虚拟化学实验室助力基础化学课程教与学

王宇昕 郭京渝

北京电子科技职业学院 北京 100029

虚拟化学实验室助力基础化学课程教与学

王宇昕 郭京渝

北京电子科技职业学院 北京 100029

基础化学课程是高职院校生物工程类专业学生很重要的基础平台课程，要为专业课的学习奠定基础。高职学生感受到学习的乐趣后，才能成为学习的主体，认真思考并能运用所学知识解决实际问题。随着现代科技飞速发展，各种快捷方便的教学用具层出不穷，传统的黑板、粉笔加上黑板擦正在逐步被高科技产品取代。虚拟化学实验室的出现，让学生如在虚拟游戏般的环境中学习，培养了学生的科学兴趣、科学能力以及创新精神，从而助力基础化学课程分层教学。并结合当前教学实际情况，阐述了借助虚拟化学实验室实施分层教学的方法和经验。

虚拟化学实验室；分层教学；基础化学；高职

高职生物工程类专业的人才培养方案明确指出，基础化学课程是专业课的重要基础课程，课程主要讲述研究物质的组成、结构、性质以及变化规律，有助于学生主动构建自身发展所需的化学基础知识和基本技能，增进对物质世界的认识，进一步了解化学学科的特点；有利于学生体验科学探究的过程，学习科学研究的基本方法，加深对科学本质的认识，发展创新精神和实践能力；有利于学生形成科学的自然观和严谨求实的科学态度，更深刻地认识科学、技术和社会之间的相互关系，树立可持续发展的思想。

1 基础化学课程教学亟待解决的问题

1.1 教学难度增加

高中化学与高职基础化学课程存在先行课与后续课的关系，但内容、目标、难易程度差异很大，学好四大化学更非易事。高中化学很少涉及基本原理，与化学热力学、原子分子结构等有关内容也非常简单。高职基础化学课程要求学生对化学反应的基本规律、反应中的能量变化及物质组成、结构与性能之间的关系等有更为全面的认识和理解。高职教育要求学生达到高技能，必要实验不能少，加之学时限制，造成教学难度与学习难度都远高于高中化学要求，如何提高学习质量和教学效率是亟须解决的问题之一。

1.2 实验操作规范度与熟练度训练有限

高职基础化学课程的知识与原理需要通过真实的操作体验与观察才可能逐步构建知识结构。实际学习过程中，学生动手操作受到教学成本、场所、仪器数量的限制，很难做到仪器设备等人手一套。因此，仅靠课内学时来培养学生的操作熟练度与规范度面临着较大困难。

并且微观世界中的基本微粒（电子、原子、分子等）既看不见，也摸不着，特别是化学实验过程的变化、反应稍纵即逝，使学生较难真正观察、了解实验现象和原理，造成真实实验教学不能达到预期效果，造成学生实验基础不扎实，造成学生应有的能力没有得到有效的培养和锻炼。因此，课程教学迫切需要有虚拟仿真教学软件来辅助教学。

1.3 学生学习能力参差不齐

目前高职学校生源来源不同，学生在化学基础、学习态度、学习能力上存在较大差异，教师讲解通常以文字描述为主，不能吸引学生兴趣，学生难以理解，不能满足学习需求，严重影响了教学效果。并且高职学校基础化学课程教学多采用统一的课程标准及教材，采用大班授课，先讲后实验的传统教学理念完全突出不了学生的主体地位，不利于学生自主学习，学生学习效果差。

2 采用分层教学的问题分析

分层教学的主导思想是因材施教，著名的教育家和心理学家本杰明·布卢姆率先建立了学习分层系统，他指出1/3的学生能完全掌握教师所教的知识，另1/3的学生成绩一般，再1/3的学生不及格。分层教学是采用科学的评测方法把学生分层，教师有针对性地进行分层备课，分层授课，分层训练，分层辅导，以做到教学有的放矢，区别对待，最大限度地调动各层次学生的学习积极性，使每个学生在原有的基础上得到提高和发展。分层教学形式给全体学生都创造一个轻松愉快的学习氛围，使全体学生都处于一个适度焦虑的生活和学习环境中，以此来培养学生的学习品性。分层教学过程促使老师进行教和学的转化，从学生的个性差异和实际情况出发，遵循可接受性原则和因材施教的原则，促使学生学习方式的改变，倡导学生自主学习，从要学生学，变成学生要学，从而帮助学生学会学习，获得最佳的发展效果。

高职院校基础化学课程需要从学生个性差异出发，依据学生的学习差异性及学习兴趣因材施教，教学实施过程中，一般为大班授课，一个班有40名左右学生，没有专门的师资力量，授课教师教授基础化学课程外还承担其他专业课。如果采用分层教学，将会受到培养目标、时间和实验条件限制，如何确定分层的学生、确定教学层次目标以及分层来组织教学和考核是一个比较复杂的过程，构建分层次教学很困难。目前高职基础化学课程教学主要采取班内分层教学，是任课教师在班级授课制下根据学生学习能力和基础，自主采取分层教学方法，缺乏科学分析与理论支持，但这种班内分层教学依然不能解决基础好的学生“吃不饱”，基础薄弱的学生“吃不了”的现象。基于上述背景，高职院校探索符合学生实际的教学形式成为当务之急。

3 利用虚拟化学实验室实助力教学

传统实验教学中实验室实验是基础化学课程中必不可少的环节，但其中存在的问题也一致困扰着教师教学。近几年，国内教学类虚拟实验室类型的软件研发力度一直在加强，目前虚拟实验室软件系统大多为桌面型，国内部分初高中，甚至大学已经开始试点虚拟实验教学。适合移动终端的系统也已面市，软件画面逼真，操作简便、交互性强，能较好地激发学生学习乐趣，易于在教学中展示，更利于学生随时随地学习。虚拟化学实验室具有传统实验室无法比拟的优势。

放大微观世界。虚拟实验室完全模拟真实的实验场景，使用者能够从视觉、听觉、触觉等多种感觉方面感受实验过程的微观变化。

自由练习，零成本。虚拟实验操作流程和规则立足于实际实验流程操作规范，学员可独立学习，不受教室、教师等条件约束，可根据自身实际安排学习时间，且不用购买、消耗化学品。

危险系数为0。传统实验教学环节，尤其是化学实验中往往会有许多实验危险源，虚拟实验室能有效避免因操作不规范所带来的潜在危险，且不用担心化学品污染，清洁环保。

有助个性化学习。教学环节中可要求学员在该情景下进行理论判断和实验操作，增强问答交互性。例如NOBOOK虚拟实验独有的DIY功能学员可以仿真一个情景进行自我探究。

方便教学演示。与多媒体教学设备联动，省去教学用具和实验设备的开支，结合虚拟化学实验室软件构成教学互动平台，可实现教学一体。

以NOBOOK虚拟化学实验室为例，可以看到虚拟化学实验室软件涵盖了经典实验、元素周期表、相对原子质量、溶解性表、化学药品取用演示动画等多个功能模块。经典实验可以用来辅助基础化学课实验环节教学。2000年后出生的学生，是信息化的一代，他们更加适应网络环境，更加喜欢信息化学习方法。虚拟化学实验室提供了丰富的学习资源，能够引起学生学习的兴趣，调动学生学习的动力。

图1 化学分子模型（3D）演示

在课前，实验器材准备时间减少，教师可以快速完成备课。虚拟化学实验室提供实验仿真平台器材库，包括常用仪器、设备、材料，用于各类虚拟实验器材的管理。在教学过程中，教师可以通过仿真平台上提供的器材自由搭建任意合理的典型实验演示实验过程，减少实验等待时间，从而有更充足的讲解时间和与学生交流时间；教师还可以要求学生在此基础上进行虚拟实验，学生可以把器材从器材库中移到实验台上搭建虚拟实验，满足教师对各层次实验教学的需求。经过系统学习和练习后，再让学生走进真实实验室，确保学生真实化学实验室操作的成功率，大大提高学习效率和效果。

学生在课下，既可以通过虚拟化学实验室软件自主学习化学方程式、仪器使用方法、实验步骤等化学知识和原理，也可通过实验仿真平台动手操作。基础弱的学生可以通过软件提供的三维立体影像感知微观世界，了解元素周期表、原子质量、化学分子结构，帮助学生理解化学方程式、仪器使用方法、实验步骤等化学知识和基本原理，弥补课堂学习不足；可以依照实验步骤的提示对器材进行拖动和组合即可完成实验目标。虚拟实验可以无限次重复操作，提高化学实验演示效果，降低实验成本，这是真实实验室无法实现的。经过反复学习与练习实验操作，使这些学生明确了学习目标，掌握了学习方法，提高了学习兴趣，提升了学习效率，快速跟上课程学习进度。

基础好的学生可以观察3D分子模型展示，研究化学变化的本质，进行拓展学习，通过实验仿真平台自由搭建虚拟实验，促进学生动手操作，自主设计实验，有利于培养设计能力和创新意识。

利用虚拟化学实验室教学推进速度更为迅速，而且没有传统实验的善后工作。可以说在教学效率上是传统实验教学难以比拟的。当然虚拟化学实验也有它的弊端，真实体验感不强。虚拟实验不能代替真实实验，二者是相辅相成的。只有发挥各自的优势，精心组织实验教学，才会收到更好的效果。

3 结束语

虚拟实验室的出现可以极大地提高学生的学习兴趣，使教学内容呈现直观、形象、高效、多样化的特点，既满足了学生学习的个性化需求，也为教学实验提供了一个新的辅助平台。在基础化学课程教学中引入虚拟化学实验技术是有意尝试，通过虚拟实验演示与练习，增强了学习的趣味性，学生提高了学习自主性、创造性，最终提高实际教学质量。

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Virtual Chemical Laboratory Help Basic Chemistry Teaching & Learning

Wang Yuxin， Guo Jingyu
Beijing Polytechnic， Beijing， 100029， China

Basic Chemistry is an important foundation coursefor bioengineering major in higher vocational colleges， to serve for the specialty and make students study easily. After feeling the fun of study， the students will learn actively， think hard and solve problems with the learned knowledge. Along with the rapid development of modern science and technology， all kinds of quick and convenient teaching equipment emerge in endlessly， and the traditional equipment such as blackboard， chalk and eraser are gradually replaced by high-tech products. The emergence of virtual chemical laboratory makes students study like in a virtual game， and cultivate students' interest， ability， and innovation spirit in science， so as to help Basic Chemistrylayered teaching. In combination with the current teaching situation， this paper states the methods and experience of layered teaching with the help of virtual chemical laboratory.

virtual chemical laboratory； layered teaching； basic chemistry； higher vocational college

2015-05-28

王宇昕，硕士，高级讲师，生物工程学院教学运行办公室主任。郭京渝，硕士，讲师。