基于虚拟仿真课件的化学实验教学模式的研究与探讨

2022-04-02郭博雯,肖克拉提·阿帕尔，李娟

电脑知识与技术 2022年33期

郭博雯, 肖克拉提·阿帕尔，李娟

摘要：实验是化学教学中的重要环节，受制于多种现实因素导致不是所有的实验都能在真实教学情境中开展。文章将计算机辅助教学的思想引入化学实验教学中，以中学化学“实验室制取氧气”为例，利用Adobe Flash开发工具和Action Scrip开发语言制作了虚拟仿真实验课件。该课件的开发目的是让学习者在虚拟环境下，通过连线、手动组装等方式，认识实验用品、了解实验注意事项、完成实验具体步骤、并可在实验完成后通过自测模拟题模块检验学习效果，进行查漏补缺。通过虚拟仿真课件的应用进一步探讨在实验学习中利用课件完成线上+线下混合教学，以达到了更好的学习效果。

关键词：化学实验；计算机辅助教学；虚拟仿真；混合教学模式

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）33-0131-04

信息技术的迅猛发展和飞速普及促使教育理念、教学手段、教学模式不断前进和革新，给教育带来了新的变革与机遇。化学实验过程不同于授课过程，它是学生认识客观物质世界，了解化学内容最为直观的方式，也是对理论原理的生动补充说明。在《化学课程标准》中对实验内容提出了相应要求，但是在实际开展实验教学的过程中却存在着诸多问题。伴随着人工智能，虚拟现实技术等多种技术的应用，多方位地弥补了传统教学在时间和空间上的限制。

该虚拟仿真课件主要用于教学，设置和编排以课程的三维目标内容为导向，完整地体现了化学实验教学的全过程，从课件使用的情况来看，不仅提高了学生的学习兴趣，更在化学教学中起到了较好的辅助作用。

1 化学实验教学现状分析

传统实验教学需要在特定的实验室开展，但实验室的数量是有限的，协调与审批实验室需要时间，导致理论教学和实验教学的内容不能同步，二者内容的脱节不利于知识的吸收[1]。实验学时是有限的，为了更好地达到实验目标，教师需要在有限的学时中花费部分时间帮助学生完成知识复习，导致学生操作时间大大缩短[2]。实验时间的缩短会影响学生良好的实验体验。长此以往，将会打消学生对开展实验的热情。

实验结果是对实验过程的宏观认识，更为重要的是希望学生通过宏观表达理解元素的微观变化和反应机理。只有掌握这部分内容，学生才能做到用理论知识指导化学实验实践，才能为以后设计实验，开展创新打下基础。对于学生而言，微观层面的变化无法用肉眼捕捉，但立体且动态的微观变化借助文字的描述后会变得抽象且扁平，不利于学生理解掌握，如电子的跃迁和转移，活化能的降低等[3]。借助虚拟仿真课件的多种表现形式，将书本中二维的图片和文字形象化、生动化和立体化，让微观变化以宏观方式呈现，打破学生的思维局限。从设计到完成实验的全过程对于提高学生的综合素质，树立正确的工程观念有着重要的作用[4]

化学实验开展时，往往存在热情有余，准备不足。造成这一现象的原因是学生需要做实验的准备工作，包括了解实验内容、实验目标、熟悉药剂性质、仪器使用方法等。对于学生而言，从长篇的文字实验描述中难以精准提取出实验核心内容。通过虚拟仿真实验课件的形式学生可以以更加生动，简明清晰且全面的方式做好实验准备工作，同时具有更好的安全性和经济性，有助于绿色化学的发展[5]。

2 虚拟仿真实验课件的设计与实现

2.1 虚拟仿真实验工具的选择

虚拟仿真实验课件的开发工具选用 Adobe Flash，开发语言为 Action Script 3.0。

Flash 制作出来的课件兼容性好，支持在浏览器上展示和播放，不易损坏，可以广泛传播使用。Action Script 脚本语言無论是二代版本还是三代版本在编写的时候易于操作，便于理解。二代版本可以直接对舞台上的内容进行代码的编写；三代版本虽然不能直接对舞台上的素材编写代码，但是在对舞台上的元素命名后，可以利用代码或者 “代码面板”对它进行访问。

2.2 虚拟仿真实验课件的选题

许多实验往往有很高的操作价值和开展的必要性，却因为可能会造成爆炸或者在反应的过程中产生毒性物质而无法走进学生的视野，部分实验存在难度较大、危险系数较高、实验步骤相对烦琐、实验内容和目标对学生能力要求较高、实验效果相对来说不易观察等特点，选取有上述特点的实验作为虚拟仿真实验课件的对象[6]。这部分实验，对于学习者来说困难较大，在实际操作中会暴露出更多的问题，从而无法达到开展实验前预设需要完成的实验目标和实验结果。失败的实验不仅没有达到对理论知识的辅助效果，还在一定程度上消磨了学习者对实验过程的热情与信心[7]。学习者通过虚拟仿真课件提前了解内容，熟悉流程，规避错误，在实操时也会更加流畅。在课件中，也可以模拟出错误操作引发的危险情形，并向学生讲授面对不同情形时的处理方法以及预防措施，打破了实验原料和实验空间的限制，拓宽诸如防火布，沙土等一些仪器的开放范围和开放程度[8]。直观地强化实验操作规范，规避潜在的安全风险。

2.3 虚拟仿真实验课件界面设计

设计者将考虑项目用途，使用对象等相关因素，设计出符合学习环境要求的界面。本课件的用途是辅助教学，在画面呈现上要相对正式，颜色不宜过于复杂。在画面的布置上，要以教学内容为主体，内容的呈现上清晰明显，其他元素要配合呈现主体内容；课件内容是化学方面，在整体色调的使用上要选取冷色调，不宜选取暖色调，如图1实验课件封面。该课件的使用对象主要是中学生，在呈现主体内容的时候文字不宜过多，内容分布不宜过于密集。通过多种媒体方式，将知识点以多种形式生动呈现。

2.4 虚拟仿真实验模块功能设计

该课件一共设置了五个模块，分别是实验简介模块、实验用品模块、实验过程模块、实验注意事项模块和自测练习模块。每个模块在课件中都承担着不同的功能。模块间的功能结构如图2所示。

实验简介模块：用于向学习者介绍本实验的实验原理、学习目标、重难点内容以及探究式学习中的思考部分。通过阅读文字或点击 “播放”按钮听取相关内容。

实验用品模块：用于介绍本实验所需实验仪器，以连线作答的方式完成。

实验过程模块：分步骤讲解实验操作过程。学习者根据文字说明和页面提示内容组装仪器，如组装有误，仪器会返回至初始位置。点击“播放”按钮可观看标准演示步骤。

注意事项模块：将汇总在实际操作过程中学习者遇到的常见问题，根据问题的文字描述，学习者在“判断”位置，点击按钮进行判断，课件将根据学习者判断结果做出相应反馈。还可以点击“分析”位置的“播放”按钮观看本题的详细分析内容。“分析”和“判断”并无先后关系。

自测练习模块：由三个子模块组成，分别是单选题模块，多选题模块和填空题模块。在模块中都设置了三个按钮，分别是“提交”“清除”“答案”。

2.5 虚拟仿真实验课件实现流程图

虚拟仿真实验课件设计与实现流程图如图3所示，实验内容确定后，首先进行内容梳理；其次，对内容进行模块划分并设计其具体展现方式；接下来，根据模块包含内容及呈现方式对模块进行分解，制作相应的元件和素材；制作完成后，对素材元件进行集成整合；最后，通过播放测试对课件进行最终调试，完成最终设计。

2.6 分解与集成整合

划分模块后，就可自顶向下对模块内容进行分解，划分出最小功能单元。如图4，以“注意事项”模块为例。根据顶级功能描述完成二级功能分解，再对二层元件进行分解，会得到第三层包含的元件。逐层对功能元件进行划分，直到得出最小功能元件，再对其进行实现。底层叶子结点元件实现后，通过自底向上的集成方式实现更高一级也就是父亲节点元件的功能。具体集成结果如图5所示，具体操作就是将不同功能元件放置在不同图层上，功能相同内容不同的元件放在该图层的不同帧中，然后在相应的帧中编写对应元件的控制代码。“注意事项”模块为学习者提供了5道题目，所以在图5中占据5帧内容。

其余模块也按照上述方式自顶向下逐层分解出底层功能元件，完成后再自底向上逐层集成整合，最后通过演示调整实验课件最终将其实现，由于篇幅原因此处不再赘述。

3 构建自主灵活、形式多样的线上线下混合式教学模式

3.1 传统实验教学模式

在传统实验开展前，教师将为学生讲授实验内容并展示实验操作。实训时，学生复刻教师操作步骤并记录实验成果。实验后，上交实验报告，结束此次试验。在此种教学模式下，学生处于被动位置，按照教师的要求完成学习，而非发挥自身主观意志探索学习[9]。

3.2 实验教学模式创新

传统实验开展前，教师会将实验导学视频在课堂展示或者发送至班级群，供同学们观看学习，但教师无法掌握学生对实验导学内容的学习情况。为解决这一问题，教师将媒体内容上传至超星學习通、雨课堂等其他线上学习平台，通过观看时长判断学生是否按量完成学习内容，再通过平台内相关知识点测试习题分析学生对知识的掌握情况。即借助虚拟仿真课件，通过线上+线下混合教学模式，即关注学生实验开展前、线下实验中、实验考核、实验后的总结与学习这四个方面内容，教师实现全过程，全方位地跟进，评估学生的实验学习情况并做出动态调整[10]。

实验开展前阶段，教师可以将虚拟仿真课件以及完整操作视频发送至学生端。学生利用视频和虚拟仿真课件，掌握实验用具操作方法、熟悉实验流程、了解实验危险情形及其应对措施等，在开展实验时就能在有限的实验学时中充分发挥出实验在教学中的促进作用[11]。

线下实验阶段，针对学生在线上平台的学习及作答情况有针对性地对实验操作进行辅导，确保实验对学生的促进作用。对于线上表现较差的同学，在实验教学时，可作为重点关注对象。线下实验时，学生需要依据实验内容填写实验报告单，包括记录实验内容、实验遇到问题及解决方法，反思等内容。教师借助实验报告了解学生线下实验开展情况。学生借助实验报告梳理实验过程，了解自己知识点薄弱环节和实验操作的不足[12]。

实验考核阶段，原有考核模式较为单一，不能准确反映学生的动手操作能力和分析解决问题的能力[13]。在混合教学模式中，考核方式可以采用学生自评，组内互评以及教师对学生的评价等多元评价考核机制。即综合线上学习数据以及线下实验情况对每位学生实验产生综合性反馈。教师一方面收集学生在虚拟仿真课件中测试题完成的情况给出相应成绩，另一方面借助学习平台的限时测评工具，对学生实验掌握水平进行测试。根据学生测试结果，教师动态地调整下一阶段的教学内容或者教学方式。通过多元评价考核机制有利于学生了解自身优势和潜力，增强与他人交流合作的能力，促进学生个性化发展，有效提升学生的研学精神。

实验完成后，通过多元评价考核机制对本次实验做反思总结。传统的实验教学方式以教师为输出主导，学生被动吸收。教师依据自身经验进行教学实践，忽视学生创造性思维和学习主观能动性培养。在线上+线下混合教学模式中，转变教学主体，让学生在教与学的过程中占据主体和主导地位，教师则是根据学生情况做出动态调整。对于学有余力的学生，在通过基础知识测试后，可以进入更深一阶段的学习，满足不同学生对知识的个性化需求。在实验操作不熟练、知识出现遗忘时，还可对实验内容重复学习，无须担心实验材料准备与回收，也无须担心仪器的损坏，并且可以自己选择学习内容和学习进度[14]。

4 结论

本文所提到的虚拟仿真课件其使用情景是在实验前由教师发送到学习者的手中，学习者通过本课件可以提前了解实验目标、实验原理、实验重难点，这样在课堂学习中将更有学习目标。同时学习者也可以借助本课件在虚拟环境下开展实验，这样在真实环境下做实验时，会对实验内容和实验过程更加熟悉，对仪器的使用也更加规范，实验成功率明显提高。本课件除了辅助学习者提前完成实验学习外，还可以通过课件提供的测验模块，检测学习效果，起到查漏补缺的作用。

目前课件中存在的不足之处是检测模块的测试题目是固定的，无法依据每位学生的线上实验实况个性化地在题库中选取最适合学生的题目[15]。期待在后续的研究中，通过获取学生线上实验操作数据，依据数据为不同学生匹配不同习题，方便教师根据学生的作答情况，了解每位学生的学习需求，在线下指导时更有针对性，进一步地提高学习效果。

参考文献：

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[3] 陈浩，索南尖措，李红，等.Vuforia在中学化学仿真实验系统中的运用[J].电子技术与软件工程，2020（10）：36-37.

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[9] 高刚，迪力穆拉提江·祖农.新疆师范大学足球选修课“翻转课堂”教学模式研究[J].新疆师范大学学报（自然科学版），2021，40（2）：91-96.

[10] 秦倩，李发胜，刘阳.虚拟仿真平台在分析化学实验教学中的实践与评价[J].广州化工，2021，49（23）：142-144.

[11] 樊小超，杨勇，邹艳波.混合学习理念下的教学模式探讨——以《Java Web开发基础》课程为例[J].新疆师范大学学报（自然科学版），2021，40（2）：86-90.