劉公園

摘要： 從內(nèi)容層次、實驗情境和學(xué)習(xí)任務(wù)等視角，分析英國皇家化學(xué)會開發(fā)的“滴定屏幕實驗”的適用范圍和實用價值，評析這一交互式仿真化學(xué)實驗學(xué)習(xí)工具內(nèi)容設(shè)計的特點，旨在為類似虛擬化學(xué)學(xué)習(xí)工具的設(shè)計提供一些有益的參考。

關(guān)鍵詞： 仿真化學(xué)實驗; 交互式學(xué)習(xí)工具; 滴定屏幕實驗

文章編號： 10056629（2020）12009206

中圖分類號： G6338

文獻標(biāo)識碼： B

化學(xué)實驗是化學(xué)學(xué)習(xí)的重要途經(jīng)，也是學(xué)生進行科學(xué)探究的重要方式[1]。良好的化學(xué)實驗技能對于學(xué)生有效掌握化學(xué)知識，提升化學(xué)學(xué)習(xí)能力能夠發(fā)揮重要的促進作用。然而，由于受到各種主客觀條件的限制，在真實的實驗學(xué)習(xí)環(huán)境下，一般難以保證學(xué)生對實驗技能進行反復(fù)練習(xí)和強化，同時也難以在實驗操作的過程中給予所有學(xué)生即時的反饋與評價。因此，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)過程存在著實踐機會少、矯正不及時等不足。隨著信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)整合的不斷深化，在科學(xué)教育領(lǐng)域出現(xiàn)了許多虛擬仿真實驗的學(xué)習(xí)工具，這些學(xué)習(xí)工具通過形象的操作動畫和完善的交互設(shè)計讓學(xué)生能夠較為真切地感知科學(xué)實驗的過程，而且給予學(xué)生反復(fù)實踐的機會，以加深他們對實驗的理解。教師既可以利用這些學(xué)習(xí)工具讓學(xué)生在真實實驗之前充分地熟悉實驗程序和操作規(guī)范、理解實驗的原理，為真實環(huán)境下的實驗學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，也可以將其作為實驗學(xué)習(xí)之后的擴展練習(xí)，讓學(xué)生在課后進一步鞏固與強化實驗學(xué)習(xí)的成果。

滴定屏幕實驗（Titration screen experiment）是由英國皇家化學(xué)會（Royal Society of Chemistry）與布里斯托大學(xué)（University of Bristol）、學(xué)習(xí)科學(xué)公司（Learning Science）合作開發(fā)的一個面向高中學(xué)生可免費使用的化學(xué)實驗學(xué)習(xí)數(shù)字資源，其設(shè)計的主要目的是通過交互式的屏幕實驗使學(xué)生在獨特而引人入勝的環(huán)境中進行酸堿中和滴定實驗與氧化還原滴定實驗，以增強學(xué)生對滴定分析的理解，提高學(xué)生與實驗室滴定有關(guān)的實踐技能[2]。該虛擬實驗學(xué)習(xí)工具在知識性、交互性、仿真性、智能性、可重復(fù)性等方面的設(shè)計較為完善，而且在學(xué)習(xí)層次、學(xué)習(xí)情境和學(xué)習(xí)過程的設(shè)計方面相較于其他同類型的學(xué)習(xí)工具而言還有一些鮮明的特點。因此，本文將以交互式仿真化學(xué)實驗學(xué)習(xí)工具的設(shè)計為視角，分析滴定屏幕實驗內(nèi)容設(shè)計的特點，從而為類似化學(xué)學(xué)習(xí)工具的設(shè)計提供一些有益的參考。

1內(nèi)容層次的設(shè)計

滴定屏幕實驗在內(nèi)容設(shè)計上并沒有以一個單一的實驗項目形式呈現(xiàn)，而是設(shè)計成了4個不同水平且相對獨立的實驗項目（以下簡稱水平1、水平2、水平3、水平4）。這些實驗項目都圍繞“滴定分析”這個主題展開，在內(nèi)容設(shè)計上既表現(xiàn)出一定的相似性，又表現(xiàn)出清晰的層次性。這種層次設(shè)計的出發(fā)點是為了滿足高中階段不同年級、不同水平學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，而各個實驗項目設(shè)計的主要依據(jù)是英國高中不同階段的化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)。英國的高中教育主要包括兩個階段，分別是關(guān)鍵階段4（Key Stage 4）和關(guān)鍵階段5（Key Stage 5）[3]。在學(xué)習(xí)階段的劃分上，水平1對應(yīng)的目標(biāo)學(xué)生水平是關(guān)鍵階段4，學(xué)生的年齡段處于14～16歲之間，而水平2到水平4對應(yīng)的目標(biāo)學(xué)生水平是關(guān)鍵階段5，學(xué)生的年齡段處于16～18歲之間。在課程層次的劃分上，水平1對應(yīng)的主要是英國普通中等教育證書GCSE水平化學(xué)課程的相關(guān)領(lǐng)域，而水平2到水平4對應(yīng)的主要是英國普通中等教育證書高級水平（Alever）化學(xué)課程的相關(guān)領(lǐng)域。滴定屏幕實驗依據(jù)不同的學(xué)習(xí)階段和課程層次對實驗項目進行設(shè)計與呈現(xiàn)，一方面拓展了學(xué)習(xí)工具的適用范圍，另一方面也提升了學(xué)習(xí)工具的實用價值（見表1）。

L4關(guān)鍵階段5（Key Stage 5）Alevel水平①pH曲線、等當(dāng)點和指示劑選擇;②溶液稀釋計算;③氧化還原滴定法（KMnO4/Fe2+）;④確定離子反應(yīng)方程式。

為了進一步梳理不同水平實驗項目之間的層次關(guān)系，我們參考英國皇家化學(xué)會編制的《滴定屏幕實驗教師注釋》（Titration screen experiment teacher notes）這一文件，從實驗方法、實踐技能發(fā)展和主要學(xué)習(xí)成果這三個方面進行橫向比較與分析（見表2）。從實驗方法上看，水平1、水平2和水平3采用的是酸堿滴定法，而水平4采用的是氧化還原滴定法。在酸堿滴定學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)之上學(xué)習(xí)氧化還原滴定，可以拓展學(xué)生對滴定方法的認知，使其更好地把握滴定這種定量分析方法的實質(zhì)。同時，從水平1到水平3，酸堿滴定法所采用的酸堿類型也不盡相同，從強堿滴定強酸到強堿滴定弱酸，再到強酸滴定弱堿，這一系列的變化可以從物質(zhì)和反應(yīng)層面逐步完善學(xué)生對于酸堿滴定原理的認識。

從實踐技能的發(fā)展來看，各個實驗水平所體現(xiàn)出的實踐技能較為一致，基本涵蓋了滴定分析實驗操作的主要方面，保證了不同實驗水平實踐技能學(xué)習(xí)的完整性和延續(xù)性。另外，水平2和水平3相較于水平1增添了“使用pH探針監(jiān)測pH變化”這一實踐技能，在技能拓展的同時，也在操作層面上將滴定過程認知的視角從定性轉(zhuǎn)至定量，體現(xiàn)出不同實驗水平實踐技能學(xué)習(xí)的遞進性。

從主要學(xué)習(xí)成果上看，各個實驗水平所體現(xiàn)的學(xué)習(xí)成果主要集中在技能層面，包括實驗操作技能、化學(xué)計算技能、方程式書寫技能、實驗數(shù)據(jù)處理技能等。隨著實驗水平的逐步推進，這些技能性學(xué)習(xí)成果可以得到不斷的檢驗和強化，從而保證滴定屏幕實驗相關(guān)實驗技能學(xué)習(xí)的效果。

2實驗情境的設(shè)計

滴定屏幕實驗的各個實驗項目都是圍繞生動、具體的學(xué)習(xí)情境展開的。這些情境的創(chuàng)設(shè)一方面緊扣“滴定分析”這一實驗主題，將情境線索貫穿于整個實驗項目的學(xué)習(xí)之中，實現(xiàn)了內(nèi)容與形式的統(tǒng)一;另一方面也與學(xué)生的生活實際緊密相關(guān)，將滴定分析與環(huán)境保護、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗聯(lián)系起來，讓學(xué)生在真實的情境之中學(xué)習(xí)實驗技能。滴定屏幕實驗對于學(xué)習(xí)情境的營造與呈現(xiàn)體現(xiàn)在實驗項目的多個要素之上，包括實驗名稱、實驗?zāi)康?、實驗過程和實驗結(jié)論（見表3），凸顯情境設(shè)計的真實性和連續(xù)性。實驗名稱和實驗?zāi)康牡那榫郴瘜W(xué)習(xí)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為學(xué)生想要解決的實際問題，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;實驗過程的情境化將滴定分析應(yīng)用于真實情境中實際樣本的物質(zhì)含量測定，需要學(xué)生根據(jù)樣本的特點配制待測液，使實驗過程的模擬更為真切;實驗結(jié)論的情境化將滴定分析結(jié)果與河流水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進行對照，引導(dǎo)學(xué)生在實驗事實的基礎(chǔ)之上對河流污染程度或產(chǎn)品質(zhì)量做出正確的判斷，從而體現(xiàn)滴定分析實驗的應(yīng)用價值。實驗項目各個要素的情境化設(shè)計將滴定分析的學(xué)習(xí)過程表現(xiàn)為實際問題的解決過程，在應(yīng)用層面和情感層面上充分發(fā)揮滴定屏幕實驗的育人價值。

實驗名稱情境化實驗?zāi)康那榫郴瘜嶒炦^程情境化實驗結(jié)論情境化

L1： 受污染的溪流油罐車溢出物中的鹽酸污染了溪流。通過酸堿滴定確定溪流中鹽酸的濃度，并判斷其是否在可接受的范圍內(nèi)。用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)液滴定不同采樣點采集的受污染河水樣本。滴定結(jié)果對照水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（河流酸性條件標(biāo)準(zhǔn)），判斷溪流不同位置的污染程度。

L2： 阿司匹林含量測定通過弱酸/強堿滴定確定一批阿司匹林藥片中阿司匹林的含量。用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)液滴定由阿司匹林藥片配制的阿司匹林溶液。滴定結(jié)果對照阿司匹林片劑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，判斷阿司匹林片劑中的阿司匹林含量是否在可接受范圍內(nèi)。

L3： 護發(fā)產(chǎn)品通過弱堿/強酸滴定分析一批護發(fā)產(chǎn)品中氨的濃度，以確定其是否在安全范圍內(nèi)。用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)液滴定護發(fā)產(chǎn)品中的氨溶液。滴定結(jié)果對照護發(fā)產(chǎn)品標(biāo)簽和化妝品安全信息規(guī)定中對氨含量的規(guī)定，判斷標(biāo)簽含量是否虛標(biāo)以及氨的濃度是否在安全范圍內(nèi)。

L4： 補鐵片通過氧化還原滴定測定鐵補充片中的Fe2+（aq）濃度。用高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)液滴定由補鐵片配制的水溶液。滴定結(jié)果對照補鐵片標(biāo)簽，判斷標(biāo)簽含量是否虛標(biāo)以及每片補鐵片中的鐵含量是否超過鐵元素的日攝入量。

3學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計

滴定屏幕實驗為了有效支撐學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，將實驗學(xué)習(xí)的過程劃分成一個個小的學(xué)習(xí)任務(wù)，并按照一定的認知順序?qū)W(xué)習(xí)任務(wù)系統(tǒng)地排列起來進行呈現(xiàn)。在任務(wù)完成的過程中，學(xué)生可以獲得即時的反饋，確認自己的實驗操作或者回答是否正確，如果正確便可以進入下一個階段的學(xué)習(xí)，如果不正確則需要根據(jù)提示信息進行重復(fù)學(xué)習(xí)。因此，滴定屏幕實驗學(xué)習(xí)任務(wù)的系統(tǒng)設(shè)計非常符合程序教學(xué)法的基本特點，能夠讓不同水平的學(xué)生積極參與到學(xué)習(xí)之中，不斷強化學(xué)習(xí)效果，從而提升實驗學(xué)習(xí)的實效性。為了更好地說明滴定屏幕實驗學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計的特點，下面將從整體設(shè)計和局部設(shè)計兩個方面進行分析。

3.1學(xué)習(xí)任務(wù)的整體設(shè)計

從整體上進行分析可以發(fā)現(xiàn)，滴定屏幕實驗的各個實驗項目所設(shè)置的學(xué)習(xí)任務(wù)類型及其呈現(xiàn)的順序基本一致（見表4）。通過這些學(xué)習(xí)任務(wù)的步步推進讓學(xué)生經(jīng)歷一個相對完整的實驗學(xué)習(xí)過程，從實驗前認識實驗?zāi)繕?biāo)、學(xué)習(xí)理論知識到實驗中進行實驗操作、現(xiàn)象觀察和數(shù)據(jù)分析，再到實驗后對實驗過程進行反思和總結(jié)。如此一步一步地展開學(xué)習(xí)，可以在學(xué)生的頭腦中逐漸形成一個相對穩(wěn)定的實驗學(xué)習(xí)思路（見圖1），進而提升他們的實驗學(xué)習(xí)能力。

3.2學(xué)習(xí)任務(wù)的局部設(shè)計

3.2.1理論學(xué)習(xí)

滴定屏幕實驗各個實驗項目的理論學(xué)習(xí)階段主要包括兩個學(xué)習(xí)任務(wù)，分別是觀看視頻和理解考查。觀看視頻是通過微視頻形式讓學(xué)生從真實情境出發(fā)對于滴定分析實驗的相關(guān)原理知識進行學(xué)習(xí)。以水平4的視頻素材為例，視頻從“食品標(biāo)準(zhǔn)局（Food Standards Agency）檢查補鐵藥片中鐵含量是否正確標(biāo)示”這一情境出發(fā)引出氧化還原滴定這一測試方法，其后從微觀角度對氧化還原反應(yīng)原理和氧化還原滴定原理進行分析，最后對滴定分析實驗任務(wù)進行簡要說明（見圖2）。視頻內(nèi)容形象直觀、簡潔明快，能夠讓學(xué)生在較短的時間內(nèi)了解相關(guān)的原理性知識。觀看視頻之后的理解考查則是通過5道選詞填空題對學(xué)生的理論學(xué)習(xí)成果進行針對性的檢驗和強化。同樣以水平4的理解考查為例，5道試題針對視頻內(nèi)容著重考查學(xué)生對氧化還原反應(yīng)原理和氧化還原滴定原理的理解情況。學(xué)生從3個選項中選擇1個正確的選項，并將其拖入題干中的對應(yīng)位置，從而形成完整的內(nèi)容表述。這種作答方式操作簡捷，同時也可以看作是對氧化還原滴定相關(guān)理論知識的一種總結(jié)。理論學(xué)習(xí)階段的學(xué)習(xí)為后續(xù)滴定分析實驗的進一步學(xué)習(xí)做好鋪墊。

3.2.2實驗實施

實驗實施階段是滴定屏幕實驗各個實驗項目的主體部分，是對滴定分析實驗過程的仿真模擬。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生一方面需要根據(jù)提示信息使用虛擬的化學(xué)儀器和藥品完成各項實驗操作任務(wù)，學(xué)習(xí)滴定分析實驗的操作要領(lǐng);另一方面也要利用相關(guān)的化學(xué)知識進行實驗數(shù)據(jù)的分析、化學(xué)方程式的配平和酸堿指示劑的選擇，理解滴定分析實驗的基本原理。因此，實驗實施階段的學(xué)習(xí)任務(wù)在設(shè)計上體現(xiàn)了“滴定分析”這一學(xué)習(xí)主題多個方面的知識與技能，能夠讓學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)中獲得較為完整的學(xué)習(xí)體驗。為了滿足不同水平學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，各個實驗項目實驗實施階段的學(xué)習(xí)任務(wù)在內(nèi)容設(shè)計上也體現(xiàn)出一定的層次性。以“酸堿指示劑的選擇”為例（見圖3），水平1通過對比滴定前后錐形瓶中溶液顏色的不同，讓學(xué)生判斷酚酞作為酸堿指示劑的可行性;水平2通過呈現(xiàn)在滴定曲線上標(biāo)注的不同指示劑的變色范圍，讓學(xué)生選擇恰當(dāng)?shù)乃釅A指示劑;而水平3則讓學(xué)生在滴定曲線上確定滴定終點的范圍和等當(dāng)點，并以此為標(biāo)準(zhǔn)選擇適當(dāng)?shù)乃釅A指示劑。由此可以發(fā)現(xiàn)，從水平1到水平3，隨著學(xué)習(xí)任務(wù)的推進，學(xué)生對于酸堿指示劑選擇標(biāo)準(zhǔn)的認識在不斷深化，從現(xiàn)象層面的指示劑顏色變化要靈敏且明顯，逐漸深入到本質(zhì)層面的指示劑變色范圍要包含或靠近酸堿恰好完全反應(yīng)的等當(dāng)點，在選擇酸堿指示劑的同時也加深了對酸堿滴定原理的認識。

除此之外，滴定屏幕實驗亦非常注重實驗過程模擬的仿真性。從實驗流程上看，滴定分析實驗的主要操作步驟在各個實驗項目中均有較為完整和細致的體現(xiàn)，而且每一種樣品都需要學(xué)生先試測一次，再重復(fù)測定3次，以降低實驗誤差的影響，更加貼近真實的實驗過程。從實驗觀察上看，為了讓學(xué)生準(zhǔn)確地把握滴定終點的實驗現(xiàn)象，滴定過程中錐形瓶中溶液顏色的變化都是以視頻形式呈現(xiàn)的，將真實現(xiàn)象與模擬操作有機結(jié)合起來，從而增強了滴定分析實驗的仿真效果。

3.2.3知識總結(jié)

為了進一步強化學(xué)生對于滴定分析過程的認識，水平4在實驗實施階段的學(xué)習(xí)任務(wù)結(jié)束之后專門設(shè)置了總結(jié)性的任務(wù)環(huán)節(jié)，分別從實驗操作和化學(xué)計算兩個方面以問題解決的方式對滴定分析過程中涉及的關(guān)鍵步驟及其先后順序進行較為全面的總結(jié)（見表5）。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生先要根據(jù)自己的理解將學(xué)習(xí)界面上隨機排列的3個計算步驟按照正確的順序拖入到對應(yīng)位置，其后以同樣的方式確定4個實驗操作步驟的正確排列方式，最后再回答4道正誤判斷題，對每一個實驗操作步驟的重要細節(jié)和易錯點進行鞏固和強化。這種問題解決式的知識總結(jié)一方面實現(xiàn)了對已學(xué)知識的考查與梳理，另一方面也能在一定程度上增強學(xué)生知識復(fù)習(xí)的積極性和主動性。此外，滴定屏幕實驗的學(xué)習(xí)界面上均設(shè)置了一個“文件夾”按鈕，學(xué)生在完成一定的學(xué)習(xí)任務(wù)之后可以點擊此按鈕進入“實驗手冊”（lab book）界面對任務(wù)內(nèi)容和相關(guān)知識進行及時的回顧和總結(jié)。在完成一個實驗項目的所有學(xué)習(xí)任務(wù)之后，學(xué)生還可以下載圖文結(jié)合的實驗手冊文本，并以此對各個實驗項目的滴定分析過程進行整體復(fù)習(xí)，從而提升知識復(fù)習(xí)的效果。

3.2.4學(xué)習(xí)反思

滴定屏幕實驗的每一個實驗項目最后呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)任務(wù)都是學(xué)習(xí)反思任務(wù)。學(xué)習(xí)反思的任務(wù)系統(tǒng)會統(tǒng)計學(xué)生完成各個階段學(xué)習(xí)任務(wù)的嘗試次數(shù)，并以此為標(biāo)準(zhǔn)在學(xué)習(xí)界面上羅列出學(xué)生“表現(xiàn)優(yōu)異的地方”和“需要改進的地方”。學(xué)生可以參照自己的學(xué)習(xí)表現(xiàn)情況將學(xué)習(xí)過程中的心得體會和疑難困惑填寫在學(xué)習(xí)界面的文本框中，反饋給化學(xué)教師，在對整個學(xué)習(xí)過程進行反思的同時，也能夠幫助教師有針對性地進行課堂教學(xué)的設(shè)計與準(zhǔn)備。另外，各個實驗項目在學(xué)習(xí)反思階段都會根據(jù)項目內(nèi)容設(shè)置一道拓展性的思考題（見表6），要求學(xué)生在學(xué)習(xí)界面的文本框中完成。通過對這些問題的思考，學(xué)生可以從多個角度進一步深化對滴定分析實驗原理的認識，進而提升學(xué)習(xí)反思的效果。

實驗水平思考題

L1你的滴定分析和快速反應(yīng)有助于保護特殊地點的某些野生生物。三天后，你再次在所有地點對河流進行采樣。你預(yù)計結(jié)果如何？

L2從你的滴定實驗來看，有哪些潛在的誤差可能導(dǎo)致實驗結(jié)果不準(zhǔn)確？

L3在該滴定實驗中，你使用了已知濃度的鹽酸。通常在滴定之前對酸要進行“溶液標(biāo)準(zhǔn)化”，以確保準(zhǔn)確知道其濃度。為什么？

L4使用氧化還原滴定法測定片劑中Fe2+離子的濃度時，還有哪些其他因素可能影響氧化還原反應(yīng)的發(fā)生？

4啟示

滴定屏幕實驗作為一種虛擬的化學(xué)實驗學(xué)習(xí)工具，雖然不能取代真實的化學(xué)實驗，但是它的出現(xiàn)為學(xué)生學(xué)習(xí)滴定分析的知識與技能提供了一種長期有效的工具性課程資源，也為學(xué)生的有意義學(xué)習(xí)創(chuàng)造了一種循序內(nèi)化的實驗學(xué)習(xí)模式[5]?？偨Y(jié)滴定屏幕實驗的設(shè)計特點，主要有以下三個方面： 首先，滴定屏幕實驗的各個實驗項目在內(nèi)容設(shè)計上不僅關(guān)注對于滴定分析實驗過程的仿真模擬，而且也非常注重對于自主學(xué)習(xí)過程的系統(tǒng)設(shè)計，將問題情境、理論學(xué)習(xí)、實驗操作、化學(xué)計算、總結(jié)反思、考查評價等要素有機整合在一起，形成了一個較為完整的實驗學(xué)習(xí)單元。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不斷地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，在獲取知識的同時也提升了自己的問題解決能力;其次，滴定屏幕實驗十分重視對滴定分析過程中的誤差分析、指示劑選擇、平行實驗設(shè)計、定容操作、滴定終點判定等影響實驗成敗的關(guān)鍵因素進行點面結(jié)合的重點突出，在保證實驗學(xué)習(xí)效果的同時也有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹求實的科學(xué)態(tài)度;最后，滴定屏幕實驗在內(nèi)容設(shè)置和水平劃分上均以不同階段的化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，重點關(guān)注相關(guān)實踐技能的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，結(jié)構(gòu)清晰、內(nèi)容緊湊，是對課堂教學(xué)的一種有效補充，可以幫助教師提高滴定分析實驗的教學(xué)質(zhì)量。

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