王宇昕 郭京渝

北京電子科技職業(yè)學院 北京 100029

虛擬化學實驗室助力基礎(chǔ)化學課程教與學

王宇昕 郭京渝

北京電子科技職業(yè)學院 北京 100029

基礎(chǔ)化學課程是高職院校生物工程類專業(yè)學生很重要的基礎(chǔ)平臺課程，要為專業(yè)課的學習奠定基礎(chǔ)。高職學生感受到學習的樂趣后，才能成為學習的主體，認真思考并能運用所學知識解決實際問題。隨著現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，各種快捷方便的教學用具層出不窮，傳統(tǒng)的黑板、粉筆加上黑板擦正在逐步被高科技產(chǎn)品取代。虛擬化學實驗室的出現(xiàn)，讓學生如在虛擬游戲般的環(huán)境中學習，培養(yǎng)了學生的科學興趣、科學能力以及創(chuàng)新精神，從而助力基礎(chǔ)化學課程分層教學。并結(jié)合當前教學實際情況，闡述了借助虛擬化學實驗室實施分層教學的方法和經(jīng)驗。

虛擬化學實驗室；分層教學；基礎(chǔ)化學；高職

高職生物工程類專業(yè)的人才培養(yǎng)方案明確指出，基礎(chǔ)化學課程是專業(yè)課的重要基礎(chǔ)課程，課程主要講述研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及變化規(guī)律，有助于學生主動構(gòu)建自身發(fā)展所需的化學基礎(chǔ)知識和基本技能，增進對物質(zhì)世界的認識，進一步了解化學學科的特點；有利于學生體驗科學探究的過程，學習科學研究的基本方法，加深對科學本質(zhì)的認識，發(fā)展創(chuàng)新精神和實踐能力；有利于學生形成科學的自然觀和嚴謹求實的科學態(tài)度，更深刻地認識科學、技術(shù)和社會之間的相互關(guān)系，樹立可持續(xù)發(fā)展的思想。

1 基礎(chǔ)化學課程教學亟待解決的問題

1.1 教學難度增加

高中化學與高職基礎(chǔ)化學課程存在先行課與后續(xù)課的關(guān)系，但內(nèi)容、目標、難易程度差異很大，學好四大化學更非易事。高中化學很少涉及基本原理，與化學熱力學、原子分子結(jié)構(gòu)等有關(guān)內(nèi)容也非常簡單。高職基礎(chǔ)化學課程要求學生對化學反應(yīng)的基本規(guī)律、反應(yīng)中的能量變化及物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系等有更為全面的認識和理解。高職教育要求學生達到高技能，必要實驗不能少，加之學時限制，造成教學難度與學習難度都遠高于高中化學要求，如何提高學習質(zhì)量和教學效率是亟須解決的問題之一。

1.2 實驗操作規(guī)范度與熟練度訓練有限

高職基礎(chǔ)化學課程的知識與原理需要通過真實的操作體驗與觀察才可能逐步構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)。實際學習過程中，學生動手操作受到教學成本、場所、儀器數(shù)量的限制，很難做到儀器設(shè)備等人手一套。因此，僅靠課內(nèi)學時來培養(yǎng)學生的操作熟練度與規(guī)范度面臨著較大困難。

并且微觀世界中的基本微粒（電子、原子、分子等）既看不見，也摸不著，特別是化學實驗過程的變化、反應(yīng)稍縱即逝，使學生較難真正觀察、了解實驗現(xiàn)象和原理，造成真實實驗教學不能達到預期效果，造成學生實驗基礎(chǔ)不扎實，造成學生應(yīng)有的能力沒有得到有效的培養(yǎng)和鍛煉。因此，課程教學迫切需要有虛擬仿真教學軟件來輔助教學。

1.3 學生學習能力參差不齊

目前高職學校生源來源不同，學生在化學基礎(chǔ)、學習態(tài)度、學習能力上存在較大差異，教師講解通常以文字描述為主，不能吸引學生興趣，學生難以理解，不能滿足學習需求，嚴重影響了教學效果。并且高職學?；A(chǔ)化學課程教學多采用統(tǒng)一的課程標準及教材，采用大班授課，先講后實驗的傳統(tǒng)教學理念完全突出不了學生的主體地位，不利于學生自主學習，學生學習效果差。

2 采用分層教學的問題分析

分層教學的主導思想是因材施教，著名的教育家和心理學家本杰明·布盧姆率先建立了學習分層系統(tǒng)，他指出1/3的學生能完全掌握教師所教的知識，另1/3的學生成績一般，再1/3的學生不及格。分層教學是采用科學的評測方法把學生分層，教師有針對性地進行分層備課，分層授課，分層訓練，分層輔導，以做到教學有的放矢，區(qū)別對待，最大限度地調(diào)動各層次學生的學習積極性，使每個學生在原有的基礎(chǔ)上得到提高和發(fā)展。分層教學形式給全體學生都創(chuàng)造一個輕松愉快的學習氛圍，使全體學生都處于一個適度焦慮的生活和學習環(huán)境中，以此來培養(yǎng)學生的學習品性。分層教學過程促使老師進行教和學的轉(zhuǎn)化，從學生的個性差異和實際情況出發(fā)，遵循可接受性原則和因材施教的原則，促使學生學習方式的改變，倡導學生自主學習，從要學生學，變成學生要學，從而幫助學生學會學習，獲得最佳的發(fā)展效果。

高職院?；A(chǔ)化學課程需要從學生個性差異出發(fā)，依據(jù)學生的學習差異性及學習興趣因材施教，教學實施過程中，一般為大班授課，一個班有40名左右學生，沒有專門的師資力量，授課教師教授基礎(chǔ)化學課程外還承擔其他專業(yè)課。如果采用分層教學，將會受到培養(yǎng)目標、時間和實驗條件限制，如何確定分層的學生、確定教學層次目標以及分層來組織教學和考核是一個比較復雜的過程，構(gòu)建分層次教學很困難。目前高職基礎(chǔ)化學課程教學主要采取班內(nèi)分層教學，是任課教師在班級授課制下根據(jù)學生學習能力和基礎(chǔ)，自主采取分層教學方法，缺乏科學分析與理論支持，但這種班內(nèi)分層教學依然不能解決基礎(chǔ)好的學生“吃不飽”，基礎(chǔ)薄弱的學生“吃不了”的現(xiàn)象。基于上述背景，高職院校探索符合學生實際的教學形式成為當務(wù)之急。

3 利用虛擬化學實驗室實助力教學

傳統(tǒng)實驗教學中實驗室實驗是基礎(chǔ)化學課程中必不可少的環(huán)節(jié)，但其中存在的問題也一致困擾著教師教學。近幾年，國內(nèi)教學類虛擬實驗室類型的軟件研發(fā)力度一直在加強，目前虛擬實驗室軟件系統(tǒng)大多為桌面型，國內(nèi)部分初高中，甚至大學已經(jīng)開始試點虛擬實驗教學。適合移動終端的系統(tǒng)也已面市，軟件畫面逼真，操作簡便、交互性強，能較好地激發(fā)學生學習樂趣，易于在教學中展示，更利于學生隨時隨地學習。虛擬化學實驗室具有傳統(tǒng)實驗室無法比擬的優(yōu)勢。

放大微觀世界。虛擬實驗室完全模擬真實的實驗場景，使用者能夠從視覺、聽覺、觸覺等多種感覺方面感受實驗過程的微觀變化。

自由練習，零成本。虛擬實驗操作流程和規(guī)則立足于實際實驗流程操作規(guī)范，學員可獨立學習，不受教室、教師等條件約束，可根據(jù)自身實際安排學習時間，且不用購買、消耗化學品。

危險系數(shù)為0。傳統(tǒng)實驗教學環(huán)節(jié)，尤其是化學實驗中往往會有許多實驗危險源，虛擬實驗室能有效避免因操作不規(guī)范所帶來的潛在危險，且不用擔心化學品污染，清潔環(huán)保。

有助個性化學習。教學環(huán)節(jié)中可要求學員在該情景下進行理論判斷和實驗操作，增強問答交互性。例如NOBOOK虛擬實驗獨有的DIY功能學員可以仿真一個情景進行自我探究。

方便教學演示。與多媒體教學設(shè)備聯(lián)動，省去教學用具和實驗設(shè)備的開支，結(jié)合虛擬化學實驗室軟件構(gòu)成教學互動平臺，可實現(xiàn)教學一體。

以NOBOOK虛擬化學實驗室為例，可以看到虛擬化學實驗室軟件涵蓋了經(jīng)典實驗、元素周期表、相對原子質(zhì)量、溶解性表、化學藥品取用演示動畫等多個功能模塊。經(jīng)典實驗可以用來輔助基礎(chǔ)化學課實驗環(huán)節(jié)教學。2000年后出生的學生，是信息化的一代，他們更加適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，更加喜歡信息化學習方法。虛擬化學實驗室提供了豐富的學習資源，能夠引起學生學習的興趣，調(diào)動學生學習的動力。

圖1 化學分子模型（3D）演示

在課前，實驗器材準備時間減少，教師可以快速完成備課。虛擬化學實驗室提供實驗仿真平臺器材庫，包括常用儀器、設(shè)備、材料，用于各類虛擬實驗器材的管理。在教學過程中，教師可以通過仿真平臺上提供的器材自由搭建任意合理的典型實驗演示實驗過程，減少實驗等待時間，從而有更充足的講解時間和與學生交流時間；教師還可以要求學生在此基礎(chǔ)上進行虛擬實驗，學生可以把器材從器材庫中移到實驗臺上搭建虛擬實驗，滿足教師對各層次實驗教學的需求。經(jīng)過系統(tǒng)學習和練習后，再讓學生走進真實實驗室，確保學生真實化學實驗室操作的成功率，大大提高學習效率和效果。

學生在課下，既可以通過虛擬化學實驗室軟件自主學習化學方程式、儀器使用方法、實驗步驟等化學知識和原理，也可通過實驗仿真平臺動手操作?；A(chǔ)弱的學生可以通過軟件提供的三維立體影像感知微觀世界，了解元素周期表、原子質(zhì)量、化學分子結(jié)構(gòu)，幫助學生理解化學方程式、儀器使用方法、實驗步驟等化學知識和基本原理，彌補課堂學習不足；可以依照實驗步驟的提示對器材進行拖動和組合即可完成實驗目標。虛擬實驗可以無限次重復操作，提高化學實驗演示效果，降低實驗成本，這是真實實驗室無法實現(xiàn)的。經(jīng)過反復學習與練習實驗操作，使這些學生明確了學習目標，掌握了學習方法，提高了學習興趣，提升了學習效率，快速跟上課程學習進度。

基礎(chǔ)好的學生可以觀察3D分子模型展示，研究化學變化的本質(zhì)，進行拓展學習，通過實驗仿真平臺自由搭建虛擬實驗，促進學生動手操作，自主設(shè)計實驗，有利于培養(yǎng)設(shè)計能力和創(chuàng)新意識。

利用虛擬化學實驗室教學推進速度更為迅速，而且沒有傳統(tǒng)實驗的善后工作。可以說在教學效率上是傳統(tǒng)實驗教學難以比擬的。當然虛擬化學實驗也有它的弊端，真實體驗感不強。虛擬實驗不能代替真實實驗，二者是相輔相成的。只有發(fā)揮各自的優(yōu)勢，精心組織實驗教學，才會收到更好的效果。

3 結(jié)束語

虛擬實驗室的出現(xiàn)可以極大地提高學生的學習興趣，使教學內(nèi)容呈現(xiàn)直觀、形象、高效、多樣化的特點，既滿足了學生學習的個性化需求，也為教學實驗提供了一個新的輔助平臺。在基礎(chǔ)化學課程教學中引入虛擬化學實驗技術(shù)是有意嘗試，通過虛擬實驗演示與練習，增強了學習的趣味性，學生提高了學習自主性、創(chuàng)造性，最終提高實際教學質(zhì)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，碩士，高級講師，生物工程學院教學運行辦公室主任。郭京渝，碩士，講師。