信息技术在线上化学教学的应用—— 课堂建构与虚拟仿真实验室
李硕
（华中师范大学化学学院，山东 青岛 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]文章基于当前化学学科教学的大背景，从当前高校学生普遍反馈化学较难的问题出发，提出了将信息技术应用于线上化学教学的方法，包括课堂构建与虚拟仿真实验室。课堂建构包括课前准备、课堂表现、课后反馈三部分；列出线上实验课程的构成与虚拟仿真实验室的优势。
[关键词]化学教学；线上教学；虚拟仿真实验室；课堂构建
[作者简介]李硕（2001-），男，汉族，山东青岛人，学生，正进行化学课程的学习与研究。E-mail:2854822537@qq.com。
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.
一、问题背景
现代教育的发展越来越依赖科技的发展，信息技术在教育领域的应用也逐渐广泛，除了基础的多媒体显示屏与计算机，还衍生出包括线上课堂、大数据终端、MOOC平台等等形式。近年来，国家也正在大力推行普及电子白板以及电子课件的使用，教师在课堂上使用幻灯片演示（PowerPoint）课件也成为了常态，尤其是新冠疫情爆发后我国采取居家隔离的政策，信息技术的使用以及网络课堂的数量有了爆炸性的增长趋势。化学目前作为中学课程的一部分，同时也是很多大学开设的一门学科，是提升学生理性思维能力与相关实验技能的一门课程。化学学科的内容较为复杂多样，目前人教版高中化学课程共涉及到六本书的学习，具体见图1。在化学教学中，涉及到大量的基础性概念，亦包括如原子电子离子的结构、有机物共价键等较为抽象化的内容。
二、问题的提出
近年来，随着课程改革的发展以及教育资源的平衡，电子白板等多媒体教学设施基本普及，成为教师教学的主要教学媒介，线上课堂也成为一种新兴的教学模式逐渐在各个中学流行。自2020年，全国多省实行新高考与选课制教学，而选择化学学科的人数相对较少，对于近年来针对中学线上课堂的研究以及部分大学课堂的调查，发现学生们普遍认为化学学科的难度相对较大，对化学学科的反馈通常有以下几个方面：
（一）学生积极性不好调动。受疫情防控影响，学生在家休息的时间较长，大多数学生都没有进入学习状态，在上课过程中注意力不足，学习积极性不高。而化学学科由于其需要学生的大量思考与理解，加之难度较大的特点，学习效果更差。
（二）化学学科的理解学习需要数学学科的空间想象的基础以及大量的化学概念性知识，由于知识点多，课时少，导致教师在教学过程中压力大，而学生普遍反映学习困难，教学效果差，学生难以做到学以致用[1]。
（三）受环境影响，学生的思维容易中断。线上授课时，学生的注意力难以像在课堂听课那样集中，且每个学生的周边环境不同，学生的思维很容易受环境的影响而中断；教师又很难及时发现学生注意力不集中的情况，造成听课效率偏低[2]。
三、问题的解决
针对化学课程线上教学遇到的以上问题，笔者认为要从根本上进行解决，就需要使信息技术更好地融入课堂。信息化技术的使用能够改变传统的教学方式，可以把学生的游戏工具手机转化为学习工具的一种新的教学模式，可以大大提高课堂教学的效果[3]。具体可以从以下两个方面来进行。
（一）良好的课堂建构
1.充分具体的课前准备
针对化学学科内容相对枯燥的学科特点，教师应该尽量在课堂一开始就调动学生的积极性，而调动积极性的方式就是提前做好课件的准备，做好教案，做好课堂的导入。运用信息技术的课堂相较于传统课堂的优势就是内容的多样性与丰富性，教师对于要讲的内容可以利用网络找到与其内容相关联的其他知识内容，以图片、文字片段或者视频的形式展现出来，这样在课堂开始时，一个足够有趣的课堂引入就可以引起学生的注意，调动学生的积极性。
除此之外，教师还应该对自己的课堂有一个明确的定性，决定是内容授课、习题课还是自习课程；教学流程要有一个具体的规划，哪一段时间讲哪一部分，如何承接；使用那种教学方法；如果超时或者时间有剩余应该如何处理等等这都是要在课前仔细考虑并认真规划的地方。
2.丰富流畅的课堂表现
这里的课堂不仅仅是教师准备的教学内容，还包括教师对于课堂的设计以及学生的反馈。教师基于课前准备的教案，结合课堂的实时反馈，对于教学内容与教学过程可以做出适当的修改。以线上课程为例，教师观察学生通过的仅仅是一个电脑窗口，对于学生的学习状态无法完全掌握，因此教师可以利用信息技术来了解学生的学习状态，譬如课堂提问、课堂签到等等。另外，教师可以用信息化手段来丰富自己的教学内容。这里的信息化手段可以是一段录音、一张张不同的画面、视频、动画等，可以把学生学习的能动性发挥出来，提高学生的课堂参与，可以把一些抽象和难以理解，枯燥乏味的理论变得细致、直观、生动有趣、易于向学生弄懂和理解，譬如在讲解有机物的结构时，用ChembioDraw软件构建有机物模型，让学生明白碳原子之间电子是如何连接起来的；通过运用计算机上的虚拟仿真软件，教师们就可以把原本难以捉摸的抽象概念变得具体且简单易懂，把原本静止不动的化学模型变成三维空间中立体动态的动画，这既使得发生在微观层面的化学反应更加直观，让教学更加形象，更能帮助学生用较轻松的方式理解和掌握学习内容中的重点和难点，同时营造一个生动有趣的学习环境。信息化教学也使教学内容更加有滋有味，使学生的视野得到了扩展[4]。
3.及时的课后反馈
信息技术对于重复性内容的完成有着更高的效率，化学学科相较于语文、历史等具有主观性内容的学科而言更加客观，因此使用信息技术进行作业的批改或者习题的批改有着更加高效的优势，而且，信息技术会更快的对数据进行分析，能够对于学生的具体情况给出针对性的练习与补充措施。在课后，教师可以利用大数据技术对于课堂的结果进行记录，长期得到的数据进行归纳，得到分析曲线或者表格，对于自己的教学的各个封面进行调整。譬如，部分中学使用人脸分析技术对学生的课堂表现进行实时性的记录，在课后会得到整个课堂各个时间段学生的注意力曲线，教师可以针对薄弱点进行调整，从优势部分汲取好的方法，构建好的教学模式。对于一些处于经济欠发达地区、网络信号不稳定的学生，教师可以将讲课音频文件储存共享，方便学生随时使用[5]。
（二）虚拟仿真实验室
化学实验室由于其具有一定的危险性，加上其建设、维护费用较大等原因，很多中学并没有配备化学实验室，即使配备了实验室也有部分没有投入使用。而在化学学科中，化学实验是非常重要的一部分，这不仅是对学生知识的检验与实践，同时也是学生最感兴趣的部分，是最容易激发学生学科热情的部分。而信息技术为解决这一问题提供了巨大的帮助，以一种特殊的方式来让学生完成实验，它就是虚拟实验室。在高等教育领域，多所知名高校纷纷建造自己的虚拟仿真实验室，其中以北京师范大学、清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等为代表，用于教育与学术研究[6]。
1.线上实验课程的构成
以华中师范大学于2020学年开展的线上实验课程为例，线上实验课程主要由以下几部分构成。
课前准备。教师会提前布置实验的内容，学生会根据要做的实验进行实验的预习，熟悉实验原理、实验目的、实验流程、实验仪器与药品。完成预习后，学生会完成对应的预习报告。而利用信息技术的应用使得学生在预习过程更加的高效，学生可以利用网络查阅实验的资料，包括各种图片与视频，这可以帮助学生对于实验过程的了解更加清晰。
教师讲授。在课程的正式阶段，教师会对实验进行讲解与补充，与现实中的实验相比较，教师在虚拟仿真实验室所提供内容的基础上强调实验的细节，
实验操作。在教师讲授结束后，学生会在平台上完成相应实验，并在得到实验数据后完成实验报告。
课程评分。课程评分包括实验报告（预习报告与数据报告）的评分、实验操作评分、问题的提问与回答等等，其中较为重视实验报告的评分，具体见图2。
2.虚拟实验室的优势
虚拟仿真实验教学系统是在计算机虚拟仿真技术的基础上，通过计算机模拟从而再现实验的完整过程[7]。虚拟仿真实验的优势如下：第一点，它提供了足够多的化学实验项目，这可以满足教学大纲对于化学实验的需求，譬如微瑞虚拟仿真实验平台提供的分析化学实验项目就有19项，具体见表1。第二点，虚拟仿真程度高。在虚拟仿真实验平台中，各项实验操作，实验用具，实验药品等与实物高度相似，且实验结果也与实际情况匹配。第三点，使用方便，费用较低，这也是虚拟仿真实验最大的优势，由于是线上操作，可以避险现实实验室中的危险；虚拟实验可以避免药物的浪费，可以节省实验室构建与维护所需要的费用，在要求较低的中学教学中足以满足需求；线上实验打破了时间与空间的限制，学生可以对实验进行反复操作，更加的灵活。第四点，细节设计较好。例如，在2020学年，华中师范大学化学学院使用了虚拟仿真实验平台进行线上的实验教学与实验操作，在这个过程中，包括教学与考核模式，考核模式会有时间限制，会根据你的操作以及用时、结果等进行评分，在一定程度上提高了学生的学习效果。
四、结论
课堂构建和虚拟仿真实验室是信息化技术应用于化学教学的两个方面，它们可以帮助教师营造更优质的课堂，节约不必要的资源浪费，降低化学学科的学习理解难度，提高化学学科在中学课程中的地位。展望未来虚拟教学平台的发展，学生可以通过3D沉浸式环境，在高度仿真的虚拟环境中，自主设计综合性实验，采用虚拟实验能弥补传统真实实验存在的不足，符合实验教学改革的发展趋势和人才培养的实际需要[8]。虽然目前信息技术在化学教学中的应用还没有得到完全普及，还存在着各种各样的问题，但是其具有不可估量的发展潜力与广阔的发展前景。
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