應用交互智能性教學課件培養學生探究能力初探

摘要：用“CO還原CuO”這一實際案例詮釋了反應仿真智能教學課件在培養學生探究能力方面的成效。

關鍵詞：科學探究及能力；交互仿真智能性課件

文章編號：1005－6629(2008)03－0044－04中圖分類號：G633.67 文獻標識碼：B

科學探究是一種重要的學習方式，也是義務教育階段化學課程的重要內容，對發展學生的科學素養具有不可替代的作用。如“初中化學新課程標準”明確提出“將科學探究作為課程改革的突破口”；在“高中化學新課程標準”也提出“以進一步提高學生的科學素養為宗旨……提高學生的科學探究能力……”。由此可見，培養學生的科學探究能力對學生未來的發展有著十分重要的作用！

1 科學探究及能力的概述

科學探究的主要目標是使學生領悟科學探究的思想，培養學生進行科學探究所需要的能力，增進對科學探究方法與過程的理解[2]。

美國學者彼得森對科學探究定義如下：“科學探究是一種系統的調查研究活動，其目的在于發現并描述物體和事物之間的關系。其特點是采用有秩序的和可重復的過程；簡化調查研究對象的規模和形式；運用邏輯框架作解釋和預測。探究的操作活動包括觀察、提問、實驗、比較、推理、概括、表達、運用及其他活動[3]。”上述科學探究的定義和說明啟示我們，要全面理解科學探究的涵義，須把握以下三個方面：

第一，科學探究的本質。科學探究在本質上是科學家用來解決自然領域或科學問題的一種思維方式，它追求知識的確鑿性，即對任何理論不輕信盲從，不迷信權威，而是用證據來證明。

第二，科學探究過程。科學探究是一種過程，有一定的活動程序或階段。無論科學家從事哪一門類或哪一領域的研究，從發現問題到解決問題，都要大體上經過這樣一些類似的活動過程或階段：形成問題、建立假設、制定研究方案、檢驗假設、做結論。正是上述這些活動過程構成了被稱為“探究”的科學過程，進而也成為判斷某種活動是否是科學探究活動的依據。

第三，科學探究技能。美國科學教育促進會（AAAS）在以過程為中心的SAPA課程中[3]， 從各種科學研究活動里抽取出13種過程技能：觀察、分類、應用數字、測量、應用空間與時間關系、交流、預測、推理、下定義、形成假設、解釋數據、控制變量、實驗。 這些技能彼此緊密聯系，統一在探究活動過程中。在實際的化學教學活動中，這些技能則主要是通過完成部分或完整的探究活動而形成和發展的。具體過程一般是：老師創設情景、提出問題，然后引導學生提出猜想和假設，接下來進行實驗設計和操作以驗證假設的正誤，最后得出結論并進行交流反思。學生可以通過完成這些活動來提高其科學探究能力。

這里需要指出的是，科學探究的這三個方面是緊密聯系、不可分割的。科學思維是科學探究的核心和靈魂，對探究程序和方法起統帥作用，支配著探究程序的設計、方法的選擇和使用。探究程序則把各種探究技能有機地聯系起來，形成一個整體。可以說，沒有科學思維，科學探究則是盲目的、徒勞的，而沒有探究程序和方法，則根本不存在科學探究[3]。

2 現階段我國中學化學教學中對學生探究能力培養的現狀及困難

由于科學探究能力對學生未來的發展具有非常重要的作用，所以，廣大教師們無一掉以輕心！為了培養和提高學生的科學探究能力，教師們把能用的方法幾乎都用上了。例如：觀察、實驗、調查、推理、判斷、交流、合作等。但由于化學是一門以實驗為基礎的科學，化學實驗還是進行科學探究或培養學生探究能力的最主要方式。通過實驗，可培養學生的觀察、實驗、思維和自學能力，而這些能力都是科學探究能力的重要組成部分。

那么，具體的現實情況又是怎樣的呢？通過我們對四川省100多所中學化學課程教學調查情況來看，大致可從教師演示實驗、學生分組實驗和家庭小實驗這三種類型實驗的實施情況來了解現階段中學化學教學中對學生探究能力培養的現狀及困難。

演示實驗是由教師根據教學內容在課堂上進行現場操作的實驗。其目的是通過實驗讓全體學生觀察實驗現象，從而提出疑問、獲得結論。成功的、現象明顯的演示實驗可提高學生對化學的學習積極性和參與程度，體現實驗過程的真實性、科學性，對培養學生的觀察能力和探究能力都有著重要的作用。因此，演示實驗是目前在培養學生探究能力方面用得最普遍的一種手段。但是，在實際教學中，由于有些實驗裝置太復雜、操作難度大、藥品有毒性、反應時間長、現象不明顯，甚至有些實驗本身還有危險，所以，很多探究性實驗在實際的教學過程中都變成了老師講實驗，學生根本無法親身體驗科學探究過程，對學生探究能力的培養也就成了紙上談兵！

學生實驗在實際教學過程中，能讓學生親自去完成的機會就更少了。有些學校是因為經費問題而未開設；有些學校則是因為教師嫌課時太緊而直接省略；更有學校因為嫌學生動手能力太差、不能順利完成實驗而干脆直接取消……總總原因使得學生實驗在實際教學活動中能夠真正落實的情況實在太少，這使得通過學生實驗培養學生的科學探究能力幾乎成了一句空話。

而比演示實驗和學生實驗更不能得到落實的則是家庭小實驗。因為這類實驗是由學生回家自己操作，教師一般不會做硬性要求！自覺的學生覺得學習時間太緊而不做，懶惰的學生因為貪玩也不會做。所以，這類實驗能夠落實的幾率非常微小，想通過這類實驗培養學生探究能力的愿望也幾乎無法實現。

2 培養學生探究能力的新方法

為彌補化學實驗存在的不足，目前市場上已開發出了幾種課件。第一種是傳統的線性演播型課件。這類課件雖然克服了“現象不易觀察”這一缺點，但是使用者卻只能象看電影一樣去觀摩實驗現象，而無法主動參與到整個實驗過程中去；另一種是所謂的交互型課件。這種課件改變了傳統的自動播放模式，使用者可以通過在課件中設置的播放、暫停、返回等按鈕來實現對課件的控制，但是這類課件的交互僅僅停留在讓課件使用者去控制設計好的實驗步驟上，使用者不能隨意改變實驗進行的方向[4]， 因此也無法主動參與到整個實驗過程中去。所以，這類課件的交互性弱、創新性差，仍在一定程度上限制了學生的自主性，在對學生探究能力的培養方面所起的作用也微乎其微。

筆者根據多年一線教學的經歷開發出的一種新型教學課件—交互仿真智能性教學課件不僅能提高學生的學習興趣，而且還能加深學生對學科知識和原理的理解，并且有效地培養學生的科學探究能力。

2.1交互仿真智能性教學課件的定義

交互仿真智能性教學課件是適合于教師和學生使用的課件，有別于經典的人工智能教學軟件，是信息技術教育應用的一個新方向。

該類課件中，交互是指通過教師（或學生）對計算機圖形元素的操作以實現某一特定教學目標的過程；仿真是指盡量再現真實場景和現象；而智能性則是指對用戶的操作路徑進行跟蹤，并具有作出相應反饋及評價的功能。有了這種及時的反饋，學習的過程就變成了一個漸進的嘗試錯誤的過程，在這個過程中，錯誤的反應逐漸減少，而正確的反應最終形成。

由此可見，交互仿真智能性教學課件是指用戶可以通過自己的操作這一境況，激起完成具有一定目的的教學課件的反應，由計算機根據用戶的操作及時做出反饋，最終通過觀察判斷模擬的真實場景和過程，實現用戶自身知識結構中某一知識點的意義建構。

2.2 交互仿真智能性教學課件的具體案例介紹

我們開發了很多這類課件，并已逐步運用到了實際的化學教學活動之中，獲得了很好的評價。下面就以九年級化學“CO還原CuO”實驗為例，來簡單介紹該類課件是如何培養學生的探究能力的。

2.2.1“CO還原CuO”實驗在教材中的地位

CO的性質是九年級化學上冊“第六單元碳和碳的氧化物”這一單元的重點內容之一。而設置“CO還原CuO”實驗的目的則是讓學生通過觀察實驗現象而總結出CO的還原性，了解CO的毒性，鞏固CO的可燃性知識，并對尾氣處理的方法做一定的了解。所以，該實驗旨在培養學生的觀察、提問、實驗、比較、概括等科學探究能力。

2.2.2“CO還原CuO”課件的具體介紹

2.2.2.1 導航條

課件設計的有導航條，其中包括“上一步”、“實驗內容”、“實驗原理”、“思考練習”和“下一步”5個按鈕，這些設計可使學生在做“實驗”時知道要做什么和該怎么做，以免手忙腳亂。學生在導航條的指導和幫助下進行“實驗”（即通過鼠標操作交互仿真智能性教學課件），不僅能比較獨立地實現對該知識點的意義建構，而且還能提高學生的自學能力。若能長期堅持下去，其科學探究能力的提高則是顯而易見的。

2.2.2.2 場景

課件的場景部分類似于化學實驗室里的實驗桌面。我們的“實驗”都是在這里完成的。例如：下圖1就是“CO還原CuO”實驗的場景之一——儀器的組裝。

圖1 儀器的組裝

圖2 正確的實驗裝置圖

2.2.2.3 課件優越性的具體體現

交互性 ：課件場景中的對象（儀器、藥品等）可通過鼠標的拖動或點擊來實現儀器的移動、酒精燈的點燃等動作，這在組裝實驗儀器的過程中顯得尤為重要。例如：在如圖1所示的場景中，學生可用鼠標拖動圖中的任一儀器進行組裝，若組裝錯誤，課件會自動提示。組裝完以后，學生若要檢驗自己是否組裝正確，則可點擊“下一步”按鈕，進入圖2所示的場景，然后與正確的實驗裝置對比。此步操作可在一定程度上培養學生的實驗能力和比較能力。

仿真性：盡量再現真實的實驗過程和實驗現象等，以彌補實驗現象不易觀察的缺點。在該課件中，學生可以清楚地觀察到黑色的CuO粉末變紅、澄清的石灰水變渾濁以及處理尾氣時CO燃燒時的藍色火焰，學生通過觀察這些實驗現象可以大大提高其觀察能力。

智能性：通過對用戶的操作路徑進行適時跟蹤，并作出及時地反饋，以達到智能地判斷實驗的步驟是否正確、操作是否規范等目的。例如：實驗開始時，學生既可先點燃酒精燈加熱試管，又可先點擊“通入CO”再點燃酒精燈。因此，課件對這兩種不同的操作做出了不同的反應：如果學生先去點酒精燈，酒精燈是不會燃的；而先點擊“通入CO”，再點燃酒精燈，則酒精燈就會立即燃燒，并且提示學生處理尾氣。另外，在加熱試管時，若通入CO的時間不夠長，或用酒精燈加熱時沒有先預熱，課件又設計了試管會被炸裂的情況。最后，當黑色粉末全部變紅時，課件又會出現“停止通CO”和“停止加熱”兩個按鈕，若先點擊“停止通CO”，或點擊“停止加熱”按鈕后就馬上點擊“停止通CO”按鈕，都會出現試管中的紅色的銅慢慢變成黑色的情況。課件的這些智能設計，不僅使學生把該實驗的步驟和注意事項記得清清楚楚，同時，學生也通過思考產生這些誤操作現象的原因而大大提高他們提問的能力和概括的能力。

可錯性：學生在“實驗”過程中，若某一步操作錯誤，則計算機會自動出現錯誤操作的后果，使學生加深印象；同時，學生又可點擊“上一步”按鈕，重新“實驗”，直到出現正確的結果。例如：學生在實驗結束時，若是先點擊“停止通CO”按鈕而看到試管中的紅色的銅慢慢變成黑色的情況后，學生會意識到實驗步驟錯誤了。此時，學生可點擊“上一步”按鈕重新“實驗”，待“實驗”結束時先點擊“停止加熱”按鈕，過一會兒后再點擊“停止通CO”按鈕，這樣就不會出現試管中的紅色的銅慢慢變成黑色的情況了。學生通過正誤對比，自然會加深印象，同時也能提高學生比較的能力。

可重復性：若學生在“實驗”過程中，對某一實驗現象觀察得不夠仔細，學生也可點擊“上一步”按鈕，重新“實驗”，直到看清楚實驗現象為止。例如該實驗中，若對試管中黑色CuO慢慢變成紅色和澄清石灰水變渾濁的現象沒看清楚的話，學生就可以重復一次或多次進行“實驗”以便重新觀察，而這樣做也不會浪費太多時間。

該課件的這些特點，使它不僅能夠顯著提高學生的學習興趣，還能有效培養學生的觀察、提問、實驗、比較和概括能力，使學生不僅能在愉快的學習環境中掌握科學知識，而且還能有效提高科學探究的能力。

3 結束語

培養科學探究能力是新課程改革的靈魂，是開展研究性學習的出發點和歸宿。交互仿真智能性教學課件具有獨特的優勢，它在化學教學中的應用能為培養學生的探究能力起著極大的輔助作用。因此，它是近年提出的一個計算機輔助教學全新的發展方向，是對傳統學科教學的補充，也是IITC（Integrating Information Technology into the Curriculum 信息技術與課程整合）階段的新生力量。

使用該課件的宗旨是培養學生的思維能力，而不是動手能力。因此，它的應用不是代替、也永遠不可能代替真實實驗！但是，如果我們能將該類課件與真實實驗合理、有效地結合起來的話，必然會大大提高教學效率和學生的探究能力，并將對發展我國的教育事業有著極其深遠的意義！

參考文獻：

[1]教育部制訂.全日制義務教育化學課程標準(實驗稿)[M].北京:北京師范大學出版社，2001.

[2]科學探究（過程、方法與能力）.[DB/OL]. http://www.1088.com.cn/200111/ca542.htm.

[3]科學探究的技能方法. [DB/OL]. http://www.blog.edu.cn/user1/17619/archives/2005/350619.shtml.

[4]任建華，冉鳴.全交互智能化化學課件及實現方法淺析[J].化學教學，2006，（9）.

[5]桑代克. 教育心理學概論[M]. 商務印書館出版社.1926.

[6]劉源，陳琰君，冉鳴.淺談交互仿真智能性教學課件的開發[J]. 中國教育信息化(基礎教育). 2007，（6）：32-34.

[7]何克抗.信息技術與課程深層次整合的理論與方法[J]. 電化教育研究. 2005，（1）：7-15.