信息技术与化学实验教学整合策略初探

时间：2024-01-11 22:05:46 来源：作者：周平儒

【摘要】信息技术与学科课程的整合是我国面向未来基础教育教学改革的新视点。随着科技的发展，信息技术在化学实验教学领域的应用也日益广泛。信息技术不仅能模拟实验、进行仿真实验，如今它与传感、电子、数字化等技术相结合，可以形成崭新的实验方法和技术，对传统的手工实验方式是一种前所未有的挑战。与化学实验教学进行有效整合，营造新型的教学环境，实现既能发挥教师主导作用又能充分体现学生学习主体性，引发了实验方法和技术的革新，更引起了实验教学理念、方式方法的变革。本文对息技术下多媒体与化学实验课程的整合现状，以及如何提高多媒体与化学实验课程的有效整合问题作了认识层面的思考，并在实践层面上提供一些思路。
【关键词】信息技术；实验教学；化学；功效；模式；整合

化学是一门以实验为基础科学，化学实验是化学的灵魂和支柱，也是完善人的科学素质，特别是创造思维素质的重要载体。因此，实验教学在化学教学中占有重要的位置。化学实验教学质量的好坏从某种程度上决定了化学教学的效果。新课程改革体现在化学教学上是更加突出了实验教学，更多地采用新技术使教学手段现代化和多样化。随着信息技术的发展，化学实验教学手段发生了质的变革。现今实验教学过程中已很少有单纯的传统教学仪器，如运用计算机做终端，形成新一代智能化实验教学仪器，以弥补传统教学仪器的不足。开展信息技术与化学实验教学整合的实践与研究，就是要解决这些问题，寻求现实的可操作性的途径和方案，促进技术优势转化为教学效益，推进信息技术在实验教学过程中的效用。
一、信息技术与化学实验教学整合的界定与意义
(一)整合
透过字面，我们多少可以感觉到整合有一种梳理、归整、合并、合成、最后形成一种整体合力的意思在里面。再转换一个角度，从一个完整的信息系统的组成要素看，它不仅包括信息，而且包括信息处理工具、网络以及工作流程、操作规范、法规、制度、标准和协议等等，只有当上述各个要素以信息为核心“达成一致”、“合作”或“成一整体”时，才能够形成信息系统。因此，整合就是把一些零散的东西通过某种方式而彼此衔接，从而实现信息系统的资源共享和协同工作。其主要的精髓在于将零散的要素组合在一起，并最终形成有价值有效率的一个整体。因此“整合”一词，主要含义是综合、融合、集成、成为整体、一体化的意思。
(二)资源整合
资源整合是指企业对不同来源、不同层次、不同结构、不同内容的资源进行识别与选择、汲取与配置、激活和有机融合,使其具有较强的柔性、条理性、系统性和价值性,并创造出新的资源的一个复杂的动态过程。资源整合包含两个层面：一是战略思维的层面，资源整合是系统论的思维方式。就是要通过组织和协调，把企业内部彼此相关但却彼此分离的职能，把企业外部既参与共同的使命又拥有独立经济利益的合作伙伴整合成一个为客户服务的系统，取得1+1大于2的效果。二是战术选择的层面，资源整合是优化配置的决策。就是根据企业的发展战略和市场需求对有关的资源进行重新配置，以突显企业的核心竞争力，并寻求资源配置与客户需求的最佳结合点。目的是要通过组织制度安排和管理运作协调来增强企业的竞争优势，提高客户服务水平。
(三)教育资源整合
教育资源整合指教育教学系统中各要素的整体协调、相互渗透，以发挥其最大效益的过程。从课程的角度来看，是指在职课程教学过程中把信息技术、信息资源、信息方法、人力资源和课程内容有机结合，共同完成学科课程教学任务的一种新型的教学方式。
(四)信息技术与化学实验教学的整合
信息技术与化学实验教学的整合在于探求在实验教学过程中应用信息技术的规律、途径、模式、策略、方法，最终实现信息技术和实验教学的优化统一。信息技术与化学实验教学进行有效整合，营造新型的教学环境，实现既能发挥教师主导作用又能充分体现学生学习主体性，以学生自主探究、合作为主的新的学习方式，达到变革传统的教学结构。深层次的整合体现了信息技术作为一种营造学习环境的功能，整合体现了系统论的思想，涉及到教学资源与教学各要素的有机结合，是一个系统内各要素的整体协调、渗透，彼此相互联系、相互作用而形成有机整体，发挥各要素最大功能的整体效益，从而实现系统的最优化，实现有效学习。
二、信息技术与实验教学整合是时代发展的必然结果
通过信息技术来创设生动活泼的化学实验教学情景，转变学生的化学实验学习方式和教师的化学实验教学方式，使信息技术成为师生学习认识化学实验的有力工具，并以此来促进学生主动发展，提高其科学素养。因此，信息技术与实验教学整合是时代发展的必然结果。
(一)信息技术更新了化学实验教学理念
传统的化学教学以书本为中心，以学生掌握和巩固知识为出发点和归宿，把学生学习化学实验的范围囿于学校、课堂、书本。以信息技术为手段和依托的化学实验教学中，利用录像、摄像、光盘、网络、视听资料等，能加强实验教学与社会、生活、科学技术之间的联系，使学生的视野更开阔。信息技术以其交互性和超文本链接的优势，在构建以学生为主导，教师为引导的多样化化学实验教学模式，形成以自主式、合作式、研究式为主的学习方式方面起到了重要的作用，为在化学实验教学中的师生互动提供了可靠的保证。
(二)信息技术改变了化学实验教学手段
信息技术扩大了化学实验的内涵，它借助多媒体网络技术，为学习者营造一个个性化的虚拟情景，使他们在“真实的”环境下学习，扩展了化学实验的教育功能，弥补了因地域限制、城乡之间条件差异，利用网络的公开性、快速性进行共享学习，具有一定的辅助作用，为社会优质教育和谐发展添加一条新的交流渠道。在实验的不同环节，信息技术都发挥了其独特的作用，观察环节可以极大地扩展实验的可视性和可重复性，数据采集环节信息技术给化学量的测量带来了革命性的变化，不但简单方便，而且测量精度高，数据分析环节能将学生从简单、机械、繁琐的数据处理过程中解脱出来，让学生的时间和精力用在更有创造力的方面，有利于提高学生的理论知识水平和实践、创新能力。
(三)信息技术改变了化学实验教学方法
长期以来,人们往往把化学实验分成演示性实验与分组实验。前者定位于培养观察能力，后者着眼于培养操作技能，没能认识到实验在知识、能力、方法、情感态度价值观等综合科学素质教育中的重要作用。这种基本思想决定了实验教学中，演示实验为教师做、学生看，以教师为中心；学生分组中，学生是完全按教师设计好的方案进行，缺乏学生自主的独立思考和创造性活动。新课程理念下的化学实验教学现状不容乐观，化学演示实验安排过多，学生只看不做，对学生的动手能力、实验技能、科学态度、科学方法训练和培养就无从谈起。学生动手实验常常是验证式的教学模式，重复着教师课堂演示实验的操作步骤，或按实验册步骤，学生可不必思考、分析，只需单纯模仿、重复，“照方抓药”，按图索骥，就能完成实验，实验结束时有的学生甚至连最起码的实验原理也不知道，甚至出现学生实验考查往往流于形式，这种实验教学现状使得学生缺乏对实验的理性思考，缺乏对学生实验能力、科学态度和科学方法的培养。这些新的要求，依托于传统的实验教学方式是很难完成的，信息技术与化学实验教学进行有效整合，创建理想的学习环境、教学方式、学习方式势才能实现。
以计算机为代表的现代信息技术有其突出优势，丰富了师生交互方式，新的教学结构就在教师、学生、教材、教学媒体中悄悄地建立，影响着化学实验教学功效，推动着素质教育不断向前发展起着不可估量的作用。
三、信息技术在化学实验教学整合中的功效
丰富多彩、生动有趣的实验是化学实验教学的特点，实验课不仅可以让学生记住某些相关结论、实验步骤，而更为重要的是能够使学生透彻理解并且完全掌握产生实验结论的过程。化学课堂演示实验中，由于受到常规实验仪器本身的限制，实验效果常不如人意。信息技术作为演示的工具，可使静态事物动态化、微型实验宏观化、抽象知识形象化，完成难做实验的仿真模拟、进行化学过程的动态分析。
(一)信息技术的优势叠加分析信息能增强学生的理解
实验基本清晰，但实验过程相对应的化学规律抽象，学生理解困难。这种情况要坚持做好实验，在此基础上用现代信息技术的优势叠加分析信息，也就是提供由形象思维到抽象思维过度的桥，使得学习者更深刻地理解客观化学规律及其应用。例如：《原电池》中，教师先利用演示实验使学生观察出电流表指针的变化和铜片上的气泡，然后利用动画模拟使学生形象地看到锌离子失电子进入溶液中，电子运动方向及两极电子得失的特点，离子的移动及铜片上得电子产生气泡的动画，《电解氯化铜》用课件展示出：溶液中铜离子和氢离子、氯离子、氢氧根离子移动的方向，铜离子在阴极放电析出红铜，氯离子在阳极放电产生黄绿色气体的过程,这样就使学生从宏观和微观上认识反应机理,为化学概念和化学规律的掌握提供充分的感性认识基础，克服以往教学只靠口述或做演示实验的弊病，让学生在已学过内容的基础上去找内在联系，使学生主动提取旧知、探究新知，培养学生分析问题和解决问题的能力。又如解释化学反应时，动画模拟:乙酸和乙醇酯化生成乙酸乙酯的反应机理：酸脱羟基醇脱氢，化学键断裂后组合成一个水分子，剩余的键合在一起，这种单靠语言和文字描述，学生较难理解。教师可以通过动画模拟，形象生动地表现分子、原子等微观粒子的运动特征，变抽象为形象，让学生直观形象地认识微观世界，更容易了解化学变化的实质，理解化学原理。这样既帮助学生进一步认识物质的结构，理解化学变化的原理，也大大提高了学习质量，吸引学生的兴趣，引导学生进一步思考。
(二)利用信息技术引入具有动画效果的演示实验增强观察效果
实验所包含的化学本质不够清晰，需要用科学动态模拟补充，引入具有动画效果的演示实验增强观察效果。①模拟一些安全性不好的实验。演示实验教学中，有些实验具有一定的危害性和危险性，如有毒、有强烈的刺激性气味、易爆、易燃、危险性大等实验，在课堂上无法实施演示，借助计算机的强大视频功能、模拟功能与网络资源，进行模拟实验教学，既保证学生的安全，又保护环境，又达到良好的教学效果。另外，通过信息技术还可以对实验中的错误操作引起的危害进行真实再现，引起学生的重视，帮助学生掌握正确的实验操作步骤和操作技能。例如：浓H2SO4稀释实验，课堂上一般演示正确的操作，对不正确的操作进行讲解，通过制作课件对浓H2SO4滴入水中放出大量热量使H2SO4液飞溅现象进行演示，使学生加深对这一知识点的理解。②利用模拟适当夸张实验现象。通过计算机的强大视频功能、模拟功能与网络资源，还可以借助计算机对于一些现象进行夸张处理，如学习氢气的性质时，通过制作一个动画给出未经验纯便点燃而导致启普发生器爆炸性的过程，这样不仅能帮助学生理解、加深印象，还避免了实际实验操作时的不安全问题。③模拟一些规模较大的或难以完成、难以见到的实验。有些规模较大的实验。如某一气体的制取、除杂(往往不止一种)、检验、收集、性质分析、尾气处理等，这种实验费时、费力、成功率低；又如硫酸工业制法生产流程；可利用课件进行模拟演示。实验视频还能解决老师难以完成和学生难以见到的实验。如液氮的低温实验(即活鱼在液氮中)；干冰的有趣实验，即干冰将氨气冷凝为液氨，液氨又将水蒸气冷凝为冰的实验及大气环境的保护等等。④通过模拟实验可以改变观看时间。有的实验进行速度过快，学生不易观察，如：钾溶于水反应速率快，有些学生还没有观察清楚，反应就已经结束，如果重做实验将浪费药品，这时可通过观看实验课件重温实验。有的实验进行速度过慢，影响学生的注意力和教学进度，可将某些次要的过程压缩而慢放。如：酯的水解，可制作一个课件：用三个烧杯分别盛放等量的乙酸乙酯，然后在一个烧杯中加入水，一个烧杯中加入酸，一个烧杯中加入碱，再分别加入红色的油漆。再分别放在水浴中加热，观察溶液颜色变化速率，说明酯在不同条件下水解速率不同。
(三)仿真传统教学实验无法涉及的条件要求很苛刻的实验
一般实验室中不可能做出的实验，可用计算机科学模拟（Similation）和视频资源来支持教与学。它可以仿真传统教学实验无法涉及的条件要求很苛刻的实验，如硫酸在工农业生产、科学实验和国防建设上都有广泛的用途，教材以接触法制硫酸的基本化学原理和生产流程、典型设备等，第一次向学生介绍了有关化工生产知识，使学生学习化学理论跟化工生产实际联系起来。传统的教学方法，尽管采取了实物、标本、模型或图表措施，学生还是觉得比较空洞。我们采用的计算机教学软件，以优美动听的音乐和形象逼真的画面，赢得了学生的喜爱。它设计动感强，易引起学生注意，讲解步骤清楚，层次分明，板面清晰，提示、过程、结论完整；图象形象、生动、直观。哇！沸腾炉真的沸腾起来了，生成的二氧化硫经过热交换器，直奔接触室，摇身一变，变为三氧化硫，三氧化硫进入吸收室洗了一个浓浓的“硫酸浴”，出来一缸热气腾腾的发烟硫酸。使学生在轻松愉快的气氛中，了解掌握了工业制硫酸全过程，与此同时，富有启发性的思考题和典型的练习，更是画龙点睛，教师巡视学生作答情况，并即时将一份学生答案在实物展示平台上映示，教师既可一目了然地看清全班共有多少学生回答正确，又可以即时做出评定和反馈，这些评定结果与学生的学习活动紧密相联，属于动态评定。这类评定尽管不严格，难以科学地给出符合测量量化标准的学习分数，只能是考查的印象，但却激励、帮助学生，为他们创设最佳学习情境，从而降低了学习难度。
四、信息技术与实验教学整合要处理好的关系
信息技术条件下模拟实验与传统实验的关系。实验教学是化学教学的基础，它既是学生对化学知识的认知起点，同时也是培养学生学习兴趣的重要途径。信息技术可以突破传统实验仪器的局限性，补充、完善真实实验的不理想之处。
从演示实验方面看，有些化学现象或化学过程无法直接用实验演示，一些化学规律受到常规实验仪器本身的限制演示效果常不如人意，一些化学过程不能作定量研究，甚至一些化学定律只是一种理想模型，在正常条件下不能实现。这些现象的存在，一定程度上造成学生对化学现象和过程没有感性认识，理解比较困难。发挥信息技术的特长，对那些难以观察到的、复杂、困难的实验进行模拟和再现，成为常规实验的补充，把两者有机结合起来，教学会收到事半功倍的效果。如薄膜干涉中等厚干涉劈尖和牛顿环实验可观察到清晰的明暗相问的条纹，但动态效果不明显，这种情况用课件演示出来，实验的全过程清晰明了。
从学生实验角度看，学生往往对实验兴趣浓、积极性高，喜欢作各种尝试，但为防止学生发生意外和造成实验仪器损失或由于实验条件的限制，总存在一些在化学实验里不能做或不允许做的实验，如高一化学“原子结构”知识的教学中，原子核外电子运动是微观的、高速的和无规则的。由于在学习过程中学生无法观察其运动状态，因而就难以形成概念。用FLASHMX制作的教学软件——氢原子核外电子运动及照片叠加形成的电子云图。学生在模拟环境中完成观察过程、从而很快在其头脑中构建出电子云概念和电子运动规律。但虚拟实验无法让学生直接参与真实的实践活动，过多使用会弱化学生实际操作的能力。
培养学生的实践能力和严谨的、以事实为依据的科学态度，是化学实验教学的基本目的之一。模拟是被理想化的模型，对一些操作方便、效果明显的实验，无论从真实性还是效果来看，都不宜用计算机模拟。若不加区别的一味用虚拟的过程替代实验，实验将不成其为实验，就要背离实验教学的初衷。

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