中学化学探究性虚拟演示实验的设计与开发

杨　雪　王　娜　李　忠　姚俊峰

摘 要：虚拟演示实验有效地拓展了实验演示的范围，降低了实验演示的成本和难度，给传统实验教学带来了生机，但它线性化的演示方式限制了学习者的发散思维能力。针对这个问题，本文提出了探究性虚拟演示实验的设计思想：通过控制实验条件，设计实验演示的多个路径，供学习者根据自己的认知特点来选择相应的实验演示现象，提高了学习者的学习兴趣和探索能力。并结合实验室制氧气实验对探究性虚拟演示实验进行具体分析设计。

关键词：探究性；虚拟演示实验；实验条件的控制；情感化交互设计

中图分类号：G434 文献标识码：B文章编号：1673-8454（2008）22-0051-03

一、引言

中学化学教材(初中全一册、高中必修本、选修本)中共有189个演示实验（初中85个，高中104个），46个学生实验（初中19个，高中27个）。[1] 演示实验占80.4%,可见演示实验在中学化学实验教学中的重要性。在实验演示的过程中，教师应发挥学习者的积极主动性，使演示实验在发挥验证性作用的同时，进一步培养学习者的探究意识。

由于中学化学学科具有复杂性、微观性和抽象性的特点，有的实验由于存在危险性、实验周期长、不易观察、不方便在课堂直接演示，而利用虚拟演示实验可以有效地拓展实验演示的范围，帮助学习者较好地观看实验现象，更能加深对概念和规律的理解。

目前虚拟实验主要分为虚拟演示型和虚拟操作型，虚拟操作型实验的交互性很强，有的可以让学习者自己来设计实验，达到了很好的仿真效果，但它的投入成本也很高，本文主要讨论虚拟演示型实验。

虚拟演示实验具有传统演示实验的演示功效，但它优于传统演示实验的人机交互性却没有真正地发挥出来，在具体应用上还存在交互程度不高的现象，尤其是信息交互不足，大都是线性的演示过程，如图1所示， 结构图中的线性结构，一般是按照实验设计者设计好的路径，沿实验步骤指示，逐步实现实验过程，并不重视实验演示过程中量的因素，它在培养学习者科学严谨做实验的能力方面起到一定作用，但这种线性结构的设计，限制了学习者主体地位发挥，不利于学习者发散思维能力的培养和探究意识的形成。

二、探究性虚拟演示实验的设计思想

针对虚拟演示实验存在的问题，根据新课程标准中强调培养学习者探究能力的要求，虚拟演示实验要积极改变演示模式，为学习者的发散思维能力的培养提供一定的环境，帮助学习者更好地理解概念和规律，提高学习兴趣和教学效果。

图1 结构图

1.探究的概念

美国国家科学教育标准中对探究的定义是：探究是多层面的活动，包括观察；提出问题；通过浏览书籍和其他信息资源发现什么是已经知道的结论，制定调查研究计划；根据实验证据对已有的结论作出评价；用工具收集、分析、解释数据；提出解答，解释和预测；交流结果。[2]

杜威首先将探究的思想引入教育界，他认为，科学教学要注重学习科学研究的过程和方法。把探究的思想引入教育，更能提高学习者分析问题的能力，充分发挥教师主导和学生主体的作用。

2.探究性虚拟演示实验的提出

在这个强调探究学习的时代，可以充分发挥虚拟演示实验的优点，根据实验的特点和学习者的特征，控制实验的条件，比如根据在真实实验中学生容易出错的操作、实验的注意事项或者在真实实验中由于存在危险性而不让学生进行的操作，来设计多个不同的演示路径，设计、开发具有情感交互的探究性虚拟演示实验系统。

如图1结构图中的树状结构所示，这样可以加强虚拟演示实验与学习者的交互，提高学习者的发散思维能力，培养学习者的探究意识。

探究性虚拟演示实验中的“探究性”，指的是通过以上的设计思想设计出来的实验具有探究性，比传统的线性演示实验的探究性更深入、更具有演示的多样性，当然这里的“探究性”是有限制的，不是每个探究的层面都包括的，心理学研究认为：人的意识支配人的行为，探究意识明确了，探究的行动才有目标和意义，探究性虚拟演示实验主要在观察和提出问题等方面来培养学习者的探究意识，从实验的过程和方法上提供给学习者多方面的实验演示效果，培养学习者观察与探究的能力。它可以和传统演示实验相结合，组成一个完整的探究过程。

三、中学化学探究性虚拟演示实验的设计与开发

中学化学探究性虚拟演示实验的结构图设计采用了树状结构，主要从三个层次来进行分析，层层递进，设计逐步细化（如图2）。下面结合实验室制氧气实验来具体分析。

图2 探究性虚拟演示实验的结构图设计

1.第一层次：实验室制氧气的探究性虚拟演示实验设计分析

主要从理论指导、教学内容的信息交互设计与技术的选择与实现三个方面来对实验室制氧气的探究性虚拟演示实验进行分析设计。

（1）根据新课程标准的要求，选择相应的教育理论

新课程标准中强调培养学习者的探究能力，为了更大程度地培养学习者的探究能力，主要采用了分布式认知理论和认知心理学来指导探究性虚拟演示实验的设计。

①分布式学习是一种教学模式，它允许指导者、学生和学习内容分布于不同的非中心的位置，使教和学独立于时空而发生。[3] 学习者以自己为中心，充分利用周围一切可以利用的资源来进行主体性学习；教师成为学生学习活动的设计者、指导者、参与者。分布式学习模式可以与传统课堂相结合使用，更好地促进学习者学习。

实验室制氧气的探究性虚拟演示实验的教学设计，在分布式学习理论的指导下，课堂以学生自主学习为主，教师引导学生思考、讨论，并适时进行点拨，充分体现师生的真正平等化。

②认知通常指人获得并应用知识的过程，学习的过程就是对客观事物的认知过程。[4] 人们在认知客观事物时，通过注意、感觉、知觉、记忆、思维、想象等各种心理活动来交流信息，在心理学上叫认知心理。

实验室制氧气的探究性虚拟演示实验，学习者主要在视觉信息刺激下，结合自己已有的知识经验，对演示现象所传输的信息进行组织和加工的过程。探究性虚拟演示实验的设计方案离不开对认知心理的研究，它的设计要符合学习者的认知规律。

（2）教学内容的信息交互设计

教学内容的信息交互设计主要是在分布式认知理论和认知心理学理论指导下，对教学内容进行系统的设计，充分体现学习者主体地位的教学思想，发挥学习者的探究意识和创新能力。

（3）技术的选择与实现

技术的选择与实现主要从经济性、实用性、方便性、教育性、科学性等方面来考虑，选择Flash软件来开发实验室制氧气的探究性虚拟演示实验，进行二维模仿三维，实现生动形象的动态实验演示。

2.第二层次：实验室制氧气的教学内容信息交互的设计

主要从对学习者特征分析、实验条件的控制方法、情感化的交互设计三个方面来对实验室制取氧气的教学内容的信息交互进行设计分析。

图3 实验仪器选择

（1）学习者特征分析

学习者是学习活动的主体，学习者特征分析一般包括学习者初始能力分析、学习风格、心理特征等分析。

新课程标准强调发挥学习者的探究意识，发挥学习者的积极主动性，要想在教学活动中真正体现和发展学习者的主体性，在进行探究性虚拟演示实验教学设计时，必须重视对学习者特征进行分析。

（2）实验条件的控制方法

图4 实验操作步骤

所谓实验条件的控制，就是将影响实验对象的诸条件中的一个条件作为可变，其他条件保持不变，探究此条件的变化对实验结果的影响，以便找出最佳实验条件的一种科学方法。[5]

在实验室制氧气的实验中，通过对实验条件方法的控制，可以设计出多样的实验演示路径，供学习者根据自己的认知特点来选择观看相应的实验演示现象，以此来培养学习者的探究意识。

（3)学习环境的情感化交互设计

友好的用户界面能激发学生的学习兴趣，形成最佳学习动机，激发学生探求新知识的欲望。

情感化交互设计有三个不同的层次：本能水平的设计、行为水平的设计、反思水平的设计。[6]其中本能水平的设计重视的是设计物品的外表、质地和手感等，主要是设计物品的外形；行为水平的设计关注的是设计物品的功能、性能、可用性，主要是用户使用产品的经验；反思水平的设计注重设计物品的印象和形象，设计产品给用户的感觉，包括感情、意识、情绪和认知等。[7]

实验室制氧气的探究性虚拟演示实验如图3所示，界面是以Web网页呈现，左侧是导航系统，方便学习者选择相应的操作，右侧是模仿三维空间的教室，在黑板上演示实验的相应操作。总之，要使这三种水平的设计尽量达到最优化，根据教学内容、实验特点和学习者的特征综合设计出界面美观友好，使用方便，能激发学习者学习兴趣和体现学习者探究意识的虚拟演示实验。

3.第三层次：实验室制氧气的实验条件的控制方法具体分析

中学化学实验条件可分为三大类：化学药品、实验仪器装置及化学实验操作。化学药品的选择包括药品的种类、药品的形状、药品的重量大小等；实验仪器装置的选择主要是仪器的种类及不同的安装方法；化学实验操作，主要在组装好化学实验仪器后，对化学药品进行点燃、加热、振荡等操作，以及对实验仪器和时间的控制等。实验条件的控制方法是设计和实施探究性实验的最常用的一种方法。[8]

正因为实验条件的控制对于探究性实验设计具有重要意义，因而在义务教育化学课程标准“发展科学探究能力”的“制定计划要素”中，明确要求学生要具有“控制实验条件的意识”。[5]实验不同，实验的条件也不同，可根据实验的特点来控制实验条件，设计多个演示路径。

在实验室制氧气的实验中，通过对化学药品、实验仪器装置及化学实验操作的控制，来设计多个演示路径，如图3所示，通过选择不同的实验仪器，可分为排空气法和排水法两种演示路径；在实验操作方面，拆分仪器时，存在先撤导管还是先撤酒精灯的问题，而先撤酒精灯的话就会出现试管爆炸的危险，如图4所示。存在危险性的实验操作一般在真实实验的条件下是不演示的，而虚拟演示实验可以为学习者演示。

四、结语

探究性虚拟演示实验，根据在真实实验中实验条件的控制方法来设计多个不同的演示路径，学习者可以观看相应的实验演示结果，发展学习者的积极主动性和探索的精神。这对真实的实验操作有一定的指导和补充作用，并将成为化学实验教学中不可缺少的一部分。

参考文献：

[1]俞远光.中学化学演示实验教学研究[D].华中师范大学2000年硕士学位论文.

[2]National Research Council.The National Science Education Standards[M]. Washington DC: National Academy Press，1996.

[3]Steven Saltzberg and Susan Polyson.Distributed LearningontheWorldWideWeb[EB/OL].http://hagar.up.ac.za/catts /Learner/

nuwe/project.htm,2005-12-201 .

[4]罗虹.医学计算机动画设计的理论探讨和实践研究[D].第二军医大学2005年硕士学位论文.

[5]陈耀亭.中学化学教学中的德育[M].长春:长春出版社,1991.

[6][美]诺曼（Norman, D.A.）,付秋芳等译.情感化设计[M].北京：电子工业出版社，2005.

[7]王娜.网络环境下中学化学实验的教学设计与开发[J].中国教育信息化，2008,(4).

[8]郑长龙.义务教育化学课程标准实验教科书中化学实验的新特点[J].课程·教材·教法,2004,(12).