助互動實驗資源學習可解決這一問題。一方面，選擇正確實驗操作選項，實現互動通關的學生的化學學習熱情得到進一步強化；另一方面，知識不牢固或認知錯誤的學生在查看錯誤實驗操作會帶來的不良后果后可進入跳轉模塊，查看正確的操作視頻并繼續完成主線任務，確保實驗操作的有效推進，在互動探索中，不僅學會正確操作實驗，還強化了實驗安全意識。而基于教師本位，教師可以通過學生的選擇與討論情況，實時全面地獲得課堂反饋信息，見表2。

表2 以《一氧化碳還原氧化銅實驗》為例的實驗教學實踐設計

（三） 利用互動實驗資源指導學生實踐探究，提高實驗的教學實效

1.教學分析

在實驗技能測試納入中考的背景下，實驗教學要走向清晰化路線：目的明確、步驟具體、現象明顯、結論凝練。然而，這對實驗室設備、教師實驗規范要求大大提高，各級中學尤其是欠發達地區的鄉鎮中學將面臨很大的備考壓力[8]。互動實驗資源與傳統的演示實驗微課均具有可重復性、地點時間靈活性的優點，而互動式實驗資源的優勢在于其存在“設疑-演示-釋疑”的思維組織，能更好地幫助學生更好地開展實驗學習。

2.以《實驗室利用高錳酸鉀制取氧氣》為例開展教學實踐

《實驗室利用高錳酸鉀制取氧氣》是學生必做實驗之一，學生在進行自主實驗時大多存在儀器認識不明、實體操作順序不清等兩大問題[9]。利用互動實驗視頻，步步推進引導學生先在頭腦中搭建實驗的知識系統，然后馬上趁熱打鐵開展實操，提高教學效果，見表3。

表3 以《實驗室利用高錳酸鉀制取氧氣》為例的實驗教學實踐設計

五 實踐反思與展望

對于化學學科教學而言，化學實驗教學是基礎，是培育學生化學核心素養的重要載體。應用互動實驗資源搭建的交互式化學實驗教學平臺，集成了虛擬實驗室、微課、動畫等信息化工具的優勢，實現了化學實驗教學模式的創新。基于兼容性強、設計工具簡單，教師能通過設計知識清晰、互動感強、具有思維導引的互動實驗資源實現對學生實驗學習的課前、課上、課后全方位的指導與拓展，利用信息化平臺，為學生打造一個超越時間與空間限制，兼具有趣味、邏輯味、化學味的“三味課堂”。構建交互式化學實驗教學平臺是適應疫情環境、迎合中考實驗考查政策、面向未來化學素養培育創新化學實驗教學的新路徑。隨著信息技術的完善、視頻素材資源的創新，交互式化學實驗教學平臺勢必能成為學生學習化學的一大利器。