化学组《多媒体环境下的化学实验教学》

发表于2002年11月中学化学国家课程标准及实验教材研讨会，获晋江市课例方案设计一等奖
一、 课题的背景
《中共中央、国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》中指出：“全面推进素质教育，培养适应二十一世纪现代化建设需要的社会主义新人，是事关我国社会主义事业兴旺发达和中华民族伟大复兴的大局”。素质教育说到底是促进人的发展的教育，尊重、发展学生的个性，开发学生潜能是学生获得发展的根本，那就是教育的功能应该最大程度地开发人的潜能，发展人的个性，树立以“发展为中心”教育观。
      化学是一门以实验为基础的科学，化学实验教学作为中学化学教学的主体，从根本上决定着化学学科中素质教育的落实情况。因此，化学实验教学中如何落实以“发展为中心”的教育观，应是当前化学教学改革的重心。计算机多媒体技术在课堂教学中的应用给电化教学带来了新的途径和方法。计算机多媒体可以适时地综合处理声音、文字、图形、图像等多种信息，不仅有静态信息的形式，而且还有动态信息的属性，它可以化抽象为具体，化复杂为简单，完成传统教学所不易或不能完成的教学任务，特别是利用计算机多媒体动画进行模拟实验，为化学实验教学开辟了新的天地、创造了新的模式，实施该课题具有较高的理论价值和实践意义。
二、课题理论依据
2．1建构主义理论：
当今，学习的建构主义正在流行，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情景即社会文化背景下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。具体地说，就是把多媒体计算机和网络通信技术当作建构主义学习环境下的理想认知工具。目前，许多学校普遍具备有多媒体计算机和计算机教学网络系统，由于多媒体计算机和网络通讯技术所具有的多种特性特别适合于实现建构主义学习环境，换句话说，多媒体计算机和网络通讯技术能有效的促进学生认知结构的形成与发展，即可以作为建构主义学习环境下的理想认知工具。特别是随着多媒体计算机和Internet的飞速发展，建构主义学习理论愈来愈显示出其强大的生命力。
随着建构主义学习观的影响不断扩大，人们对建构主义的认识也越来越深刻和全面。这集中表现在两个方面。一是认识到建构主义不是一种适应某些条件的教学策略，而是一种学习哲学，因此说，建构主义学习环境必然是合理的，合理有效的学习环境也必然符合建构主义原则的。二是对建构主义教学理论中学习的认识不再只局限于物理环境（场所），影响学习环境的软环境（如：学习任务以及学习任务的管理策略）被认为是建构主义学习环境的核心。建构主义教学理论特别强调学习环境的设计。建构主义学习环境是一种支持学习者进行建构性学习的各种学习资源的组合。其中学习资源不仅包括信息资源、认知工具、人类教师等物理资源外，还包括任务环境等软资源。任务情景在学习环境中起着集成其它各种学习资源的作用。
在化学教学中，建构主义起着重要的作用：
①建构主义学习环境可以提供多种外部表征，学习材料的多种外部表征有利于知识的获取和应用。
②建构主义学习环境提供丰富的认知工具。
③建构主义学习环境体现任务情景的真实性，真实性的任务可以整合多种知识技能，有助于学习者用“真实”的方式应用知识。
④建构主义学习环境符合学习者控制与程序控制、教师控制相结合的原则，学生的学习不是被动接受的过程，而是主动建构的过程。学生的学是内因，教师的教是外因，教师的教只有通过学生的学起作用。只有学生自己才知道如何学习、学习什么。完全的程序控制、教师控制或完全的学习者控制都不会完全适合所有的学生。是采用学习者控制还是程序控制、教师控制取决于学生的能力水平、学习动机、认知风格等等多种因素。教师要根据学习者各自不同的特征决定采取什么样的教学控制策略。
⑤建构主义学习环境体现了个别化学习和协作式学习相结合。
⑥建构主义学习环境体现了知识获取与思维训练相结合的原则，重视培养学生的创新能力，反对教师用固定的框架限制学生的思维。
多媒体计算机和网络通讯技术能有效的促进学生认知结构的形成与发展，即可以作为建构主义学习环境下的理想认知工具。建构主义学习环境是一种支持学习者进行建构性学习的各种学习资源的组合。在化学教学中，建构主义起着重要的作用。
多媒体教学，可以培养学生的观察能力、思维能力、分析问题和解决问题的能力等素质。在化学教学中，利用多媒体演示来增强教学信息的表现能力；教学的表现方式具有多维性和直观形象性的特点，更加便于学生学习。
 2．2现代教学设计理论：
        现代教学论认为：在教学过程中必须遵循一些基本的教学原则，其中巩固性原则是一个重要的教学原则。巩固性原则要求引导学生在理解的基础上牢固地掌握所学的知识和技能，使所学的知识和技能持久地保持在记忆中，当需要时，能准确无误地再现出来，加以运用。历代的许多教育家都很重视知识的巩固，孔子就说过：“学而时习之”，“温故而知新”。知识的巩固也是学生接受新知识的基础。知识的巩固又是学生运用知识于实际的必要条件。整体结构教学是加强知识间有机联系的一种教学方法，学过的知识常常会被联系在新课之中，达到了“寓复习于平时教学之中”，使所学知识有足够的厚度和立体性，充分体现了这一教育原则。
       多媒体教育系统，把多种媒体信息集成于一体，并与其他教育要素（教师、学生等）共同作用，构成合理的教育系统结构，使整体功能大于各部分功能之和，达到系统优化的目标。着眼于信息加工的学习理论认为，人是能动的信息加工者，人的认识是由外界刺激和认识主体内部心理过程相互作用的结果，学习过程可解释为每个人根据自己的态度、需要、兴趣和爱好并利用过去的知识与经验对当前的学习内容作出主动的、有选择的信息加工过程。由于信息的多媒体化，为学习者提供了丰富多彩的刺激，可促使学习者多种感官参与并发挥作用。教育传播系统地研究与探索教育信息传播现象、过程和规律性。
2.3主体教育论：
      强调尊重学生的主体地位，发挥学生在学习过程中的自觉性、自主性和创造性，以培养学生的创新精神，最终培养学生成为能进行自我教育的社会主体。
2.4学科结构论：
美国当代著名教育心理学家布鲁纳在他的《教育过程》中明确提出了学科结构论的课程论和教学论思想。他指出：“不论我们选 教什么学科，务必使学生理解该学科的基本结构”，“学习结构就是学习事物中怎样相互联系的”。他认为学生掌握学科的基本结构，有利于对知识的理解和记忆，有利于知识的迁移，能够缩小“高级”知识和“初级”知识之间的差距。一个良好的结构就是一个有序的系统，在这样的系统中，信息可以有效地储存、加工和输出。
学科结构论在教学上提出了一系列具有重要指导意义的主张，他强调学习的准备，重视基本概念、基本理论的早期渗透；突出基本概念和基本理论在教学中的中心地位；重视知识原理的迁移；重视激发学生的学习兴趣；重视引导学生发现学习等。这些思想应用于我们的高中化学教学实践，就是要把知识的整体化、结构化渗透教学全过程。
三、课题的实验方案
3．1研究的目的
3．1．1在保证完成国家教学大纲规定的各项教学任务的同时，运用学科的建构主义理论、现代教学设计论和原理，探索一条适合素质教育要求，全面提高化学教学质量的教学方法新路子。
     在中学化学教学中，努力改变传统的化学教学模式，应用建构主义进行化学教学设计。应用多媒体软件帮助化学教学，起了极其重要的作用。
现代基础教育以全面发展学生素质为目标，在以创新精神和实践能力为重点的素质教育中，我们不难发现，传统的教学模式偏重于学科知识的机械记忆，浅层理解和简单应用层面上开展教学活动，学生是知识的接受者，很少有机会成为学习的主体。这样，学生的学习层次如何得到提高？"素质教育进课堂"如何有突破？
随着教育的改革，在小学基础教育中，要站在转变学生学的方式的着眼点，必须先着手转变我们教师自身的观念和行为方式。
在传统教学中，教学目标是教师在讲解中传授给学生的；而在个别化教学中，学生使用课件自主学习，教师减少或不直接参与教学过程，所以教学目标必须由学生自己找到。上课时，教师必须提醒学生先弄清教学目标再进行学习。
在化学教学中，利用多媒体演示来增强教学信息的表现能力；利用计算机支持异质分组学习，有助于适应学生在学习速度方面的差别；利用自动化练习手段，可以提供及时的反馈；利用网络支持教学通讯，可以使教师随时了解学生的学习动态，并促进学生之间的相互交流。
学习者可以按照其个别差异进行个性化学习，实现个性化发展；学习者可以根据自身的能力水平自定学习速度；学生可以根据自身兴趣等特点选择学习内容，满足个人需要；此外，个别化教学还具有友好的人机交互方式，是学习兴趣和动机提高；教学的表现方式具有多维性和直观形象性的特点，更加便于学生学习。
讨论网络教学的优越性，以及化学教学中应用多媒体教育的重大意义及发展趋势。多媒体网络教学是应用多媒体技术，通过多媒体教学信息的收集、传输、处理和共享来实现教学的教学模式。网络教学有利于因材施教。多媒体教学软件是一种根据教学目标设计的，表现特定的教学内容，反映一定的教学策略的教学程序，它可以用来储存、传递和处理教学信息，能让学生进行交互操作并能对学生的学习情况做出反馈评价的教学媒体。根据当前多媒体教学软件所存在的具体问题，利用建构主义学习理论知道教学软件的设计显得特别重要，特别是对化学这样一门实验学科更具有重要的意义。
3．1．2发挥高中化学学科的整体育人功能，整体优化高中化学教学的全过程、使高中化学教学真正实现由应试教育向素质教育的转轨，提高学生化学素养。
利用计算机多媒体综合处理声音、文字、图形、图像等多种信息，它可以化抽象为具体，化复杂为简单，完成传统教学所不易或不能完成的教学任务。利用计算机多媒体创造虚拟实验，用于实验的预习和复习能收到较好的效果，利用多媒体的动画还可以“解剖”某些复杂的实验仪器（如启普发生器，分液漏斗等）。让学生了解仪器的组成、结构特点和使用原理，使学生对常见仪器的使用有深刻的了解。计算机多媒体实验软件还可以用于学生的课后复习，在课下重新观察某些忘记了或者没有看清晰的实验内容，可有效地提高复习效率。利用计算机多媒体可展示课堂演示实验无法演示的宏观的、微观的、极慢的、极快的化学过程，运用计算机多媒体可以突破时间和空间的束缚，进行仿真演示，从而将这些化学过程形象、生动地展示给学生，以提高学生的学习兴趣，增强主动参与学习的意识，同时又能使学生加强认识、深化理解、提高学习能力，提高学生对信息的获取、分析、加工和利用的能力，形成具备信息素养，为将来的学习、工作和生活打下基础。“探究式”教学模式强调学生获取知识的过程，使学生由被动接受知识变为主动去获取知识，在探究规律的过程中培养学生的观察能力、动手能力和创新能力，让学生学会发现问题，解决问题。在解决问题的过程中培养学生学习的兴趣，全面提高学生分析问题、解决问题的能力。教师如何以知识为载体，MCAI为新的手段，来教授学生的学习方法，培养学生自我汲取知识的能力，是本课题的研究目的。
3．2研究的意义
多媒体环境下的实验教学促进了课堂教学模式的变革。“教学模式”是对课堂教学整体进行科学研究的方法及表现形式，由教学目标、教学内容、教学过程、教学评价等要素构成。根据师生在课堂教学中的地位和作用，可以把教学模式分类。“一支粉笔写天下，三寸讲台说春秋”是以教师为中心的课堂教学模式，这种模式是传统的教学模式。另一种是师生合作的教学模式，教师的主导作用在于组织、引导、点拨；学生要通过自己的活动，通过观察、实验、归纳、抽象概括等手段，提出假设、验证假设，获得知识。它充分发挥了教师的主导作用、体现了学生的主体地位。
多媒体教学软件是一种根据教学目标设计的，表现特定的教学内容，反映一定的教学策略的教学程序，它可以用来储存、传递和处理教学信息，能让学生进行交互操作并能对学生的学习情况做出反馈评价的教学媒体。根据当前多媒体教学软件所存在的具体问题，利用建构主义学习理论知道教学软件的设计显得特别重要，特别是对化学这样一门实验学科更具有重要的意义。
1、制作有关多媒体化学教学软件可以突破简单的演示型模型，体现知识的意义建构过程。随着教学改革的深入，多媒体技术已成为进行教学改革的突破口，多媒体教学软件在新型的教学模式中已经作为学生学习的一种认知工具。因此，在多媒体化学教学软件的设计中，既要重视教师的教学过程，也要重视学生的认知结构，要突破简单的演示模式，而将教学软件设计制作成为学生探索和发现学习的工具。
一般的化学演示实验，对周围的环境造成很大的污染，而且实验现象并非向想象的那样完美，应用多媒体制作化学教学软件，可以避免污染，而且可以使化学实验现象达到理想的完美状态。对于今天我所设计的一个Flash动画实验，描述的是一个有机反应的历程。如果没有多媒体，化学实验室中的常规实验无法做到，这是一个很抽象的实验过程，如果用Flash动画来演示，学生则一目了然，可以达到良多媒体环境下的实验教学是应用多媒体技术，通过多媒体教学信息的收集、传输、处理和共享来实好的教学效果。
2、重视问题与回答方式的设计，提高学生的主体参与程度。在课上尽量提出问提，高水平的问题能引发学生进行有效的思考，理解事物之间的关系与规律。设计灵活多样的回答方式，为学生提供表达意见的环境，充分体现学生的主体地位。
3、加强对学生的引导和帮助，促进学生对知识的意义建构。通过对学生自住学习的引导、协商学习中所提供的帮助以及评价练习中所出现的提示语言，促进学生对知识的意义建构。
4、提供丰富的媒体资源，创设有意义的学习环境。丰富多彩的多媒体资源可以为学生创设有意义的学习环境，扩大学生的知识面。在制作软件的过程中，我也深刻的感觉到，教师制作多媒体软件可以使教学效果突出，但是让每一个教师都去制作软件是不现实的。因为有些教师在这方面很是欠缺；即使是会做软件的教师，也不可能有时间做每一节课的教学软件。有了多媒体资源，大家可以相互借鉴，相互引用，达成资源共享的良好局面。
5、多媒体计算机的应用有重大的意义。多媒体计算机的交互性有利于激发学生的学习兴趣和认知主体作用的发挥，人机交互、立即反馈是计算机的显著特点，是任何其它媒体所没有的。这样一种交互式对于教学过程具有重要意义，它能够有效的激发学生的学习兴趣，使学生产生强烈的学习欲望，从而形成学习动机。交互式是计算机和多媒体所独有的，正是因为这个特点使得多媒体计算机不仅是教学的手段方法，而是成为改革传统教学模式乃至教学思想的一个重要因素。
6、多媒体计算机提供外部刺激的多样性有利于知识的获取和保持，利用多媒体的超文本功能可以实现对教学信息俄组织与管理，可按教学目标的要求，把包含不同媒体信息的各种教学内容组成一个有机的整体；可按教学内容的要求，把包含不同教学要求的各种教学资料组成一个有机的整体。
3．2研究范围：
人民教育出版社高中化学第一、二、三册。体现立足于人民教育出版社版本进行教学模式的改革。
3．2．1研究内容：
(1)制作题为“环境保护—绿色化学”多媒体网页，搜集有关环保资料，形成学校网络资源；(2)开发、制作和应用有关化学实验教学的多媒体课件；(3)探究一种能提高课堂效率的方法，采用多媒体、计算机辅助教学、网络教室幻灯、结合实验等现代化手段，达到加大课堂教学密度，高效率地向学生传递信息的目的，激发学习兴趣。(4)探索在环境保护概念及多媒体环境下的中学化学实验的改进；
3．2．2研究对象：课题组老师所教班级的学生。
3．2．3采用资料： 人民教育出版社高中化学第一、二、三册；实验教学研究资料；网络资源；
3．3研究步骤方法：
3．3．1研究步骤
(1)准备阶段：2001.10—2002.5搜集资料， 制定课题。
(2)启动阶段：2002.5—2002.6制定课题研究计划，制作出化学课题网页     
(3) 实践阶段：2002.5—2003.5开发与制作多媒体课件及课件应用于教学实践中
(4) 总结阶段：2003.5—2003.10总结教改实验成果、撰写报告论文。
3．3．2研究方法：本课题以行动研究法、问卷调查法进行。包括研究计划、行动实践、课堂考察、学生反馈、计划调整等若干方面。
(1)行动研究法：从实际工作需要中寻找课题，在实际工作过程中进行研究，由实际工作者与研究者共同参与，使研究成果为实际工作者理解、掌握和应用，从而达到解决实际问题，改变社会行为的目的的研究方法。
     (2)问卷调查法：是以预先设计的一组与调查目标有关的问题用书面提问的方式，通过被调查者的回答来收集资料的教育调查方法。
3．4研究成果及表现形式
3．4．1研究表现形式：
 1、初步建立起化学资源库
信息化教育资源是信息化教学活动赖以进行的根本。课题组一直把资源库的建设当作课题研究的基础性工程予以高度重视。我们依托组内的资深教师，将各种资源加以整合，初步建立起化学教学资源库，为展开信息化教学奠定了牢固的基础，同时在全组教师协作下建立了专题网站”绿色化学与环境保护”。 
   2、 开设实验及网络课
      本课题研究的主要方法是行动研究法，开设实验及网络课的主要研究步骤之一。自开展课题研究以来，课题组已成功开设二节实验课。
      2002年5月23日，张景松老师《气体制备与性质实验》实验课成功举行，近几十名教师参加了本次听课活动。整节课在多媒体与中学化学教学的整合上取得巨大成功，受到听课老师的一致好评，这给课题组全体成员以极大的鼓舞。
      2002年5月30日，曾达颖老师网络课《绿色化学与环境保护》在我校科学馆四楼一间网络教室里如期举行并获得成功，来自校教研室及校评议组、校课题组、其它教研组等共近几十位老师参加了听课、评课活动。课后，课题组主持召开了化学教研组全体老师参加的评课活动，许多老师一致认为这是一节成功的课题实践课，该实验课把高考中环境污染与实验改进这两个热点与网络教学进行整合，在这节课的教学中，教师将网络作为学生获取资源、自主探究和意义建构的工具。采用“主导---主体”的设计模式，取得了良好的效果。其教学流程为：“情境导入---引导探索---自主发现---总结提升”。对如何将多媒体与化学创新教学相整合作了有益的探索，在引导学生自主性学习方面跨出一大步，提高了学生动手能力。
2002年9月份，曾达颖老师网络课《绿色化学与环境保护》获得中小学信息技术网络课件二等，全国中小学计算机典型课件案例三等奖。
      课题组就第一轮行动的得失进行认真探讨，一致认为第二轮行动的侧重点应在于通过创建信息化学习环境，引导学生采取自主性学习方式。课题组全体老师建立了化学专用网站，为学生创设了自主学习的环境，提高了学生的化学学习兴趣。
      通过以上两节课题实验课的开设，使课题组成员对多媒体与中学化学教学整合的模式有了更为清晰的认识，初步构建起新型的课堂教学模式，包括演播型和网络型的教学模式。
3、建立化学组网页：
3．4．2研究成果：
 1.、教学论文
   开展课题研究以来，课题组成员加强理论学习，撰写并发表了多篇有关信息技术与学科教学整合的论文，其中（含省级获奖论文）四篇。
 （1）《如何进行新教材的教学》（作者：颜巧艺）
 （2）《立足基础培养能力提高素质》（作者：李勇）
 （3）《绿色化学对中学化学教学挑战》（作者：曾达颖）发表于2001.5省化学论文研讨会三等奖
  （4）《计算机辅助化学教学探索》（作者：曾达颖）——2000.5省化学论文研讨会三等奖
 2、公开课
    开展课题研究以后，我校数学教研组在理论指导下，在实践中大胆探索，在运用信息技术改革课堂教学以培养学生创新能力等方面作了有益的探索，两年来，我校化学教师在各级公开课、说课观摩评比活动中都取得优异的成绩。
 （1）《物质构成》（执教者：曾达颖）——泉州市优质课，省化学课件二等奖
 （2）《原电池》（执教者：颜巧艺）——泉州市优质课，省化学课件一等奖
 （3）《“高一化学实验复习”多媒体环境下实验课》张景松
 （4）《绿色化学与环境保护网络课》曾达颖——荣获学校公开课一等奖。并选送参加国家级“全国中小学基于网络环境下的教与学暨高中研究性学习”课题案例课评选，并获得全国三等奖。
3、课件及专题学习网站
    开展课题研究以来，课题组成员制作了若干质量颇高的课件及学习网站，有力地促进了课题研究的顺利进行。
    (1)课件名称：《原电池》。作者：颜巧艺。获省化学课件制作比赛一等奖
    (2)课件名称：《物质构成》。作者：曾达颖。获省化学课件制作比赛二等奖
    (3)课件名称：《气体制取与性质实验》作者：张景松
    (4)课件名称：《离子反应  离子方程式 作者：黄明皆
    (5)专题网站名称：《绿色化学与环境保护》，作者：曾达颖。获中小学信息技术网络课件二等奖。
3．5研究组织形式
3．5．1每周学时数：按国家规定学时数授课，保证实验班级与年级段其他班级周学时数相同。
3．5．2授课形式：按照普遍的班级授课制，实验教师的授课班级按照一般教师的满工作量。
四、阶段研究得失谈
   要实现化学实验教学与多媒体的进一步整合，还有许多问题需要我们在今后的教学实验中继续探讨，如对网络资源如何充分利用，课堂上如何腾出更多的时间给学生自主探究，以及如何制作出具有更大互动性的多媒体课件等。良好的开端是成功的一半。我们已经迈出了可喜的第一步，在下阶段的研究中，我们将继续总结教训，并汲取他人的成功经验，加强理论学习，以现代教育理论指导实践，争取取得更大的成功。  
结束语：
21世纪，知识经济初见端倪。知识经济的威力迫使世界各国认真分析国情，积极采取对策。在化学中使用多媒体网络教学离我们不会太远，作为跨世纪的化学教师，应不断更新观念，学习现代化的教学手段，完善自身的知识结构，培养具有综合性、创造性的人才。
教育是面向未来的。我国著名科学家钱学森对未来教育作了如此论述：“未来教育=人脑+电脑+网络”。随着高科技的发展，电脑通讯技术与多媒体的科学成果逐步应用到社会的各个领域。多媒体环境下化学实验教学、化学学习是一种趋势，通过多媒体教学特别是网络教学可以培养学生应用电脑快速地获取、处理、检索信息的能力，学会充分利用信息资源，学习相应的知识，培养相应的能力。网络环境下化学课堂教学模式及网络积件设计成为化学教师新的研究课题。