王宇昕 郭京渝

北京電子科技職業(yè)學(xué)院 北京 100029

虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室助力基礎(chǔ)化學(xué)課程教與學(xué)

王宇昕 郭京渝

北京電子科技職業(yè)學(xué)院 北京 100029

基礎(chǔ)化學(xué)課程是高職院校生物工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生很重要的基礎(chǔ)平臺(tái)課程，要為專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。高職學(xué)生感受到學(xué)習(xí)的樂(lè)趣后，才能成為學(xué)習(xí)的主體，認(rèn)真思考并能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。隨著現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，各種快捷方便的教學(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)，讓學(xué)生如在虛擬游戲般的環(huán)境中學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)興趣、科學(xué)能力以及創(chuàng)新精神，從而助力基礎(chǔ)化學(xué)課程分層教學(xué)。并結(jié)合當(dāng)前教學(xué)實(shí)際情況，闡述了借助虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)施分層教學(xué)的方法和經(jīng)驗(yàn)。

虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室；分層教學(xué)；基礎(chǔ)化學(xué)；高職

高職生物工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)方案明確指出，基礎(chǔ)化學(xué)課程是專(zhuān)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(xué)生主動(dòng)構(gòu)建自身發(fā)展所需的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，增進(jìn)對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步了解化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)；有利于學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的基本方法，加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，發(fā)展創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力；有利于學(xué)生形成科學(xué)的自然觀和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，更深刻地認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)之間的相互關(guān)系，樹(shù)立可持續(xù)發(fā)展的思想。

1 基礎(chǔ)化學(xué)課程教學(xué)亟待解決的問(wèn)題

1.1 教學(xué)難度增加

高中化學(xué)與高職基礎(chǔ)化學(xué)課程存在先行課與后續(xù)課的關(guān)系，但內(nèi)容、目標(biāo)、難易程度差異很大，學(xué)好四大化學(xué)更非易事。高中化學(xué)很少涉及基本原理，與化學(xué)熱力學(xué)、原子分子結(jié)構(gòu)等有關(guān)內(nèi)容也非常簡(jiǎn)單。高職基礎(chǔ)化學(xué)課程要求學(xué)生對(duì)化學(xué)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(rèn)識(shí)和理解。高職教育要求學(xué)生達(dá)到高技能，必要實(shí)驗(yàn)不能少，加之學(xué)時(shí)限制，造成教學(xué)難度與學(xué)習(xí)難度都遠(yuǎn)高于高中化學(xué)要求，如何提高學(xué)習(xí)質(zhì)量和教學(xué)效率是亟須解決的問(wèn)題之一。

1.2 實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范度與熟練度訓(xùn)練有限

高職基礎(chǔ)化學(xué)課程的知識(shí)與原理需要通過(guò)真實(shí)的操作體驗(yàn)與觀察才可能逐步構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)。實(shí)際學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生動(dòng)手操作受到教學(xué)成本、場(chǎng)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(xué)時(shí)來(lái)培養(yǎng)學(xué)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(jiàn)，也摸不著，特別是化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的變化、反應(yīng)稍縱即逝，使學(xué)生較難真正觀察、了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和原理，造成真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能達(dá)到預(yù)期效果，造成學(xué)生實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)不扎實(shí)，造成學(xué)生應(yīng)有的能力沒(méi)有得到有效的培養(yǎng)和鍛煉。因此，課程教學(xué)迫切需要有虛擬仿真教學(xué)軟件來(lái)輔助教學(xué)。

1.3 學(xué)生學(xué)習(xí)能力參差不齊

目前高職學(xué)校生源來(lái)源不同，學(xué)生在化學(xué)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)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(xué)生興趣，學(xué)生難以理解，不能滿(mǎn)足學(xué)習(xí)需求，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果。并且高職學(xué)?；A(chǔ)化學(xué)課程教學(xué)多采用統(tǒng)一的課程標(biāo)準(zhǔn)及教材，采用大班授課，先講后實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)教學(xué)理念完全突出不了學(xué)生的主體地位，不利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)習(xí)效果差。

2 采用分層教學(xué)的問(wèn)題分析

分層教學(xué)的主導(dǎo)思想是因材施教，著名的教育家和心理學(xué)家本杰明·布盧姆率先建立了學(xué)習(xí)分層系統(tǒng)，他指出1/3的學(xué)生能完全掌握教師所教的知識(shí)，另1/3的學(xué)生成績(jī)一般，再1/3的學(xué)生不及格。分層教學(xué)是采用科學(xué)的評(píng)測(cè)方法把學(xué)生分層，教師有針對(duì)性地進(jìn)行分層備課，分層授課，分層訓(xùn)練，分層輔導(dǎo)，以做到教學(xué)有的放矢，區(qū)別對(duì)待，最大限度地調(diào)動(dòng)各層次學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使每個(gè)學(xué)生在原有的基礎(chǔ)上得到提高和發(fā)展。分層教學(xué)形式給全體學(xué)生都創(chuàng)造一個(gè)輕松愉快的學(xué)習(xí)氛圍，使全體學(xué)生都處于一個(gè)適度焦慮的生活和學(xué)習(xí)環(huán)境中，以此來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)品性。分層教學(xué)過(guò)程促使老師進(jìn)行教和學(xué)的轉(zhuǎn)化，從學(xué)生的個(gè)性差異和實(shí)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(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變，倡導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，從要學(xué)生學(xué)，變成學(xué)生要學(xué)，從而幫助學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，獲得最佳的發(fā)展效果。

高職院?；A(chǔ)化學(xué)課程需要從學(xué)生個(gè)性差異出發(fā)，依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)差異性及學(xué)習(xí)興趣因材施教，教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，一般為大班授課，一個(gè)班有40名左右學(xué)生，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的師資力量，授課教師教授基礎(chǔ)化學(xué)課程外還承擔(dān)其他專(zhuān)業(yè)課。如果采用分層教學(xué)，將會(huì)受到培養(yǎng)目標(biāo)、時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件限制，如何確定分層的學(xué)生、確定教學(xué)層次目標(biāo)以及分層來(lái)組織教學(xué)和考核是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，構(gòu)建分層次教學(xué)很困難。目前高職基礎(chǔ)化學(xué)課程教學(xué)主要采取班內(nèi)分層教學(xué)，是任課教師在班級(jí)授課制下根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)能力和基礎(chǔ)，自主采取分層教學(xué)方法，缺乏科學(xué)分析與理論支持，但這種班內(nèi)分層教學(xué)依然不能解決基礎(chǔ)好的學(xué)生“吃不飽”，基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生“吃不了”的現(xiàn)象?；谏鲜霰尘?，高職院校探索符合學(xué)生實(shí)際的教學(xué)形式成為當(dāng)務(wù)之急。

3 利用虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)助力教學(xué)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)化學(xué)課程中必不可少的環(huán)節(jié)，但其中存在的問(wèn)題也一致困擾著教師教學(xué)。近幾年，國(guó)內(nèi)教學(xué)類(lèi)虛擬實(shí)驗(yàn)室類(lèi)型的軟件研發(fā)力度一直在加強(qiáng)，目前虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件系統(tǒng)大多為桌面型，國(guó)內(nèi)部分初高中，甚至大學(xué)已經(jīng)開(kāi)始試點(diǎn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。適合移動(dòng)終端的系統(tǒng)也已面市，軟件畫(huà)面逼真，操作簡(jiǎn)便、交互性強(qiáng)，能較好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)樂(lè)趣，易于在教學(xué)中展示，更利于學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)。虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

放大微觀世界。虛擬實(shí)驗(yàn)室完全模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，使用者能夠從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種感覺(jué)方面感受實(shí)驗(yàn)過(guò)程的微觀變化。

自由練習(xí)，零成本。虛擬實(shí)驗(yàn)操作流程和規(guī)則立足于實(shí)際實(shí)驗(yàn)流程操作規(guī)范，學(xué)員可獨(dú)立學(xué)習(xí)，不受教室、教師等條件約束，可根據(jù)自身實(shí)際安排學(xué)習(xí)時(shí)間，且不用購(gòu)買(mǎi)、消耗化學(xué)品。

危險(xiǎn)系數(shù)為0。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，尤其是化學(xué)實(shí)驗(yàn)中往往會(huì)有許多實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)源，虛擬實(shí)驗(yàn)室能有效避免因操作不規(guī)范所帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)，且不用擔(dān)心化學(xué)品污染，清潔環(huán)保。

有助個(gè)性化學(xué)習(xí)。教學(xué)環(huán)節(jié)中可要求學(xué)員在該情景下進(jìn)行理論判斷和實(shí)驗(yàn)操作，增強(qiáng)問(wèn)答交互性。例如NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)獨(dú)有的DIY功能學(xué)員可以仿真一個(gè)情景進(jìn)行自我探究。

方便教學(xué)演示。與多媒體教學(xué)設(shè)備聯(lián)動(dòng)，省去教學(xué)用具和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開(kāi)支，結(jié)合虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室軟件構(gòu)成教學(xué)互動(dòng)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)教學(xué)一體。

以NOBOOK虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室為例，可以看到虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室軟件涵蓋了經(jīng)典實(shí)驗(yàn)、元素周期表、相對(duì)原子質(zhì)量、溶解性表、化學(xué)藥品取用演示動(dòng)畫(huà)等多個(gè)功能模塊。經(jīng)典實(shí)驗(yàn)可以用來(lái)輔助基礎(chǔ)化學(xué)課實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)。2000年后出生的學(xué)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(xué)習(xí)方法。虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供了豐富的學(xué)習(xí)資源，能夠引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

圖1 化學(xué)分子模型（3D）演示

在課前，實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備時(shí)間減少，教師可以快速完成備課。虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)器材庫(kù)，包括常用儀器、設(shè)備、材料，用于各類(lèi)虛擬實(shí)驗(yàn)器材的管理。在教學(xué)過(guò)程中，教師可以通過(guò)仿真平臺(tái)上提供的器材自由搭建任意合理的典型實(shí)驗(yàn)演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程，減少實(shí)驗(yàn)等待時(shí)間，從而有更充足的講解時(shí)間和與學(xué)生交流時(shí)間；教師還可以要求學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以把器材從器材庫(kù)中移到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上搭建虛擬實(shí)驗(yàn)，滿(mǎn)足教師對(duì)各層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)學(xué)習(xí)和練習(xí)后，再讓學(xué)生走進(jìn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室，確保學(xué)生真實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室操作的成功率，大大提高學(xué)習(xí)效率和效果。

學(xué)生在課下，既可以通過(guò)虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室軟件自主學(xué)習(xí)化學(xué)方程式、儀器使用方法、實(shí)驗(yàn)步驟等化學(xué)知識(shí)和原理，也可通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)動(dòng)手操作?；A(chǔ)弱的學(xué)生可以通過(guò)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(xué)分子結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生理解化學(xué)方程式、儀器使用方法、實(shí)驗(yàn)步驟等化學(xué)知識(shí)和基本原理，彌補(bǔ)課堂學(xué)習(xí)不足；可以依照實(shí)驗(yàn)步驟的提示對(duì)器材進(jìn)行拖動(dòng)和組合即可完成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。虛擬實(shí)驗(yàn)可以無(wú)限次重復(fù)操作，提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)演示效果，降低實(shí)驗(yàn)成本，這是真實(shí)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過(guò)反復(fù)學(xué)習(xí)與練習(xí)實(shí)驗(yàn)操作，使這些學(xué)生明確了學(xué)習(xí)目標(biāo)，掌握了學(xué)習(xí)方法，提高了學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)習(xí)效率，快速跟上課程學(xué)習(xí)進(jìn)度。

基礎(chǔ)好的學(xué)生可以觀察3D分子模型展示，研究化學(xué)變化的本質(zhì)，進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)自由搭建虛擬實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手操作，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)。

利用虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)推進(jìn)速度更為迅速，而且沒(méi)有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的善后工作。可以說(shuō)在教學(xué)效率上是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以比擬的。當(dāng)然虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)也有它的弊端，真實(shí)體驗(yàn)感不強(qiáng)。虛擬實(shí)驗(yàn)不能代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)，二者是相輔相成的。只有發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，精心組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)，才會(huì)收到更好的效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)直觀、形象、高效、多樣化的特點(diǎn)，既滿(mǎn)足了學(xué)生學(xué)習(xí)的個(gè)性化需求，也為教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)新的輔助平臺(tái)。在基礎(chǔ)化學(xué)課程教學(xué)中引入虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)是有意嘗試，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)演示與練習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的趣味性，學(xué)生提高了學(xué)習(xí)自主性、創(chuàng)造性，最終提高實(shí)際教學(xué)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(jí)講師，生物工程學(xué)院教學(xué)運(yùn)行辦公室主任。郭京渝，碩士，講師。