交互式仿真化学实验学习工具的设计评析-《化学教学》(2020年12期).docx

龙源版权所有 交互式仿真化学实验学习工具的设计评析作者：刘公园来源：《化学教学》2020年第12期 摘要： 从内容层次、实验情境和学习任务等视角，分析英国皇家化学会开发的“滴定屏幕实验”的适用范围和实用价值，评析这一交互式仿真化学实验学习工具内容设计的特点，旨在为类似虚拟化学学习工具的设计提供一些有益的参考。 关键词： 仿真化学实验; 交互式学习工具; 滴定屏幕实验 文章编号：2020 中图分类号： G6338 文献标识码： B 化学实验是化学学习的重要途经，也是学生进行科学探究的重要方式[1]。良好的化学实验技能对于学生有效掌握化学知识，提升化学学习能力能够发挥重要的促进作用。然而，由于受到各种主客观条件的限制，在真实的实验学习环境下，一般难以保证学生对实验技能进行反复练习和强化，同时也难以在实验操作的过程中给予所有学生即时的反馈与评价。因此，传统的实验教学过程存在着实践机会少、矫正不及时等不足。随着信息技术与学科教学整合的不断深化，在科学教育领域出现了许多虚拟仿真实验的学习工具，这些学习工具通过形象的操作动画和完善的交互设计让学生能够较为真切地感知科学实验的过程，而且给予学生反复实践的机会，以加深他们对实验的理解。教师既可以利用这些学习工具让学生在真实实验之前充分地熟悉实验程序和操作规范、理解实验的原理，为真实环境下的实验学习打好基础，也可以将其作为实验学习之后的扩展练习，让学生在课后进一步巩固与强化实验学习的成果。 滴定屏幕实验（Titration screen experiment）是由英国皇家化学会（Royal Society of Chemistry）与布里斯托大学（University of Bristol）、学习科学公司（Learning Science）合作开发的一个面向高中学生可免费使用的化学实验学习数字资源，其设计的主要目的是通过交互式的屏幕实验使学生在独特而引人入胜的环境中进行酸碱中和滴定实验与氧化还原滴定实验，以增强学生对滴定分析的理解，提高学生与实验室滴定有关的实践技能[2]。该虚拟实验学习工具在知识性、交互性、仿真性、智能性、可重复性等方面的设计较为完善，而且在学习层次、学习情境和学习过程的设计方面相较于其他同类型的学习工具而言还有一些鲜明的特点。因此，本文将以交互式仿真化学实验学习工具的设计为视角，分析滴定屏幕实验内容设计的特点，从而为类似化学学习工具的设计提供一些有益的参考。 1内容层次的设计 滴定屏幕实验在内容设计上并没有以一个单一的实验项目形式呈现，而是设计成了4个不同水平且相对独立的实验项目（以下简称水平1、水平2、水平3、水平4）。这些实验项目都围绕“滴定分析”这个主题展开，在内容设计上既表现出一定的相似性，又表现出清晰的层次性。这种层次设计的出发点是为了满足高中阶段不同年级、不同水平学生的学习需求，而各个实验项目设计的主要依据是英国高中不同阶段的化学课程标准。英国的高中教育主要包括两个阶段，分别是关键阶段4（Key Stage 4）和关键阶段5（Key Stage 5）[3]。在学习阶段的划分上，水平1对应的目标学生水平是关键阶段4，学生的年龄段处于14～16岁之间，而水平2到水平4对应的目标学生水平是关键阶段5，学生的年龄段处于16～18岁之间。在课程层次的划分上，水平1对应的主要是英国普通中等教育证书GCSE水平化学课程的相关领域，而水平2到水平4对应的主要是英国普通中等教育证书高级水平（Alever）化学课程的相关领域。滴定屏幕实验依据不同的学习阶段和课程层次对实验项目进行设计与呈现，一方面拓展了学习工具的适用范围，另一方面也提升了学习工具的实用价值（见表1）。 L4关键阶段5（Key Stage 5）Alevel水平①pH曲线、等当点和指示剂选择;②溶液稀释计算;③氧化还原滴定法（KMnO4/Fe2+）;④确定离子反应方程式。 为了进一步梳理不同水平实验项目之间的层次关系，我们参考英国皇家化学会编制的《滴定屏幕实验教师注释》（Titration screen experiment teacher notes）这一文件，从实验方法、实践技能发展和主要学习成果这三个方面进行横向比较与分析（见表2）。从实验方法上看，水平1、水平2和水平3采用的是酸碱滴定法，而水平4采用的是氧化还原滴定法。在酸碱滴定学习的基础之上学习氧化还原滴定，可以拓展学生对滴定方法的认知，使其更好地把握滴定这种定量分析方法的实质。同时，从水平1到水平3，酸碱滴定法所采用的酸碱类型也不尽相同，从强碱滴定强酸到强碱滴定弱酸，再到强酸滴定弱碱，这一系列的变化可以从物质和反应层面逐步完善学生对于酸碱滴定原理的认识。 从实践技能的发展来看，各个实验水平所体