计算机模拟在化学学习中的应用

【摘 要】兴趣是学生积极主动学习的源动力,如何激发学生学习无机及分析化学的兴趣,调动他们的学习热情,在无机及分析化学课程教学中显得尤为重要.对于如何激发学生学习无机及分析化学的兴趣,笔者结合几年的教学经验,在本文中提出了几点具体措施.

【关 键 词】计算机模拟；化学

一、引言

在当代社会,要想在生存的环境中对自己的健康和幸福做出明智的判断,化学教育被认为是至关重要的.但是化学教学情况不容乐观,许多学生对化学甚至科学都不感兴趣,只是尽可能少的选择一些必需的科学课程进行学习.在过去几年中,人们期待通过以计算机为基础的教学氛围能够培养并提高学生的学习兴趣多媒体材料的使用也被认为是顺理成章的事情了,多媒体可以提供积极主动学习的有利条件、情境教学和可视化的说明复杂的概念,致使在健全的教学实践中配备多媒体就成为水到渠成的事.

二、计算机模拟在化学中的应用

现在,化学教师可以使用复杂的多媒体,其可提供可供学生观看和互动的现象和过程的模型.对于一些静止状态的教科书难以表征但对理解事物运行至关重要的动态理论实体,利用这些模拟可得到形象的表征.通过提供学生处理复杂体系和通过自己的研究识别模式的机会,这些模拟可促进主动学习.当与模拟互动时,学生可参与到科学推理的过程,例如题目说明、检测设生成、实验、观察和数据解释.因此,C不仅仅能够帮助学生理解化学现象,还可以培养学生探究和解决问题的能力.

但是现在化学教师们现在总是致力于发展和传播分子水平化学过程的电脑动画制作和模拟,往往忽略了哪种模拟特性才能更好的帮助学生.特别是在模拟设计上,教师们只重视了表述的科学严谨性,忽略了设计特性是否适合学生学习.化学模拟的设计和形成应该建立在学习理论、认知力和多媒体的研究以及化学教育最佳做法的基础上.将学生结合进化学模拟的过程中,采取迭代设计过程,对于模拟的实用性不断测试和改进完善.这样制作出来的模拟结果,有些地方是与仅以化学专家的观点制作模拟时通常接受的方式相违背的.例如,在模拟中应尽量减少符号的使用,而以文化熟悉的图标代替；支持探索而避免使用已经制定出的例子；在整个模拟中使用一致的界面.

三、如何将计算机模拟应用到化学教育中

在模拟的设计和改进过程中,我们可参考Gabel（1999）和Johnstone（1982）的研究成果,他们曾对“不同级别表示形式”的思想以及其在化学家理解世界过程中所起的作用都进行了研究.Gabel认为化学现象最初是在可见的或宏观层面进行感知的,这也是人们体验化学的方式.但是这些现象却通常被化学老师用亚显微水平的原子和分子的特性和行为来进行解释.化学老师通常会使用符号、公式和方程式等展现这些宏观和亚显微水平,从而进一步使简单问题复杂化.化学教育的一个中心目标是协助学生掌握这些不同形式的表征.正如Kozma所认为的,理解和使用这一系列的表征不仅仅是化学老师应该做的一部分,从更深远的层次上讲,这就是化学.Kozma和Russell认为学生进行不同层次上的认知可成就他们的表征能力.所以,我们在模拟时应注意,用叙述的形式表征观察到的,用代表性的粒子模型进行解释,用符号展现现象和解释之间的联系.

（1）可见的现象：用叙述法介绍每天的经历.科学的基础是用理论和模型解释观察到的现象.给学生介绍需要解释的现象时叙述是一个很有利的工具.在模拟中,用叙述展现熟悉的现象,学生可通过与运动粒子动态解释模型的互动来探究它.结构上,我们的叙述是典型的流派：它们要有完整的开头、中间和结尾；融入制作人的意图；作者和读者协作确定最终结果.研究表明,人类是基于叙事结构的思考组织事件,并在不知不觉中把时间和因果关系强加于事件的逻辑语义关系结构.叙述被认为是最为学生熟悉的形式.

（2）展示一个解释性模型.以教授分子动力学理论及相关主题的概念时为例.这个理论需要学生理解物质是由恒定运动的粒子组成的,多媒体就可以用视觉上的动态方法表达这种思想,这是静态的教科书无法做到的.通过交互式计算机模拟展示一个解释性模型可给学生提供一个积极的学习经验,是学生完全投入进去,这个模型有可能是不切实际或不可能的.在这个例子中,我们的模拟可形象的展示粒子的行为,但实际上是看不到的.描述颗粒模型

（3）符号表示.文字和符号在模拟设计中都是重要的要素.每个解释性模型都要有一个变量关系示意图.创作和解释图形的能力在学习科学中是重要的技能.根据原始数据绘制图形可帮助科学工作者进行认知和解释,还可以直观系统的观察大量数据.在我们的模拟中,还应该将学生引入化学定量方面,这也是国家标准关注的方面.

在一个模拟中应该融合了以上三个层次的表征：可见,解释,和符号.以相变的模拟为例：在可见层次,相变可通过一段女主人公和哥哥试图给水加热制作热巧克力的叙述引入.这段叙述可将相变融入学生熟悉的日常生活实践中.在解释层次,可提供相变（液态向气态）分子动态行为的粒子模型来形象的表征.其中可用不同颜色的点代表容器内的不同气体分子,炉子代表加热,插进容器内的温度计代表温度.在符号层次,基于颗粒模型每个用户操作的数据可生成一个图形.