化學虛擬實驗教學設(shè)計與實踐研究

1、1.研究背景1.隨著我國高等教育事業(yè)的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)實驗教育資源的局限日益凸顯，實驗教學的改革不斷引起實驗教學工作者的關(guān)注。2.國外一些高校已經(jīng)從傳統(tǒng)的實驗室過渡為真實實驗室與虛擬實驗室相結(jié)合的模式，充分利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源和先進的計算機設(shè)備進行虛擬實驗教學，此舉收到了良好的效果。3.虛擬實驗教學也引起國內(nèi)高校的廣泛關(guān)注，虛擬實驗作為虛擬現(xiàn)實在教育中的重要領(lǐng)域，已逐步成為科學實驗和科學研究中最強有力的工具。2.選題依據(jù)1.行為主義理論：學習是形成刺激和反應(yīng)的聯(lián)合，學習過程是嘗試與錯誤直至最后成功的一種漸進式過程。2.建構(gòu)主義理論：認為學習者知識的獲得是在一定的情境下借助他人（教師或?qū)W習伙伴）的幫

2、助，再通過必要的學習資料，而獲得的。3.認知發(fā)現(xiàn)學習理論：認為發(fā)現(xiàn)學習過程中的直覺思維與學習者的行為把握、圖像把握和符號把握的認識發(fā)展階段是緊密聯(lián)系在一起的。虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是通過讓學習者在模擬真實環(huán)境的運動訓練中接受刺激，不斷的嘗試和錯誤，最終使學習者達到由感性認知上升到理性認識的目的，不僅能保證學習者的安全，也打破了時間與空間的限制。該理論中，“情景”、“會話”、“意義建構(gòu)”和“協(xié)作”是四大屬性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)使學習者能夠主動進行自主學習，并且自助選擇學習內(nèi)容和學習時間，它提供了建構(gòu)主義理論中所要求的學習環(huán)境，符合該理論的思想。根據(jù)該理論，虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于教育教學過程中，可以提供給學習者大量

3、逼真的圖像信號刺激，使一些語言難以描述的過程生動形象的展現(xiàn)在學習的面前，提供給他們大量的直覺思維感知。3.核心概念界定 發(fā)展：基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗是在遠程教育不斷發(fā)展的情況下伴隨著通信、網(wǎng)絡(luò)、計算機、多媒體、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)而發(fā)展起來的一門新興實驗技術(shù)。它以計算機應(yīng)用技術(shù)為核心，借助仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機圖形圖像處理技術(shù)等生成的逼真實驗情景，在計算機上營造可供輔助或是部分或全部替代傳統(tǒng)實驗操作的各個環(huán)節(jié)。 實施方法：虛擬實驗一般是通過虛擬實驗室進行操作的。虛擬實驗室是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成的一類虛擬實驗系統(tǒng)，它包括相應(yīng)的實驗室環(huán)境、實驗對象、實驗信息資源、有關(guān)的實驗儀器設(shè)備等，學生或

4、教師可以隨時進入虛擬實驗室，通過鼠標點擊與拖拽來操作實驗儀器，進行各種實驗。分類：增強現(xiàn)實性虛擬實驗系統(tǒng)、沉浸型虛擬實驗系統(tǒng)、分布式虛擬實驗系統(tǒng)、桌面虛擬實驗系統(tǒng)。 增強現(xiàn)實型、分布式、沉浸型等虛擬實驗系統(tǒng)在操作時需要有數(shù)據(jù)手套、頭盔等高昂的設(shè)備，在中學的教育教學中較難得到應(yīng)用，但是桌面虛擬實驗系統(tǒng)造價低廉，適用于教育領(lǐng)域中。本文以桌面虛擬實驗系統(tǒng)為研究對象。4.研究內(nèi)容 本文結(jié)合虛擬實驗的特點和功能，針對高中化學的實驗課程教學目標，以桌面虛擬實驗系統(tǒng)為對象，設(shè)計了不同類型的虛擬實驗教學案例，然后通過實踐對其進行了分析研究。5.研究方法一、文獻研究法：通過搜集整理期刊、論文等各種文獻，了解了國

5、內(nèi)外在該方面的研究情況，為本課題提供了一些有意義的借鑒。二、對比實驗教學法：在教學實踐中設(shè)置了實驗班和對照班，分別進行不同的教學模式。其中自變量為在教學中使用的教學工具，因變量為學生們的課堂學習態(tài)度、實驗操作技能、對所學內(nèi)容的掌握情況等。另外，通過對實驗班和對照班進行課后知識測驗，得出虛擬實驗在學生學習效果上的作用。三、抽樣調(diào)查法：通過抽樣調(diào)查的方式了解學生們的學習情況以及進行虛擬實驗在高中實驗教學中的可行性研究。四、問卷調(diào)查法：通過對不同地區(qū)不同學校的教師級學生進行抽樣調(diào)查，了解其教學硬件情況、教師教學水平、學生實驗情況及現(xiàn)代信息技術(shù)的使用情況。五、訪談法：在進行預(yù)習課的教學設(shè)計時，通過對擔

6、任學生實驗課老師的訪談，來了解虛擬實驗在學生的實驗預(yù)習課上的功能及作用。6.中學虛擬化學實驗可行性調(diào)查分析2013年9月至2014年1月，我們對開封、南陽、駐馬店等5個不同的地區(qū)的學校、化學教師、學生等進行了抽樣調(diào)查，共發(fā)放調(diào)查問卷（一）“現(xiàn)代教育技術(shù)教學現(xiàn)狀調(diào)查問卷”60份，當場回收26份，有效問卷48份和調(diào)查問卷（二）“現(xiàn)代教育技術(shù)學習情況調(diào)查問卷”380份，當場回收66份，有效問卷271份。通過調(diào)查，了解了不同學校硬件水平、教師技能水平、學生對現(xiàn)代技術(shù)的運用情況、目前中學化學實驗教學效果等。1.學校硬件水平調(diào)查結(jié)論由下圖可知，大部分學校教室均配置有多媒體教室。在“教室擁有多媒體設(shè)備”方面

7、，城市中學為98%，縣城中學為86%，農(nóng)村中學較低，為21%；在“校園網(wǎng)建設(shè)”方面，三類學校占比均較低，其中城市中學為72%，縣城中學為52%，農(nóng)村中學基本上沒有建設(shè)校園網(wǎng)；從“教研辦公室的聯(lián)網(wǎng)情況”方面來看，城市中學的網(wǎng)絡(luò)覆蓋很徹底，基本上辦公室里都有可供使用的網(wǎng)線或無線，縣城中學的網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況為86%，農(nóng)村中學的為42%。0.00%20.00%40.00%60.00%80.00%100.00%城市中學縣城中學農(nóng)村中學學校擁有多媒體教室所占比例教室擁有多媒體設(shè)備所占比例學校建設(shè)校園網(wǎng)所占比例教師辦公室能夠聯(lián)網(wǎng)的比例6.1 中學虛擬化學實驗可行性調(diào)查結(jié)果 2.教師技能水平調(diào)查結(jié)論 通過調(diào)查分析

8、可知不同學校由于硬件條件的不同其教學方式差異也較大，但是從整體而言，傳統(tǒng)的教學方式還是占有較大的比例，為46.5%，其中大部分是從事教學工作6年以上的教師。使用多媒體進行教學的教師所占比例為37.1%，其中大部分為剛走上工作崗位的教師。另外，部分學校為了提高本校的教學質(zhì)量，從而采取了新課改模式教學，所以借助于導學案導學的教學手段比例也日益增加。0.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00% 傳統(tǒng)的黑板板書多媒體課件教學借助導學案導學 教學軟件的使用方面，通過調(diào)查了解發(fā)現(xiàn)，在各類辦公軟件中Powerpoint的使用頻率最大，所占比例為52.8%，其次為Word或WPS，所

9、占比例為36.6%，但是Word和WPS二者相比較而言教師們對Word的了解更多一點，而對具有更多新功能的WPS了解甚少，另外Photoshop或Flash的使用較少，還有些教師在制作課件時也用到了一定的公式編輯器或相關(guān)的化學軟件等。0%10%20%30%40%50%60% PowerPointPhotoshop或FlashWord或WPS其他 教師在講授實驗課時采用的方法，可由表中看出不同地區(qū)差異較大。 在城市，由于教學硬件設(shè)施比較好，學校有能力來組織實驗課的教學工作，或是通過展示實驗，或是通過視頻播放，所以傳統(tǒng)的僅靠教師講解的教學方式占比較少。另外，由于教師素質(zhì)水平相對較高，網(wǎng)絡(luò)接觸方便，

10、所以新事物的接觸面也較大，在進行實驗課的教學過程中還有些可以通過某些化學軟件來給學生們模擬實驗過程，該比例約占10.1%； 在縣城中學，有些學校實施新課改，在教師的技能培訓及教學硬件方面投入較大，因此教學情況也相對較好。 在農(nóng)村中學由于教學條件的限制以及教師隊伍水平有限，在實驗教學方面仍以傳統(tǒng)的講授為主。0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%城市中學縣城中學農(nóng)村中學課堂上教師自己講解自己講解教師課堂展示實驗通過視頻播放實驗過程通過一些化學軟件來模擬實驗過程3.學生對現(xiàn)代技術(shù)的運用情況的調(diào)查結(jié)論 學生們的計算機知識和水平主要是從來兩方面來了解：一是學生們接觸計算機的方式（如上

11、圖所示），二是學生們上網(wǎng)的主要目的（如下圖所示）。0%20%40%60%80% 家庭電腦校外網(wǎng)吧學校機房0.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00% 學習聽歌、看視頻玩游戲其他 從上圖可以看出，中學生接觸電腦的方式還是通過校外網(wǎng)吧，這一比例約占總調(diào)查人數(shù)的69%，還有還有21%的學生主要是通過家庭電腦來接觸計算機和網(wǎng)絡(luò)的，在這一比例中大部分被調(diào)查者來自城鎮(zhèn)。 關(guān)于學生上網(wǎng)的用途，從下圖也可以看出大部分被調(diào)查者稱上網(wǎng)主要是用來娛樂和消遣，很少學生會主動通過電腦來學習。圖4-6可以看出，學生們在聽或下載歌曲 、看視頻、玩游戲等方面所占比例為88.8%，但是看似娛樂的表面下

12、也能夠得出一點結(jié)論，即學生們是具備一定的電腦操作知識的。這就為虛擬實驗的可行性堅定了基礎(chǔ)，因為中學化學虛擬實驗本來就是通過一些簡單的鼠標操作來完成實驗過程的，從操作層面上來說并不復雜。4.中學化學實驗教學效果調(diào)查結(jié)論在本學期開學伊始之際，我首先對我?guī)У牧鶄€班級的學生們進行了一次調(diào)查，主要是想了解學生們化學這門學科的看法，調(diào)查情況如圖所示：0.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00%70.00% 化學實驗很有意思化學學科與生活聯(lián)系很緊密與老師有關(guān)不清楚0.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00%不安全因素化學知識點碎與化

13、學老師有關(guān)不清楚 通過這次調(diào)查可以知道，化學在學生們中間受歡迎的程度并不大，這里面的主要原因是由化學這門學科本身的特點決定的，首先是化學知識點比較碎，其中涉及了大量的元素化合物的知識、各種化學方程式、許多化學反應(yīng)原理等，學生們的記憶量較大；其次是化學實驗的不安全性，眾所周知，化學實驗藥品大部分是有一定的毒性的，經(jīng)常接觸對身體有一定的危害，由于學生們化學知識的匱乏，所以對這方面尤其在意。 有約16%的學生表示對化學很感興趣，主要是因為化學實驗很有趣，并且也與生活聯(lián)系非常密切，但是學好化學對他們而言還是很吃力。 從兩這方面來看，化學之所以吸引學生，主要還是化學實驗，但是又由于某些化學實驗具有一定的

14、危險性，所以又讓一些學生望而卻步。在這種情況下，如果將虛擬化學實驗引入實驗教學中，能很好的將化學實驗的特點揚長避短，以下就具體的來分析下虛擬實驗在化學實驗教學中的效果。6.2 結(jié)果總結(jié) 1.學校硬件水平調(diào)查結(jié)論無論是城市還是農(nóng)村，大部分學校都已擁有多媒體教室，并且，這已達到虛擬實驗的最基本的普及條件，但是還有待發(fā)展。2.教師技能水平調(diào)查結(jié)論在所調(diào)查的中學教師里，基本上所有的老師都會使用一些常用的辦公軟件，如果在條件允許的情況下也更傾向于借助于多媒體進行教學。但是老教師使用的辦公軟件層次較低，新教師則普遍較高。3.學生對現(xiàn)代技術(shù)的運用情況的調(diào)查結(jié)論 目前中學生基本上都會上網(wǎng)，并且也會使用一些較為

15、簡單的音樂、視頻、游戲等軟件，具備一定的電腦操作技能。并且目前中學生的課程中都包含有微機課程，學生們可以通過這類課程學習一些簡單的文字編輯等方面的知識。4.中學化學實驗教學效果調(diào)查結(jié)論通過這次調(diào)查可以知道，化學在學生們中間受歡迎的程度并不大，這里面的主要原因是由化學這門學科本身的特點決定的。約16%的學生表示對化學很感興趣，主要是因為化學實驗很有趣，并且也與生活聯(lián)系非常密切，但學好化學對他們而言還是很吃力。從兩這方面來看，化學之所以吸引學生，主要還是化學實驗，但是又由于某些化學實驗具有一定的危險性，所以又讓一些學生望而卻步。7.中學化學虛擬實驗教學設(shè)計及實踐情況介紹1.預(yù)習課虛擬實驗教學設(shè)計示

16、例以“O2的制取及性質(zhì)”實驗為例2.新授課虛擬實驗教學設(shè)計示例以“氯氣的制取”實驗為例3.復習課虛擬實驗教學設(shè)計示例鈉的專題復習課4.習題課虛擬實驗教學設(shè)計示例虛擬實驗動態(tài)習題舉例7.1 預(yù)習課虛擬實驗教學設(shè)計實施情況及效果分析以“O2的制取及性質(zhì)”實驗為例1.設(shè)計思路：學生實驗“O2的制取及性質(zhì)”分兩節(jié)課進行，第一節(jié)課為預(yù)習課，第二節(jié)為學生的實驗課。該部分內(nèi)容為9年級的教學內(nèi)容，我所選的班級為本校兩個初三培優(yōu)班初三1班和2班，其中1班為實驗班，2班為對照班。第一節(jié)預(yù)習課由我代替這兩個班級的化學老師董鳳仙老師進行教學研究，在進行教學研究前，關(guān)于我所選擇的實驗班和對照班先對董老師進行保密，第二節(jié)

17、的學生實驗課則由董老師進行常規(guī)的教學工作，然后對這兩個班級在操作實驗方面的表現(xiàn)進行評價。2.對比實驗教學：在實驗班（初三1班），本節(jié)課是以教師借助“虛擬化學實驗軟件”進行實驗?zāi)M操作為主。在對照班（初三2班），本節(jié)課以教師借助實驗儀器講解，學生查閱資料的傳統(tǒng)的教學方式為主。3.教學差異：課堂氛圍方面，實驗班學生對虛擬實驗表現(xiàn)出濃厚的興趣，求知欲強；動手能力方面，在虛擬實驗教學之后，學生們的動手操作實驗?zāi)芰σ灿休^大提升；在課堂檢測方面，實驗班學生表現(xiàn)均比對照班學生要好。4.效果分析：虛擬化學實驗軟件在化學實驗教學中有其值得肯定的用途。首先該種實驗軟件的界面設(shè)計符合教學環(huán)境，在教學過程中能很好的引

18、起學生們的興趣；其次，獨特的聲音設(shè)計也可以適當?shù)囊饘W生們的注意力；最后，虛擬實驗是對真實實驗的一個模擬，學生們也可以通過對鼠標點擊等操作來熟悉試驗流程，積累實驗經(jīng)驗。7.2 新授課虛擬實驗教學設(shè)計實施情況及效果分析以“氯氣的制取”實驗為例1.設(shè)計思路：氯氣是有刺激性氣味的氣體，毒性大，因此該實驗不適宜學生獨立操作，也不適宜教師課堂演示。在設(shè)計該部分內(nèi)容時，為了在獲得好的教學效果的同時引起學生們的學習興趣，我結(jié)合了虛擬化學實驗室里的“幾種中學常見氣體的制備”軟件來進行模擬實驗教學，通過老師的講解和學生親自在虛擬實驗室里完成氯氣的制備及其性質(zhì)檢驗實驗加深對該部分內(nèi)容的了解和掌握。2.對比實驗教學

19、：在實驗班進行教學活動時我借用了學校里的微機教室。以教師講解為輔，學生親身體驗自主學習為主，結(jié)合課件傳授新知。施教時我將一節(jié)課分成了三個階段：第一階段為教師授課，回憶舊知，講解新知；第二階段為學生自學，操作實驗；第三個階段也就是本節(jié)課即將結(jié)束時，教師總結(jié)重點內(nèi)容，學生反饋學習效果。在對照班進行教學活動時，我采用的是教師講解為主，學生自學為輔的教學模式，運用課件進行授課。3.效果分析：對于一些有安全隱患的實驗，學生們通過虛擬實驗軟件自己操作，可以親身體驗該實驗過程中的一些顏色變化，達到真實實驗的效果。通過這次的教學實踐，學生們對該軟件表現(xiàn)出了極大的好奇心，相應(yīng)的也引起了學生們的求知欲。7.3 復

20、習課虛擬實驗教學設(shè)計實施情況及效果分析鈉的專題復習課 1.設(shè)計思路：針對鈉的化合物內(nèi)容，精選六大知識點，平均分給班里六個小組。每小組組員合作，利用“虛擬化學實驗軟件鈉及其化合物的應(yīng)用”，自己總結(jié)知識點，然后給全班學生講解。習題課后進行測試，測試放在兩天后的同一時間同時進行，來檢測在不同的學習方法下，學生們知識記憶的時間上有什么不同2.對比實驗教學：實驗班每小組分一臺裝有虛擬實驗軟件的電腦，來進行資料搜集；對照班通過查閱課本、筆記或資料的方式總結(jié)知識點。 兩班教學流程相似，學生自學模式不同。3.效果分析：通過課后學生們的測試情況可以看出化學虛擬實驗軟件可以幫助學生們鞏固所學習的知識，并且可以使知

21、識在學生們的腦海中停留時間更長。7.4 習題課虛擬實驗教學設(shè)計實施情況及效果分析虛擬實驗動態(tài)習題舉例1.設(shè)計思路：教師精選六道難度不同，囊括高一上學期大部分內(nèi)容的綜合習題，對應(yīng)分配給班里的六個小組。通過組內(nèi)自學，組間互學等方式來掌握總結(jié)知識點。2.對比實驗教學：在兩個班級采用的均是新課改教學方法，實驗班和對照班均分為6個學習小組，習題以題卡的形式在課前分發(fā)給學生們，供其事先預(yù)習。在課堂上將事先準備好的習題任務(wù)分給不同的學習小組，由小組組長帶領(lǐng)組員完成。關(guān)于在施教方法上的異同點，具體情況如下：兩個班級的教學流程基本相同，分為課堂上和課堂下兩個階段。課堂上：課前教師展示學習目標+學生自學（8分鐘）、學生展示+教師總結(jié)（六組，共36分鐘左右）、課尾總結(jié)（2分鐘）；課堂下：課代表將課上的總結(jié)展示于教室后黑板上，供學生們學習補充總結(jié)。只不過在教學過程中的教師總結(jié)階段，實驗班所采取的方法是每當學生講解完習題之后，教師根據(jù)學生們的課堂反映情況，對于部分學生不明白的地方用虛擬實驗動態(tài)習題再把相關(guān)習題所描述的過程給學生們展示一遍，虛擬實驗動態(tài)習題里面包含有該習題每一步甚至每個選項的詳細解析， 教師可以有針對性的作重點講解，學生們也很容易理解。而在對照班，該部分則是單純的通過教師的黑板展示給學生們講評相應(yīng)習題的解題原由，雖然涉及不到虛擬化學實驗