刘公园

摘要： 从内容层次、实验情境和学习任务等视角，分析英国皇家化学会开发的“滴定屏幕实验”的适用范围和实用价值，评析这一交互式仿真化学实验学习工具内容设计的特點，旨在为类似虚拟化学学习工具的设计提供一些有益的参考。

关键词： 仿真化学实验; 交互式学习工具; 滴定屏幕实验

文章编号： 10056629（2020）12009206

中图分类号： G6338

文献标识码： B

化学实验是化学学习的重要途经，也是学生进行科学探究的重要方式[1]。良好的化学实验技能对于学生有效掌握化学知识，提升化学学习能力能够发挥重要的促进作用。然而，由于受到各种主客观条件的限制，在真实的实验学习环境下，一般难以保证学生对实验技能进行反复练习和强化，同时也难以在实验操作的过程中给予所有学生即时的反馈与评价。因此，传统的实验教学过程存在着实践机会少、矫正不及时等不足。随着信息技术与学科教学整合的不断深化，在科学教育领域出现了许多虚拟仿真实验的学习工具，这些学习工具通过形象的操作动画和完善的交互设计让学生能够较为真切地感知科学实验的过程，而且给予学生反复实践的机会，以加深他们对实验的理解。教师既可以利用这些学习工具让学生在真实实验之前充分地熟悉实验程序和操作规范、理解实验的原理，为真实环境下的实验学习打好基础，也可以将其作为实验学习之后的扩展练习，让学生在课后进一步巩固与强化实验学习的成果。

滴定屏幕实验（Titration screen experiment）是由英国皇家化学会（Royal Society of Chemistry）与布里斯托大学（University of Bristol）、学习科学公司（Learning Science）合作开发的一个面向高中学生可免费使用的化学实验学习数字资源，其设计的主要目的是通过交互式的屏幕实验使学生在独特而引人入胜的环境中进行酸碱中和滴定实验与氧化还原滴定实验，以增强学生对滴定分析的理解，提高学生与实验室滴定有关的实践技能[2]。该虚拟实验学习工具在知识性、交互性、仿真性、智能性、可重复性等方面的设计较为完善，而且在学习层次、学习情境和学习过程的设计方面相较于其他同类型的学习工具而言还有一些鲜明的特点。因此，本文将以交互式仿真化学实验学习工具的设计为视角，分析滴定屏幕实验内容设计的特点，从而为类似化学学习工具的设计提供一些有益的参考。

1内容层次的设计

滴定屏幕实验在内容设计上并没有以一个单一的实验项目形式呈现，而是设计成了4个不同水平且相对独立的实验项目（以下简称水平1、水平2、水平3、水平4）。这些实验项目都围绕“滴定分析”这个主题展开，在内容设计上既表现出一定的相似性，又表现出清晰的层次性。这种层次设计的出发点是为了满足高中阶段不同年级、不同水平学生的学习需求，而各个实验项目设计的主要依据是英国高中不同阶段的化学课程标准。英国的高中教育主要包括两个阶段，分别是关键阶段4（Key Stage 4）和关键阶段5（Key Stage 5）[3]。在学习阶段的划分上，水平1对应的目标学生水平是关键阶段4，学生的年龄段处于14～16岁之间，而水平2到水平4对应的目标学生水平是关键阶段5，学生的年龄段处于16～18岁之间。在课程层次的划分上，水平1对应的主要是英国普通中等教育证书GCSE水平化学课程的相关领域，而水平2到水平4对应的主要是英国普通中等教育证书高级水平（Alever）化学课程的相关领域。滴定屏幕实验依据不同的学习阶段和课程层次对实验项目进行设计与呈现，一方面拓展了学习工具的适用范围，另一方面也提升了学习工具的实用价值（见表1）。

L4关键阶段5（Key Stage 5）Alevel水平①pH曲线、等当点和指示剂选择;②溶液稀释计算;③氧化还原滴定法（KMnO4/Fe2+）;④确定离子反应方程式。

为了进一步梳理不同水平实验项目之间的层次关系，我们参考英国皇家化学会编制的《滴定屏幕实验教师注释》（Titration screen experiment teacher notes）这一文件，从实验方法、实践技能发展和主要学习成果这三个方面进行横向比较与分析（见表2）。从实验方法上看，水平1、水平2和水平3采用的是酸碱滴定法，而水平4采用的是氧化还原滴定法。在酸碱滴定学习的基础之上学习氧化还原滴定，可以拓展学生对滴定方法的认知，使其更好地把握滴定这种定量分析方法的实质。同时，从水平1到水平3，酸碱滴定法所采用的酸碱类型也不尽相同，从强碱滴定强酸到强碱滴定弱酸，再到强酸滴定弱碱，这一系列的变化可以从物质和反应层面逐步完善学生对于酸碱滴定原理的认识。

从实践技能的发展来看，各个实验水平所体现出的实践技能较为一致，基本涵盖了滴定分析实验操作的主要方面，保证了不同实验水平实践技能学习的完整性和延续性。另外，水平2和水平3相较于水平1增添了“使用pH探针监测pH变化”这一实践技能，在技能拓展的同时，也在操作层面上将滴定过程认知的视角从定性转至定量，体现出不同实验水平实践技能学习的递进性。

从主要学习成果上看，各个实验水平所体现的学习成果主要集中在技能层面，包括实验操作技能、化学计算技能、方程式书写技能、实验数据处理技能等。随着实验水平的逐步推进，这些技能性学习成果可以得到不断的检验和强化，从而保证滴定屏幕实验相关实验技能学习的效果。

2实验情境的设计

滴定屏幕实验的各个实验项目都是围绕生动、具体的学习情境展开的。这些情境的创设一方面紧扣“滴定分析”这一实验主题，将情境线索贯穿于整个实验项目的学习之中，实现了内容与形式的统一;另一方面也与学生的生活实际紧密相关，将滴定分析与环境保护、产品质量检验联系起来，让学生在真实的情境之中学习实验技能。滴定屏幕实验对于学习情境的营造与呈现体现在实验项目的多个要素之上，包括实验名称、实验目的、实验过程和实验结论（见表3），凸显情境设计的真实性和连续性。实验名称和实验目的的情境化将学习内容转化为学生想要解决的实际问题，从而激发学生的学习兴趣;实验过程的情境化将滴定分析应用于真实情境中实际样本的物质含量测定，需要学生根据样本的特点配制待测液，使实验过程的模拟更为真切;实验结论的情境化将滴定分析结果与河流水质标准或产品质量标准进行对照，引导学生在实验事实的基础之上对河流污染程度或产品质量做出正确的判断，从而体现滴定分析实验的应用价值。实验项目各个要素的情境化设计将滴定分析的学习过程表现为实际问题的解决过程，在应用层面和情感层面上充分发挥滴定屏幕实验的育人价值。

实验名称情境化实验目的情境化实验过程情境化实验结论情境化

L1： 受污染的溪流油罐车溢出物中的盐酸污染了溪流。通过酸碱滴定确定溪流中盐酸的浓度，并判断其是否在可接受的范围内。用氢氧化钠标准液滴定不同采样点采集的受污染河水样本。滴定结果对照水质标准（河流酸性条件标准），判断溪流不同位置的污染程度。

L2： 阿司匹林含量测定通过弱酸/强碱滴定确定一批阿司匹林药片中阿司匹林的含量。用氢氧化钠标准液滴定由阿司匹林药片配制的阿司匹林溶液。滴定结果对照阿司匹林片剂质量标准，判断阿司匹林片剂中的阿司匹林含量是否在可接受范围内。

L3： 护发产品通过弱碱/强酸滴定分析一批护发产品中氨的浓度，以确定其是否在安全范围内。用盐酸标准液滴定护发产品中的氨溶液。滴定结果对照护发产品标签和化妆品安全信息规定中对氨含量的规定，判断标签含量是否虚标以及氨的浓度是否在安全范围内。

L4： 补铁片通过氧化还原滴定测定铁补充片中的Fe2+（aq）浓度。用高锰酸钾标准液滴定由补铁片配制的水溶液。滴定结果对照补铁片标签，判断标签含量是否虚标以及每片补铁片中的铁含量是否超过铁元素的日摄入量。

3学习任务的设计

滴定屏幕实验为了有效支撑学生的自主学习，将实验学习的过程划分成一个个小的学习任务，并按照一定的认知顺序将学习任务系统地排列起来进行呈现。在任务完成的过程中，学生可以获得即时的反馈，确认自己的实验操作或者回答是否正确，如果正确便可以进入下一个阶段的学习，如果不正确则需要根据提示信息进行重复学习。因此，滴定屏幕实验学习任务的系统设计非常符合程序教学法的基本特点，能够让不同水平的学生积极参与到学习之中，不断强化学习效果，从而提升实验学习的实效性。为了更好地说明滴定屏幕实验学习任务设计的特点，下面将从整体设计和局部设计两个方面进行分析。

3.1学习任务的整体设计

从整体上进行分析可以发现，滴定屏幕实验的各个实验项目所设置的学习任务类型及其呈现的顺序基本一致（见表4）。通过这些学习任务的步步推进让学生经历一个相对完整的实验学习过程，从实验前认识实验目标、学习理论知识到实验中进行实验操作、现象观察和数据分析，再到实验后对实验过程进行反思和总结。如此一步一步地展开学习，可以在学生的头脑中逐渐形成一个相对稳定的实验学习思路（见图1），进而提升他们的实验学习能力。

3.2学习任务的局部设计

3.2.1理论学习

滴定屏幕实验各个实验项目的理论学习阶段主要包括两个学习任务，分别是观看视频和理解考查。观看视频是通过微视频形式让学生从真实情境出发对于滴定分析实验的相关原理知识进行学习。以水平4的视频素材为例，视频从“食品标准局（Food Standards Agency）检查补铁药片中铁含量是否正确标示”这一情境出发引出氧化还原滴定这一测试方法，其后从微观角度对氧化还原反应原理和氧化还原滴定原理进行分析，最后对滴定分析实验任务进行简要说明（见图2）。视频内容形象直观、简洁明快，能够让学生在较短的时间内了解相关的原理性知识。观看视频之后的理解考查则是通过5道选词填空题对学生的理论学习成果进行针对性的检验和强化。同样以水平4的理解考查为例，5道试题针对视频内容着重考查学生对氧化还原反应原理和氧化还原滴定原理的理解情况。学生从3个选项中选择1个正确的选项，并将其拖入题干中的对应位置，从而形成完整的内容表述。这种作答方式操作简捷，同时也可以看作是对氧化还原滴定相关理论知识的一种总结。理论学习阶段的学习为后续滴定分析实验的进一步学习做好铺垫。

3.2.2实验实施

实验实施阶段是滴定屏幕实验各个实验项目的主体部分，是对滴定分析实验过程的仿真模拟。在学习过程中，学生一方面需要根据提示信息使用虚拟的化学仪器和药品完成各项实验操作任务，学习滴定分析实验的操作要领;另一方面也要利用相关的化学知识进行实验数据的分析、化学方程式的配平和酸碱指示剂的选择，理解滴定分析实验的基本原理。因此，实验实施阶段的学习任务在设计上体现了“滴定分析”这一学习主题多个方面的知识与技能，能够让学生在实验学习中获得较为完整的学习体验。为了满足不同水平学生的学习需求，各个实验项目实验实施阶段的学习任务在内容设计上也体现出一定的层次性。以“酸碱指示剂的选择”为例（见图3），水平1通过对比滴定前后锥形瓶中溶液颜色的不同，让学生判斷酚酞作为酸碱指示剂的可行性;水平2通过呈现在滴定曲线上标注的不同指示剂的变色范围，让学生选择恰当的酸碱指示剂;而水平3则让学生在滴定曲线上确定滴定终点的范围和等当点，并以此为标准选择适当的酸碱指示剂。由此可以发现，从水平1到水平3，随着学习任务的推进，学生对于酸碱指示剂选择标准的认识在不断深化，从现象层面的指示剂颜色变化要灵敏且明显，逐渐深入到本质层面的指示剂变色范围要包含或靠近酸碱恰好完全反应的等当点，在选择酸碱指示剂的同时也加深了对酸碱滴定原理的认识。

除此之外，滴定屏幕实验亦非常注重实验过程模拟的仿真性。从实验流程上看，滴定分析实验的主要操作步骤在各个实验项目中均有较为完整和细致的体现，而且每一种样品都需要学生先试测一次，再重复测定3次，以降低实验误差的影响，更加贴近真实的实验过程。从实验观察上看，为了让学生准确地把握滴定终点的实验现象，滴定过程中锥形瓶中溶液颜色的变化都是以视频形式呈现的，将真实现象与模拟操作有机结合起来，从而增强了滴定分析实验的仿真效果。

3.2.3知识总结

为了进一步强化学生对于滴定分析过程的认识，水平4在实验实施阶段的学习任务结束之后专门设置了总结性的任务环节，分别从实验操作和化学计算两个方面以问题解决的方式对滴定分析过程中涉及的关键步骤及其先后顺序进行较为全面的总结（见表5）。在学习过程中，学生先要根据自己的理解将学习界面上随机排列的3个计算步骤按照正确的顺序拖入到对应位置，其后以同样的方式确定4个实验操作步骤的正确排列方式，最后再回答4道正误判断题，对每一个实验操作步骤的重要细节和易错点进行巩固和强化。这种问题解决式的知识总结一方面实现了对已学知识的考查与梳理，另一方面也能在一定程度上增强学生知识复习的积极性和主动性。此外，滴定屏幕实验的学习界面上均设置了一个“文件夹”按钮，学生在完成一定的学习任务之后可以点击此按钮进入“实验手册”（lab book）界面对任务内容和相关知识进行及时的回顾和总结。在完成一个实验项目的所有学习任务之后，学生还可以下载图文结合的实验手册文本，并以此对各个实验项目的滴定分析过程进行整体复习，从而提升知识复习的效果。

3.2.4学习反思

滴定屏幕实验的每一个实验项目最后呈现的学习任务都是学习反思任务。学习反思的任务系统会统计学生完成各个阶段学习任务的尝试次数，并以此为标准在学习界面上罗列出学生“表现优异的地方”和“需要改进的地方”。学生可以参照自己的学习表现情况将学习过程中的心得体会和疑难困惑填写在学习界面的文本框中，反馈给化学教师，在对整个学习过程进行反思的同时，也能够帮助教师有针对性地进行课堂教学的设计与准备。另外，各个实验项目在学习反思阶段都会根据项目内容设置一道拓展性的思考题（见表6），要求学生在学习界面的文本框中完成。通过对这些问题的思考，学生可以从多个角度进一步深化对滴定分析实验原理的认识，进而提升学习反思的效果。

实验水平思考题

L1你的滴定分析和快速反应有助于保护特殊地点的某些野生生物。三天后，你再次在所有地点对河流进行采样。你预计结果如何？

L2从你的滴定实验来看，有哪些潜在的误差可能导致实验结果不准确？

L3在该滴定实验中，你使用了已知浓度的盐酸。通常在滴定之前对酸要进行“溶液标准化”，以确保准确知道其浓度。为什么？

L4使用氧化还原滴定法测定片剂中Fe2+离子的浓度时，还有哪些其他因素可能影响氧化还原反应的发生？

4启示

滴定屏幕实验作为一种虚拟的化学实验学习工具，虽然不能取代真实的化学实验，但是它的出现为学生学习滴定分析的知识与技能提供了一种长期有效的工具性课程资源，也为学生的有意义学习创造了一种循序内化的实验学习模式[5]。總结滴定屏幕实验的设计特点，主要有以下三个方面： 首先，滴定屏幕实验的各个实验项目在内容设计上不仅关注对于滴定分析实验过程的仿真模拟，而且也非常注重对于自主学习过程的系统设计，将问题情境、理论学习、实验操作、化学计算、总结反思、考查评价等要素有机整合在一起，形成了一个较为完整的实验学习单元。学生在学习过程中不断地发现问题、分析问题和解决问题，在获取知识的同时也提升了自己的问题解决能力;其次，滴定屏幕实验十分重视对滴定分析过程中的误差分析、指示剂选择、平行实验设计、定容操作、滴定终点判定等影响实验成败的关键因素进行点面结合的重点突出，在保证实验学习效果的同时也有利于培养学生严谨求实的科学态度;最后，滴定屏幕实验在内容设置和水平划分上均以不同阶段的化学课程标准为依据，重点关注相关实践技能的学习和应用，结构清晰、内容紧凑，是对课堂教学的一种有效补充，可以帮助教师提高滴定分析实验的教学质量。

参考文献：

[1]史文景. 浅谈学生化学实验技能的培养[J]. 中华少年： 研究青少年教育， 2012， （3）： 229.

[2][4]Royal Society of Chemistry. Titration screen experiment teacher notes [EB/OL]. （20170523） [20200416]， https： //edu.rsc.org/download？ac=15369.

[3]王继玲. 英国综合高中课程设置及启示[D]. 长沙： 湖南师范大学硕士学位论文， 2016： 18.

[5]王春. 新课程背景下信息技术与化学教学整合的实践与思考[J]. 中国电化教育， 2007， （8）： 63～66.