李碩

（華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，山東 青島 266000）

Application of information technology in online Chemistry Teaching——

Classroom construction and virtual simulation laboratory

Shuo Li

（School of chemistry, Central China Normal University, Qingdao,?266000）

[摘要]文章基于當(dāng)前化學(xué)學(xué)科教學(xué)的大背景，從當(dāng)前高校學(xué)生普遍反饋化學(xué)較難的問題出發(fā)，提出了將信息技術(shù)應(yīng)用于線上化學(xué)教學(xué)的方法，包括課堂構(gòu)建與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。課堂建構(gòu)包括課前準(zhǔn)備、課堂表現(xiàn)、課后反饋三部分；列出線上實(shí)驗(yàn)課程的構(gòu)成與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)。

[關(guān)鍵詞]化學(xué)教學(xué)；線上教學(xué)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室；課堂構(gòu)建

[作者簡(jiǎn)介]李碩（2001-），男，漢族，山東青島人，學(xué)生，正進(jìn)行化學(xué)課程的學(xué)習(xí)與研究。E-mail:2854822537@qq.com。

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Absrtact: Based on the background of current chemistry teaching, this paper puts forward the method of applying information technology to online chemistry teaching, including classroom construction and virtual simulation laboratory. Classroom construction includes preparation before class, classroom performance and feedback after class; The composition of online experiment course and the advantages of virtual simulation laboratory are listed.

Key words: chemistry teaching; Online teaching; Virtual simulation laboratory; Classroom construction.

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一、問題背景

現(xiàn)代教育的發(fā)展越來越依賴科技的發(fā)展，信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸廣泛，除了基礎(chǔ)的多媒體顯示屏與計(jì)算機(jī)，還衍生出包括線上課堂、大數(shù)據(jù)終端、MOOC平臺(tái)等等形式。近年來，國(guó)家也正在大力推行普及電子白板以及電子課件的使用，教師在課堂上使用幻燈片演示（PowerPoint）課件也成為了常態(tài)，尤其是新冠疫情爆發(fā)后我國(guó)采取居家隔離的政策，信息技術(shù)的使用以及網(wǎng)絡(luò)課堂的數(shù)量有了爆炸性的增長(zhǎng)趨勢(shì)。化學(xué)目前作為中學(xué)課程的一部分，同時(shí)也是很多大學(xué)開設(shè)的一門學(xué)科，是提升學(xué)生理性思維能力與相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能的一門課程。化學(xué)學(xué)科的內(nèi)容較為復(fù)雜多樣，目前人教版高中化學(xué)課程共涉及到六本書的學(xué)習(xí)，具體見圖1。在化學(xué)教學(xué)中，涉及到大量的基礎(chǔ)性概念，亦包括如原子電子離子的結(jié)構(gòu)、有機(jī)物共價(jià)鍵等較為抽象化的內(nèi)容。

二、問題的提出

近年來，隨著課程改革的發(fā)展以及教育資源的平衡，電子白板等多媒體教學(xué)設(shè)施基本普及，成為教師教學(xué)的主要教學(xué)媒介，線上課堂也成為一種新興的教學(xué)模式逐漸在各個(gè)中學(xué)流行。自2020年，全國(guó)多省實(shí)行新高考與選課制教學(xué)，而選擇化學(xué)學(xué)科的人數(shù)相對(duì)較少，對(duì)于近年來針對(duì)中學(xué)線上課堂的研究以及部分大學(xué)課堂的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生們普遍認(rèn)為化學(xué)學(xué)科的難度相對(duì)較大，對(duì)化學(xué)學(xué)科的反饋通常有以下幾個(gè)方面：

（一）學(xué)生積極性不好調(diào)動(dòng)。受疫情防控影響，學(xué)生在家休息的時(shí)間較長(zhǎng)，大多數(shù)學(xué)生都沒有進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，在上課過程中注意力不足，學(xué)習(xí)積極性不高。而化學(xué)學(xué)科由于其需要學(xué)生的大量思考與理解，加之難度較大的特點(diǎn)，學(xué)習(xí)效果更差。

（二）化學(xué)學(xué)科的理解學(xué)習(xí)需要數(shù)學(xué)學(xué)科的空間想象的基礎(chǔ)以及大量的化學(xué)概念性知識(shí)，由于知識(shí)點(diǎn)多，課時(shí)少，導(dǎo)致教師在教學(xué)過程中壓力大，而學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)困難，教學(xué)效果差，學(xué)生難以做到學(xué)以致用[1]。

（三）受環(huán)境影響，學(xué)生的思維容易中斷。線上授課時(shí)，學(xué)生的注意力難以像在課堂聽課那樣集中，且每個(gè)學(xué)生的周邊環(huán)境不同，學(xué)生的思維很容易受環(huán)境的影響而中斷；教師又很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生注意力不集中的情況，造成聽課效率偏低[2]。

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三、問題的解決

針對(duì)化學(xué)課程線上教學(xué)遇到的以上問題，筆者認(rèn)為要從根本上進(jìn)行解決，就需要使信息技術(shù)更好地融入課堂。信息化技術(shù)的使用能夠改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，可以把學(xué)生的游戲工具手機(jī)轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)工具的一種新的教學(xué)模式，可以大大提高課堂教學(xué)的效果[3]。具體可以從以下兩個(gè)方面來進(jìn)行。

（一）良好的課堂建構(gòu)

1.充分具體的課前準(zhǔn)備

針對(duì)化學(xué)學(xué)科內(nèi)容相對(duì)枯燥的學(xué)科特點(diǎn)，教師應(yīng)該盡量在課堂一開始就調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，而調(diào)動(dòng)積極性的方式就是提前做好課件的準(zhǔn)備，做好教案，做好課堂的導(dǎo)入。運(yùn)用信息技術(shù)的課堂相較于傳統(tǒng)課堂的優(yōu)勢(shì)就是內(nèi)容的多樣性與豐富性，教師對(duì)于要講的內(nèi)容可以利用網(wǎng)絡(luò)找到與其內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的其他知識(shí)內(nèi)容，以圖片、文字片段或者視頻的形式展現(xiàn)出來，這樣在課堂開始時(shí)，一個(gè)足夠有趣的課堂引入就可以引起學(xué)生的注意，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

除此之外，教師還應(yīng)該對(duì)自己的課堂有一個(gè)明確的定性，決定是內(nèi)容授課、習(xí)題課還是自習(xí)課程；教學(xué)流程要有一個(gè)具體的規(guī)劃，哪一段時(shí)間講哪一部分，如何承接；使用那種教學(xué)方法；如果超時(shí)或者時(shí)間有剩余應(yīng)該如何處理等等這都是要在課前仔細(xì)考慮并認(rèn)真規(guī)劃的地方。

2.豐富流暢的課堂表現(xiàn)

這里的課堂不僅僅是教師準(zhǔn)備的教學(xué)內(nèi)容，還包括教師對(duì)于課堂的設(shè)計(jì)以及學(xué)生的反饋。教師基于課前準(zhǔn)備的教案，結(jié)合課堂的實(shí)時(shí)反饋，對(duì)于教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過程可以做出適當(dāng)?shù)男薷摹Ｒ跃€上課程為例，教師觀察學(xué)生通過的僅僅是一個(gè)電腦窗口，對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)無法完全掌握，因此教師可以利用信息技術(shù)來了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，譬如課堂提問、課堂簽到等等。另外，教師可以用信息化手段來豐富自己的教學(xué)內(nèi)容。這里的信息化手段可以是一段錄音、一張張不同的畫面、視頻、動(dòng)畫等，可以把學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性發(fā)揮出來，提高學(xué)生的課堂參與，可以把一些抽象和難以理解，枯燥乏味的理論變得細(xì)致、直觀、生動(dòng)有趣、易于向?qū)W生弄懂和理解，譬如在講解有機(jī)物的結(jié)構(gòu)時(shí)，用ChembioDraw軟件構(gòu)建有機(jī)物模型，讓學(xué)生明白碳原子之間電子是如何連接起來的；通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)上的虛擬仿真軟件，教師們就可以把原本難以捉摸的抽象概念變得具體且簡(jiǎn)單易懂，把原本靜止不動(dòng)的化學(xué)模型變成三維空間中立體動(dòng)態(tài)的動(dòng)畫，這既使得發(fā)生在微觀層面的化學(xué)反應(yīng)更加直觀，讓教學(xué)更加形象，更能幫助學(xué)生用較輕松的方式理解和掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)營(yíng)造一個(gè)生動(dòng)有趣的學(xué)習(xí)環(huán)境。信息化教學(xué)也使教學(xué)內(nèi)容更加有滋有味，使學(xué)生的視野得到了擴(kuò)展[4]。

3.及時(shí)的課后反饋

信息技術(shù)對(duì)于重復(fù)性內(nèi)容的完成有著更高的效率，化學(xué)學(xué)科相較于語文、歷史等具有主觀性內(nèi)容的學(xué)科而言更加客觀，因此使用信息技術(shù)進(jìn)行作業(yè)的批改或者習(xí)題的批改有著更加高效的優(yōu)勢(shì)，而且，信息技術(shù)會(huì)更快的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠?qū)τ趯W(xué)生的具體情況給出針對(duì)性的練習(xí)與補(bǔ)充措施。在課后，教師可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)于課堂的結(jié)果進(jìn)行記錄，長(zhǎng)期得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納，得到分析曲線或者表格，對(duì)于自己的教學(xué)的各個(gè)封面進(jìn)行調(diào)整。譬如，部分中學(xué)使用人臉分析技術(shù)對(duì)學(xué)生的課堂表現(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)性的記錄，在課后會(huì)得到整個(gè)課堂各個(gè)時(shí)間段學(xué)生的注意力曲線，教師可以針對(duì)薄弱點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，從優(yōu)勢(shì)部分汲取好的方法，構(gòu)建好的教學(xué)模式。對(duì)于一些處于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不穩(wěn)定的學(xué)生，教師可以將講課音頻文件儲(chǔ)存共享，方便學(xué)生隨時(shí)使用[5]。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室由于其具有一定的危險(xiǎn)性，加上其建設(shè)、維護(hù)費(fèi)用較大等原因，很多中學(xué)并沒有配備化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，即使配備了實(shí)驗(yàn)室也有部分沒有投入使用。而在化學(xué)學(xué)科中，化學(xué)實(shí)驗(yàn)是非常重要的一部分，這不僅是對(duì)學(xué)生知識(shí)的檢驗(yàn)與實(shí)踐，同時(shí)也是學(xué)生最感興趣的部分，是最容易激發(fā)學(xué)生學(xué)科熱情的部分。而信息技術(shù)為解決這一問題提供了巨大的幫助，以一種特殊的方式來讓學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，它就是虛擬實(shí)驗(yàn)室。在高等教育領(lǐng)域，多所知名高校紛紛建造自己的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，其中以北京師范大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等為代表，用于教育與學(xué)術(shù)研究[6]。

1.線上實(shí)驗(yàn)課程的構(gòu)成

以華中師范大學(xué)于2020學(xué)年開展的線上實(shí)驗(yàn)課程為例，線上實(shí)驗(yàn)課程主要由以下幾部分構(gòu)成。

課前準(zhǔn)備。教師會(huì)提前布置實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，學(xué)生會(huì)根據(jù)要做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)，熟悉實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)流程、實(shí)驗(yàn)儀器與藥品。完成預(yù)習(xí)后，學(xué)生會(huì)完成對(duì)應(yīng)的預(yù)習(xí)報(bào)告。而利用信息技術(shù)的應(yīng)用使得學(xué)生在預(yù)習(xí)過程更加的高效，學(xué)生可以利用網(wǎng)絡(luò)查閱實(shí)驗(yàn)的資料，包括各種圖片與視頻，這可以幫助學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程的了解更加清晰。

教師講授。在課程的正式階段，教師會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解與補(bǔ)充，與現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)相比較，教師在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室所提供內(nèi)容的基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)，

實(shí)驗(yàn)操作。在教師講授結(jié)束后，學(xué)生會(huì)在平臺(tái)上完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，并在得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

課程評(píng)分。課程評(píng)分包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告（預(yù)習(xí)報(bào)告與數(shù)據(jù)報(bào)告）的評(píng)分、實(shí)驗(yàn)操作評(píng)分、問題的提問與回答等等，其中較為重視實(shí)驗(yàn)報(bào)告的評(píng)分，具體見圖2。

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2.虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)模擬從而再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的完整過程[7]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)如下：第一點(diǎn)，它提供了足夠多的化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這可以滿足教學(xué)大綱對(duì)于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求，譬如微瑞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目就有19項(xiàng)，具體見表1。第二點(diǎn)，虛擬仿真程度高。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)用具，實(shí)驗(yàn)藥品等與實(shí)物高度相似，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與實(shí)際情況匹配。第三點(diǎn)，使用方便，費(fèi)用較低，這也是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)最大的優(yōu)勢(shì)，由于是線上操作，可以避險(xiǎn)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中的危險(xiǎn)；虛擬實(shí)驗(yàn)可以避免藥物的浪費(fèi)，可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建與維護(hù)所需要的費(fèi)用，在要求較低的中學(xué)教學(xué)中足以滿足需求；線上實(shí)驗(yàn)打破了時(shí)間與空間的限制，學(xué)生可以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)操作，更加的靈活。第四點(diǎn)，細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)較好。例如，在2020學(xué)年，華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院使用了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行線上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)操作，在這個(gè)過程中，包括教學(xué)與考核模式，考核模式會(huì)有時(shí)間限制，會(huì)根據(jù)你的操作以及用時(shí)、結(jié)果等進(jìn)行評(píng)分，在一定程度上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

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四、結(jié)論

課堂構(gòu)建和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是信息化技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)的兩個(gè)方面，它們可以幫助教師營(yíng)造更優(yōu)質(zhì)的課堂，節(jié)約不必要的資源浪費(fèi)，降低化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)理解難度，提高化學(xué)學(xué)科在中學(xué)課程中的地位。展望未來虛擬教學(xué)平臺(tái)的發(fā)展，學(xué)生可以通過3D沉浸式環(huán)境，在高度仿真的虛擬環(huán)境中，自主設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)，采用虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軓浹a(bǔ)傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)存在的不足，符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的發(fā)展趨勢(shì)和人才培養(yǎng)的實(shí)際需要[8]。雖然目前信息技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用還沒有得到完全普及，還存在著各種各樣的問題，但是其具有不可估量的發(fā)展?jié)摿εc廣闊的發(fā)展前景。

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