虚拟实验室的混合学习活动综述

一、实验过程设计

混合学习是集面对面教学与在线学习的优势于一体的，对于实验教学来说，究竟如何融合虚拟实验与真实实验的优势进行实验教学？如何分配二者的比例？以上问题能否解决是决定混合学习效果的关键因素[5]。因此，为了解决好虚拟实验室与真实实验室学习比例分配问题，本文将混合学习过程分为四个阶段：预习实验、操作实验、巩固提高、评价与反思(如图2所示)。其中：(1)预习实验阶段主要任务是熟知实验原理、实验目标、实验注意事项等内容，以“实验室制取氧气”为例，由图1的知识建模图可知，预习实验阶段的任务是熟知氧气的化学性质、物理性质以及氧气的组成，学生只有理清了氧气的基本知识，才能较好地辨别两种制取方法间的异同点。(2)操作实验阶段主要分为在虚拟实验室与真实实验室中操作，具体先在哪一个实验室中操作，这主要取决于学生的知识水平和具体的实验类型。(3)巩固提高阶段主要是将本次实验中学习到的知识应用于实际生活中，解决日常生活中遇到的化学问题，并能改进实验，制作简易实验装置。另外，为了培养学生分析解决问题与探究的能力，我们改编一些实验条件，设计与本实验相关的探究小实验，要求学生分组或单独设计实验方案，完成探究小实验。(4)评价与反思阶段始终存在于实验过程的每一个环节中，它支持每一个环节的顺利进行，也为多元化评价学生提供了客观、公正的依据。

二、混合学习活动设计

对于实验教学而言，混合学习活动主要是指在真实实验室和虚拟实验室中开展的活动。如何对学习活动进行分类？美国学者乔纳森将基于问题、项目的学习活动分为探索、阐明和反思三大类，我国学者武法提等通过对网络学习环境下学习者行为的分析，将网络环境下的学习活动分为知识学习、问题解决、策略学习三类[6]。杨开城认为可以从不同角度对学习活动进行分类：从活动的内外化角度可以分为内部和外部活动，从个体群体的角度可以分为个体学习、群体交流、自我管理，从活动与学习目标的内在联系可以分为意义建构、能力生成活动[7]。詹泽慧则从学习活动依托的环境不同将其分为课堂学习活动、在线学习活动[8]。上述学者都从不同角度对学习活动进行了分类，但是具体到实验学习上，如何进行分类？笔者在借鉴上述研究的基础上，根据实验类型与实验目标的不同，将混合学习环境下的实验学习活动分为四类：理论知识类、实验技能类、问题解决类、评价与反思类。实验过程中每一个阶段的顺利进行都离不开学习活动的支持。真实实验与虚拟实验各有优缺点，依据知识建模图中呈现的各知识类型之间的隶属关系，笔者为每一个实验阶段设计了相应的学习活动。如理论知识类活动主要支持预习实验阶段的学习；实验技能类活动主要支持操作实验阶段的进行；问题解决类活动主要支持巩固提高阶段的进行；评价与反思类活动用于培养学生的评价反思能力。各类活动组成了一个相互影响的活动序列，且各个活动间紧密衔接。下面具体阐述每类学习活动的设计方法。

1.理论知识类活动设计

本文中理论知识主要是指事实性知识和概念性知识，事实性知识一般只要求记忆，概念性知识则要求记忆、运用与发现。对于初中化学实验教学而言，理论知识主要是指实验原理、实验目的、实验仪器药品的特性等。由于此类知识的学习是在预习实验阶段进行的，学生也不太重视，鉴于此，为了便于学生记忆与运用事实性和概念性知识，我们在虚拟实验室中，设计了知识卡片、头脑风暴、概念冲突、预习报告等活动。知识卡片是集图像与文字于一体的，卡片分正反两面：正面设计与实验相关的知识点，并配有图片说明；反面设计与该知识点相关的问题及注意事项。这种图文并茂的设计方式，生动形象地为学生呈现了实验原理、实验目标和实验仪器药品等内容。在设计头脑风暴类活动时，笔者主要从问题的难易程度和活动的实施环境这两个方面考虑。如果问题难度过大，就不易调动学生讨论的积极性。另外，无论是在真实实验室还是在虚拟实验室中进行，都需要为学生提供一个较为宽松的思考环境。如图1知识建模图中“氧气的化学性质”知识组块，就可以设计成一个头脑风暴类活动。该活动既可以面对面进行，也可以在虚拟实验室中提供的论坛中实施。如果班级人数过多，可采取分组的形式进行，然后每组派一名代表汇报小组成果。概念冲突主要是让学生解释一个矛盾事件，这有利于激发学生的认知冲突。因为学生原有的认知结构不能同化新的知识，只能重组与改造自身的认知结构。这种引起概念冲突的情境创设方式，有利于推动学生建构知识。这类活动的设计，需要考虑学生的起点水平、认知风格，新知识与学生原有知识间的区别与联系等问题。以“氧气的物理性质”为例，“无色无味、不易溶于水的气体一定是氧气吗？”可设计活动讨论“无色无味、不易溶于水”与“氧气”的关系，引起学生的概念冲突，使其思考其他气体的特点，判断其他气体与氧气的异同点。预习报告是为了评价学生的预习效果而设计的，是为了知道学生是否预习了实验、预习的效果如何、预习中存在什么问题。这类活动需要教师和学生共同参与，学生预习完实验后，应认真填写预习报告，教师需及时地批阅，并将评价结果反馈给学生。

2.实验技能类活动设计

《标准》中明确指出：“化学实验是进行科学探究的重要方式，学生具备基本的化学实验技能是学习化学和进行探究活动的基础和保证。并对实验技能提出了具体的要求，如初步学习分离混合物、制取气体，初步学会取用药品、加热、选择仪器、连接仪器、配制溶液、检验物质、使用化学用语、观察记录、简单计算等”[9]。因此为了使学生习得基本实验技能，本文设计了“观看在线视频”“讲解演示实验”“做虚拟实验”“做真实实验”“改进实验”“填写与查阅实验报告”等实验技能类活动。其中只有做真实实验这一活动是在真实实验室中进行的，其他的均在虚拟实验室中实施。“在线视频”的制作方法有两种：一是下载并修改网络上的优秀实验视频资源；二是通过邀请化学骨干教师做实验，然后将做实验的过程拍摄下来，再添加上旁白及字幕，并剪辑成一个个小的片段，一个片段的长度是4分钟左右。设计成4分钟左右，是为了避免学生因观看过长的视频而引起视觉疲劳、注意力不集中等问题。另外，在设计“观看在线视频”活动时，还要求学生在观看的过程中，回答问题(如典型的实验现象是什么、简要叙述实验步骤等)。在线视频的设计不仅可以熟悉真实的实验仪器，给学生以形象直观的感受，还可减少学生在虚拟实验室中产生的不真实感。“讲解演示实验”主要是针对学生预习报告中出现的问题，由教师向学生讲解实验目标、实验原理及实验的重点、难点、易错点。“做虚拟实验”活动的设计，是在学生完成了预习实验以及教师讲解了演示实验之后进行的，此时学生已经知道了关于实验的基本理论知识。虚拟实验可以为学生提供一个实战前演习的场所，让学生对实验的原理、现象、仪器的使用等有一定的了解，从而可以减少真实实验操作失误的次数。在课后复习的过程中，学习者可能还会遇到一些关于实验仪器的操作技巧、实验现象观察等方面的问题，一般情况下，由于受实验时间、空间和实验仪器药品的限制，再去重复真实实验的过程是不可能的。这时，虚拟实验以其高度的资源共享性、可重复利用性成了学生的好帮手，学习者可以在任何时100教学实践与研究间、任何地点进行自主学习和复习。为了使学生将学到的理论知识运用在实验中，并培养学生的观察能力、操作能力，在虚拟实验中，着重设计了选择实验仪器药品、检查气密性、选择实验方法、组装仪器、观察并填写实验现象、书写化学方程式等项目。另外，为了防止学生抄袭他人的结果、甚至复制粘贴网上答案，笔者在设计虚拟实验时，又添加了监控和限时功能，即将学生操作虚拟实验的过程拍摄下来，这样在评价学生时，可以随机抽取学生做实验的视频片段，一旦发现学生抄袭或态度不认真等问题时，教师会予以提醒、警示；限时功能主要是指对于特定的实验步骤，如组装仪器，将给出时间限制，若在规定的时间内，未完成此操作，则该环节得分计为0分。“做真实实验”这一活动是在真实实验室中进行的，因为虚拟实验会使学生产生不真实感，在培养学生动手能力方面，是不能取代真实实验的。因此在设计该活动时，活动规则与虚拟实验室中也不同，此处主要是要求学生体会虚拟实验与真实实验的异同点、虚拟实验中不能解决的问题在真实实验室中能否解决、做真实实验室存在什么问题等。此活动的设计一般2人一组比较合适，否则人数过多，有些学生或许就成了观望者，没有动手操作实验的机会。当学生在做实验的过程中出现问题时，教师或实验师应给予及时的指导，帮助学生分析出现问题的原因，启发学生想出解决方案，而不是直接指出学生操作失误的原因，因为这是培养学生创新思维、探究能力的较好时机。“改进实验”活动的设计，是为了培养学生的探究能力，要求学生在完成实验后，思考实验装置存在什么问题、能否改进、改进的方法是什么、为什么这样改进等问题，设计改进方案并加以实施，该活动一般以5人为一组较为合适。每个小组先讨论实验装置存在的问题，再设计改进方案并分析该方案的可实施性、存在的风险，必要时可请教指导老师，协助分析该方案的合理性。条件允许的情况下，指导老师需要审阅每组的设计方案，并提出修改建议。“填写与查阅实验报告”活动要求学生完成虚拟实验之后，独自填写实验报告，完成之后由教师进行批阅，然后给出评价结果，学生再查阅实验报告，并根据老师的评价结果进行修改。实验报告的设计和评价方法，笔者已在其他文章中说明，此处不再赘述。

3.问题解决类活动设计

问题解决类活动的设计主要是为了培养学生运用化学知识和科学方法分析和解决简单问题的能力。设计问题解决类学习活动时，应设计好学习活动的问题情境，将具体的活动任务融入到真实的生活情境中，要从学生已有的经验出发，让他们在日常生活中感受化学的重要性，了解化学与日常生活的密切关系。如关于“氧气与二氧化碳的性质”，可设计学习活动为：市场上有一些充气包装的食品，装食品的塑料袋内充满了气体，问袋内充的是什么气体？请学生提出猜想，并说明理由、加以验证。这种设计方法能很好地将化学与学生的日常生活联系起来，提高学生的学习兴趣，使学生感到化学离自己并不遥远。本研究设计的问题解决类学习活动主要有：“探究小实验”“生活中的化学”“化学家发现之旅”等。“探究小实验”和“生活中的化学”活动的设计主要是根据学生已学过的化学实验，设计与日常生活相关的探究实验。比如可设计学习活动：收集有关铁锈蚀造成经济损失的资料，设计实验探究铁制品锈蚀的条件，讨论防止锈蚀的方法。再如可设计学习活动：碳酸钠俗称苏打，碳酸氢钠俗称小苏打，常用于食品和医药工业。请同学们设计简易实验装置对碳酸钠和碳酸氢钠的性质进行探究。此类活动要求以小组的形式进行，一般5人一组比较合适，并在活动前将评价量表分发给学生，既有利于学生清楚该活动具体的评价方法，又能为学生进行探究活动提供一定的方向。该探究活动可分为：提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价、表达与交流等。“化学家发现之旅”活动的设计，主要通过制作视频、动画、图文并茂的电子读物，讲述化学家探索发现的过程，为学生展现化学家们辛勤工作、废寝忘食的情景，以拓展学生的视野，使学生体验化学发现的艰难与化学家的辛劳，学习化学家严谨的科学态度。在开展该活动时，要求学生先观看视频、动画、电子读物，然后回答教师设计好的问题，并将答案到论坛上。“编写‘趣味化学’小故事”活动，要求学生根据化学知识的特点将其编写成一个个趣味化学小故事，如氧气的性质这一知识点，可根据氧气的物理性质和化学性质，编写名为“神奇的氧气”“氧气的自述”等故事。在实施活动前，教师应先在论坛中创建活动区，题目为“编写关于氧气的趣味化学故事”，并给出具体的活动目标、分组方法、时间要求、活动建议。编故事时建议学生：遵从科学、趣味性原则，反应化学知识的特点，故事长度以300字左右为宜。最后将编写好的故事在活动区内，供同学之间学习和评价。

4.评价与反思类活动设计

从实验前的预习阶段到巩固提高阶段，评价始终贯穿于整个实验过程之中：(1)预习实验阶段，笔者设计了评价量规、预习报告等工具，用于评价学生的预习效果。另外，为了防止学生抄袭他人实验结果、任意复制粘贴网上资源等现象的出现，添加了对实验过程的监控和限时功能，将实验过程拍摄成若干个视频片段，教师可以随机抽取实验过程中的任意一段进行评价。(2)巩固提高阶段，针对学生设计的探究实验方案、化学小论文等，可以很好地对学生在该阶段的学习进行评价。(3)评价与反思阶段，主要是通过制作概念图、实验作业、电子档案袋、在线论坛等，对学生在整个实验过程中的表现进行评价。下面简要介绍“制作概念图”“实施在线考试”“设计电子档案袋”等活动的设计方法。虚拟实验、实验报告评价用于跟踪学生的实验过程、记录学生做实验时观察到的实验现象，若学生选择的实验药品不合适，仪器的组装不正确，化学方程式的书写不规范，系统会立刻针对学生的误操作给予反馈，提醒学生规范操作虚拟实验。实验报告的评价功能主要体现在两个方面：一是能自动记录学生在做虚拟实验的过程中填写的实验现象和数据，这些实验现象和数据是自动记录在实验报告中的，学生不能随意修改，也在一定程度上杜绝了抄袭现象；二是对于实验报告中主观性问题的回答进行过滤检测，若两个实验报告的相似度大于60%，则视为无效报告，可自动提醒学生认真、独立地填写实验报告。对于初中三年级的学生来说，化学是一门全新的学科，其中有大量的概念、化学符号和化学用语，这些概念和符号通常比较零散。学生对需要记忆的化学知识组织不好，不能按结构层次排列知识点，对知识内在联系模糊不清，对化学概念知识、方法的总结与运用也有欠缺。为了解决上述问题，笔者设计了“制作概念图”学习活动，因为概念图能清晰地展现概念间的关系，可以帮助学生理清新旧知识间的联系。它既可用于课前预习，也可用于课后的总结复习[10]。可采用徒手方式绘制，也可用Word、Inspiration等软件制作。对于初中化学实验教学来说，由于受到教学时间的限制和中考的压力，一般采用徒手方式绘制较好。在实施“制作概念图”的学习活动前，应明确提出概念图的评价标准，如应在概念之间建立起有意义的联系，能将最高层的概念分解成若干有效的层级，概念之间的联结整合是有效的、有意义和重要的等[11]。“实施在线考试”活动主要设计了单选题、多选题、简答题、设计题，这些题型囊括了初中化学课程的各个知识点，形成了一个比较完整的试题库。并且各个试题是随机生成的，也就是说学生每一次登录系统抽取的考题都与上一次的不同，绝对不会出现两次抽到同一份试卷的可能。在时间设计上，根据题量的多少和难易程度，我们为每一份试卷设计了固定的时间。学生完成实验后，需登录虚拟实验室，进入在线考试，在规定的时间内完成考试内容。将学习反思报告、实验方案、典型作品、教师和同学的评语及期望、学习计划等内容装入档案袋中。通过对档案袋和在线论坛的分析，教师可以发现学生在实验的过程中存在的问题，提供反馈信息；学生也可以通过自评与互评等方式，反思自己的不足并学习同伴的长处。

5.“实验室制取氧气”混合学习活动设计案例

实验室制取氧气有两种方法：排水法和向上排空气法。有四种药品：高锰酸钾、氯酸钾、二氧化锰、过氧化氢溶液，在此选择加热氯酸钾和二氧化锰制取氧气，并采用排水法收集气体。选择这两种药品除了因为它们可以反映实验室制取氧气的基本过程，还有两个原因：一是便于学生了解分解反应的含义，二是有利于学生通过该实验验证催化剂的性质。前面已经介绍了各类活动的设计方法及注意事项，下面以“加热氯酸钾和二氧化锰制取氧气”为例，简要阐述混合学习活动序列的设计。依据活动理论和学习目标分类方法，通过构建知识网络图将知识分成若干组块，然后以实验过程为主线，以虚拟实验室和真实实验室为支持环境，从学习目标、知识组块、活动任务、活动形式与时间分配、学习成果方面设计混合学习活动(如下页表3所示)。

三、结束语

随着《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》[12]的颁布实施，教育信息化基础设施的进一步完善，为进行混合学习提供了有利的条件。混合学习现在已经成为一种趋势，也是当前较为有效的学习方式。本研究仅以初中化学实验教学为例，对基于虚拟实验室与真实实验室环境下的混合学习活动设计方法进行了探讨。由于受到教师、学生信息技术能力、实验时间、资源环境等的限制，混合学习活动在实施的过程中仍存在一些问题，究竟如何解决这些问题、如何在其他学科实施混合学习、如何设计混合学习环境及资源、如何提高混合学习的有效性等还需要进行深入地研究。

作者：王阿习 张学军 朱 敏 杨继林 单位：西北师范大学