巧用智能手机 模拟化学实验

储开桂

摘  要 烧杯（BEAKER）APP软件的应用让化学实验在手机等设备上完成变成现实，在烧杯APP（BEAKER）平台上可以完成近300种化学实验，为中学化学实验学习方式的改變提供了一种新的范式，有助于提高学生的化学学习兴趣并培育学生的化学学科素养。

关键词 烧杯（BEAKER）APP;化学实验;人工智能;VR技术;实验室;化学学科素养

中图分类号：G633.8    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）01-0028-03

1 引言

烧杯（BEAKER）是一款非常有创意且有趣的学习类APP，该软件拥有与真正的化学仪器烧杯同样的功能，在这里可以应用手机随时随地随意模拟做出各种化学实验，不仅可以直接观察各种化学反应，而且完全无须准备试剂、材料。

烧杯（BEAKER）作为一个模拟化学实验的应用，APP内置150多种药剂，可以完成接近300种神奇的化学反应，功能很强大，可以将手机变成一个小型化学实验室。通过轻摇设备、滑动手指模拟实验操作，安全、有趣、生动，随时随地做各种化学实验，颠覆传统学习方式，让化学变得生动直观，充满乐趣。在这里可以让学生直接掌握更多的化学知识，也能给对化学实验有浓厚兴趣但缺乏仪器、药品的学生提供平台，更能完成许多在实验室无法完成的危险性实验。如可以通过操作观察到金属铯与水的反应的剧烈现象。

2 烧杯（BEAKER）APP使用方法

下载并安装烧杯（BEAKER）APP  在苹果设备iPhone、iPad和iPod touch中的Apple Store中搜索“烧杯”（图1）后下载安装，软件大小为75 MB，需要iOS 8.0或更高版本。安卓系统中同样可以搜索到“烧杯”（Android版），下载后安装即可使用。

烧杯（BEAKER）APP界面说明  下面以苹果机中的烧杯（BEAKER）（iOS版）为例进行介绍。在手机页面中找到烧杯APP并打开，进入首页面。首页面上有两个按钮，通过按钮进行化学反应物质的选择和化学反应条件之间的切换。烧杯（BEAKER）APP内置了很多化学物质，点击界面右上角的小圈圈就可以查看。将图2所示页面第一行放大后如图3所示。

点击化学试剂页面右下按钮，可以切换显示各类化学物质的密度、摩尔质量、溶解度、英文名。

左右滑动屏幕，可以进行化学试剂的选择，试剂的排列是按照化学物质的状态出现（液体—固体—气体），其中固体物质最多。系统将固体物质按化学式的首字母出现的先后顺序排列，便于查找。

点击首页面左上角方框按钮，进入图4所示页面，可以进行化学实验条件和实验方式的选择，从上往下分别为选择是否需要密闭实验、是否需要加热条件、是否需要点燃（AirMix功能下面再介绍。Chemist是另外一种收费实验APP）。

除此之外，烧杯APP内还提供更多可以自费购买的设备项目，以供更高要求的实验需要，例如：使用仪表来追踪烧杯内的精确数据;使用过滤网进行过滤实验;还有分离器、冷却器、搅拌机等可供选购，每样设备需支付一元。

用烧杯（BEAKER）APP做自己想做的实验操作案例  这款烧杯（BEAKER）APP的作用就是把手机模拟成一个烧杯，可以往烧杯里面放各种化学物质，甚至可以进行点燃、加热等操作。而烧杯（BEAKER）APP的模拟效果也相当逼真，如果加注了溶液，晃动手机，溶液也会如同摇晃烧杯一样动起来;当化学反应造成燃烧、沉淀等现象，APP也都会一一如实反映，十分刺激！

1）固体与溶液反应：以比较碱金属与水反应快慢差异为例。高中《化学》（必修1）向高中生介绍了钠（Na）的化学性质，钠与水（H2O）的剧烈反应给学生留下深刻印象。不少学生想自己亲手试试，但由于实验条件的限制而不能如愿以偿，可以通过烧杯（BEAKER）APP亲自进行验证。步

骤：进入试剂页面，点击钠（点击某样化学物质，就可以把它加进烧杯），选择1～2粒金属钠（也可以更多，模拟实验不存在危险）;进入液体物质页面，点击水，长按就可以不断加注，如想要加半烧杯水，就一直长按水就可以了。

如图5、图6所示，实验现象说明：能听到金属钠与水反应的声响，能看到钠在水面不停游动;滑动屏幕，会显示反应的化学方程式;再次滑动会听到爆炸声，并出现氢气和氧气反应的化学方程式。

从元素在周期表中性质的递变规律来看，金属铷和钾的性质比金属钠更活泼，它们跟氧气和水反应比金属钠更剧烈。书本上知识告诉学生这样的结论，实验室也无法提供相应的实验让学生去探究和观察，但烧杯（BEAKER）APP可以：将钾投入水中，反应剧烈，同时能看到水面上方有水蒸气不断溢出，反应速度更快;将铷投入水中，立即听到爆炸声，上方有液体飞溅。反应瞬间结束，无法截图，学生可以亲自去体会。

2）非液相反应操作：以金属钠在氯气中燃烧为例。如果想尝试的化学反应是固体与气体、气体与气体之间的反应，也可以参照上文的试剂选择步骤选择相应的试剂，如点击氢气，再点击氯气，只需用手指在屏幕上滑动，就表示点燃，能看到反应现象，并显示反应的化学方程式。如需加热，按住屏幕右下向左滑动即可。图7表示金属钠在氯气中加热反应，实验过程中不仅能看到钠的焰色反应是黄色，还能看到不断产生白色的烟，能听到钠在氯气燃烧的声音，真的特别棒！

3）联机完成烧杯中物质倾倒：虚拟现实（VR）技术的简单应用。烧杯（BEAKER）APP具有一个独特的AirMix功能，当两部手机连入互联网，开启定位服务，然后打开应用，就可以把两部手都当作烧杯使用，把两个烧杯（BEAKER）APP的手机靠近，它们会自动连接，然后就可以把化学试剂从这个“烧杯”倒入另一个“烧杯”，如将装有NaCl+H2O的烧杯倒入装有AgNO3+H2O的烧杯（发生沉淀），将装有Na的烧杯倒入装有Cl2的烧杯（发生燃烧），等等。

这是VR技术在化学实验仿真上的应用，将一部手机“烧杯”向另一部手机“烧杯”进行倾倒时，感觉就像真的是溶液从其中流出，并在另一“烧杯”中观察到相应的反应实验现象。

3 烧杯（BEAKER）APP的化学实验教学效果

有助于激发学生学习化学的兴趣  化学是一门以实验为基础的学科，化学课程之所以对学生有吸引力，不可忽视的原因之一就是千变万化的化学实验现象。但在应试教育压力下，很多高中的学生已经丧失进入化学实验室的机会，繁重的作业压力让学生逐渐对化学课程失去原有的兴趣和探究的欲望。

爱因斯坦说过：“兴趣是最好的老师。”如何能让高中学生持续保持对化学课程的学习兴趣，一直是一线教师高度关注的热点问题，也有很多教师为此做了很多有益的探索。例如：在平时的课堂教学中尽可能设置和安排一些生动、形象、有趣的实验引入课题，以激发学生的兴趣;尽可能创造条件，让学生自己动手做实验;尝试开放化学实验室;开设化学实验选修课程;等等。

烧杯（BEAKER）APP给学生提供了一个简易操作平台，可以验证已经学过的化学知识，可以探究未知领域的化学反应，可以完成在实验室无法完成的实验。如王水溶解金属、溴单质与金属的反应和爆炸、氢氟酸溶解玻璃等实验的完成，对学生有着强大的吸引力，无疑可以更大程度上调动学生学习化学的热情，并逐步由直接兴趣向间接兴趣转化。带领学生由喜欢化学实验转化为喜欢化学课程，通过深入学习化学课程去体会化学课程的魅力。

有助于提高学生的化学学科素养  课程标准指出，高中化学学科核心素养包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学精神与社会责任”五个维度。高中学生化学学科核心素养的发展有一个持续进步的过程。高中化学实验是高中化学教学的重要组成部分，对于全面发展学生的化学学科核心素养有着極其重要的作用。烧杯APP的使用让学生有机会接触各类实验，对提高学生的学科核心素养有辅助作用。

烧杯（BEAKER）APP中对化学物质的分类和排布，能让学生学会从不同层次认识物质的多样性，并对物质进行分类。烧杯（BEAKER）APP中各类实验的完成，能让学生认识一切物质都是运动和变化的，知道发生化学变化是需要一定条件的，即相同的物质在不同条件下的产物也不一定相同，并逐步认识化学反应遵循一定的规律;认识到有新物质生成是化学变化的本质特征，化学变化的同时伴有能量转化;逐步学会从不同角度、动态地分析化学变化，有利于培养学生的证据意识;有助于学生进行科学探究，培养创新意识;有利于培养学生节约资源的意识、保护环境的可持续发展的意识。

有助于师生了解人工智能在化学学习中的作用  教育部在2013年启动普通高中课程修订工作，修订工作遵循的第二条原则就是：坚持反映时代要求。因此，要关注信息化环境下的教学改革，根据科学技术进步新成果，关注学生个性化、多样化的学习和发展需求，促进人才培养模式的转变。结合实际，大胆探索，学习并运用人工智能，为发展学生的核心素养提供先进的技术保障。

AI是人工智能（Artificial Intelligence）的英文缩写。AI是一门富有挑战性的新的科学，以人的智能研究为基础，以开发用于模拟、扩展和延伸人的智能的理论、技术、方法及应用系统为目标。人工智能技术的发展在教育领域的应用必然对传统教育行业带来新的机遇与挑战，教育行业如何调整以适应未来人工智能的发展趋势，如何培养适合社会发展的人才，成为广大教育工作者必须思考的新的课题。在中国教育学会举办的科创教育联盟成立大会上，美国著名杂志《连线》的创始人凯文·凯利曾受邀作演讲，预言“人工智能发展在未来二三十年五个方面的趋势：认知、互动、使用、分享、流动”，认为未来智能教育将在这五个方面扮演重要角色。

烧杯（BEAKER）APP是人工智能在化学实验学习方面开发的一次尝试，尽管不是很完美，但热爱化学的学生可以通过该APP进行化学实验的体验并获取相关的化学知识和原理，是对真实化学实验的虚拟认识，甚至能在一定范围超越传统实验室的功能。随着科学技术的不断进步，有理由相信人工智能与化学学科的融合会越来越好，为化学学习提供更多精彩的内容和平台。■

参考文献

[1]普通高中化学课程标准（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]人工智能发展的这五个趋势可能会改变未来教育[DB/OL].[2017-04-06].http：//www.sohu.com/a/132114522_484992.