开发三维模型化学符号__应...学教学深度融合的研究与实践_余鑫海.pdf
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1、1202023 年第 3 期(总第 167 期)开发三维模型化学符号 应用“宏观-模型-微观”策略信息技术与化学教学深度融合的研究与实践余鑫海1,余捷1,余德润1*,曾莉2(1.江西生物科技职业学院,江西南昌,330200;2.江西省化学工业学校,江西南昌,330012)摘 要:本文旨在运用信息技术与化学教学深度融合,按照“宏观-模型-微观”教学策略,综合运用多种软件,自主开发优质的三维模型及其 VR 软件学习资源,既解决了化学教学中优质资源缺乏的问题,又解决了学生学习化学符号困难的问题。关键词:宏观-模型-微观;三维模型;VR 软件中图分类号:G633.8;G434 文献标志码:A 文章编号
2、:1008-3103(2023)03-0120-05Application of“Macro-Model-Micro”Strategy to Improve Chemistry Discipline LiteracyResearchandPracticeonthedeepintegrationofInformationTechnologyandChemistryTeachingYuXin-hai1,YuJie1,YuDe-run1*,ZengLi2(1.JiangxiBiotechVocationalCollege,NanchangJiangxi330200,China;2.JiangxiCh
3、emicalIndustrySchool,NanchangJiangxi330012,China)Abstract:Thispaperaimstousethedeepintegrationofinformationtechnologyandchemistryteaching,accordingtothe“macromodelmicro”teachingstrategy,comprehensivelyuseavarietyofsoftware,andindependentlydevelophigh-qualitythree-dimensionalmodelsandVRsoftwarelearni
4、ngresources,whichnotonlysolvestheproblemoflackofhigh-qualityresourcesinchemistryteaching,butalsosolvestheproblemofstudents difficultyinlearningchemicalsymbols.Keywords:Macro-Model-Micro;three-dimensionalmodel;VRsoftware基金项目:江西生物科技职业学院科研基金重点项目“烃分子积件库的开发与应用研究”(项目编号:2020YZ03);江西省教育厅科学技术研究项目“虚拟现实技术在晶体结构
5、设计中的应用研究”(项目编号:GJJ205507)。作者简介:余鑫海(1986),中级职称,主要研究方向为信息技术;余捷(1997),助理实验师,主要研究方向为信息技术;曾莉(1971),教授,主要研究方向为化学。0 引言国外对化学符号的研究起步较早,欧美国家关于应用化学符号培养学生“宏观辨识与微观探析”化学学科素养的研究有可圈可点之处。1982 年,苏格兰格拉斯哥大学科学教育中心的教授 A.H.Johnstone1提出,我们可以在三种水平上看待化学这门学科;1991 年,Johnstone2对最初提出的三种水平的表述和内涵进行了修正和完善,最终将其表述为“宏观-微观-符号”。1999 年,O
6、nnodeJong 和 JanvanDriel3 提出,化学教育的最重要目的之一是帮助学生建立宏观现象、微观粒子和符号表征之间的联系。2005 年,毕华林等4在化学学习中“宏观-微观-符号”三重表征的研究中指出“宏观-微观-符号”三重表征是体现化学学科特征的思维方式,能增进学生对化学知识的理解。2017 年,教育部颁布的DOI:10.14127/ki.jiangxihuagong.2023.03.0131212023 年 6 月开发三维模型化学符号 应用“宏观-模型-微观”策略信息技术与化学教学深度融合的研究与实践新课标中提出了化学学科核心素养,国内关于“宏观辨识与微观探析”学科核心素养的研究
7、逐渐增多。国内外学者对于化学符号的研究成果比较丰富,主要集中于应用符号培养学生化学学科素养的课程体系建构研究、内涵研究、教学策略与评价研究。国外关于化学符号的研究成功之处在于提出了“宏观-微观-符号”教学策略;国内外关于化学符号研究的不足之处在于信息技术与化学教学深度融合不够,运用信息技术自主开发化学理论、晶体结构等三维模型和 VR 软件的研究很少。1 化学符号是联系宏观现象和微观结构的桥梁先界定几个概念,宏观现象指可以被直接看到、被触摸到、闻到或通过实验方法可以检测的物理性质和化学性质;微观结构指原子、离子、分子及晶体等结构;化学符号分为平面符号和模型,模型包括二维模型和三维模型。平面符号指
8、元素符号、分子式、化学式、结构式、电子式、方程式等传统的化学符号,其特点是平面的、静态的,最多可在 PPT 课件中人为设置放大、缩小或移动,主要用于教材、教案、课件和试卷等平面载体。二维模型是指二维的动画、微观结构或实验视频,主要用于电脑、手机或投影等多媒体设备的播放。三维模型是指三维结构模型及其 VR 软件,主要用于手机或 VR 眼镜等设备的播放或运行。图 1 平面符号、二维模型和三维模型是联系宏观与微观的桥梁模型是平面符号的拓展和升级,二维和三维模型是平面符号的具体化和直观化。物质的性质等宏观现象是由其微观结构决定的,而三维空间结构模型又是物质微观结构的具体化、形象化、直观化,宏观现象、微
9、观结构和化学符号三者是从不同的维度阐述表征化学知识。化学符号包括平面符号、二维和三维模型,都是联系宏观现象和微观结构的桥梁,如图 1。2 开发三维模型化学符号,应用“宏观-模型-微观”策略化学是通过宏观现象研究微观世界的自然科学。微观世界中的原子、分子等微粒是看不见的,传统的教学手段难以使之具体化、形象化,学生理解和接受起来有很大困难。物质的晶体结构肉眼也是看不见的,目前还没有仪器能够拍摄到晶体内部结构或化学键的成键过程。学生反映一些化学符号,例如 sp3、sp2、sp等符号表示的杂化轨道看不见、摸不着,神秘莫测,令学生既不清楚杂化轨道的形状,又不明白轨道的伸展方向。因此对学生来说,化学符号是
10、比较抽象和枯燥的,学生学习化学符号有困难。用元素符号来代表一种元素或一个原子还好理解,用分子式来代表一种物质或一个分子也能接受,但用简单的化学符号来代表复杂的三维空间结构,对于学生来说就很难理解。传统的化学教学过分注重知识的传授,而从“宏观-模型-微观”的角度引导学生学习还做得不够。部分学生绝大多数时间都用来死记硬背物理性质和化学性质,而较少能够在“宏观-模型-微观”思维的角度上学习化学,这也是导致学生化学学习困难的一个重要原因。为了解决学生学习的困难,就要开发三维模型化学符号,应用“宏观-模型-微观”策略。当前,笔者团队运用信息技术与化学教学深度融合,把开发模型作为创新点和突破点,运用 3D
11、StudioMax、Unity3D 等多种软件开发优质的三维模型及其 VR软件等学习资源,以解决优质资源缺乏的问题,已开发出化学教学中迫切需要的可视化、微观、动态、多维度操作的沉浸式 VR 软件近 80 个,包括原子结构、化学键、晶体结构、杂化轨道理论等一系列三维模型化学符号,解决了化学教学中学生学习化学符号困难的问题。笔者团队自主开发的 VR 软件获得几十项国家计算机软件著作权。根据 Johnstone 提出的“宏观-微观-符号”教学策略,由于模型比符号更为直观形象,教学策略进一步调整为“宏观-模型-微观”;这种教学设计可帮助学生形成“宏观-模型-微观”的学习思维和策宏观现象:物理性质、化学
12、性质微观结构:轨道、原子、离子、分子三维模型二维模型平面符号1222023 年第 3 期(总第 167 期)略,帮助其理解记忆物质的宏观现象和微观结构,帮助学生形成“结构决定性质,性质决定应用”的观念,提高学生从微观与宏观相结合的角度分析问题、解决问题的能力,提升学生“宏观辨识与微观探析”化学学科素养。3 信息技术与化学教学深度融合的案例1931 年,美国化学家鲍林(PauIing,L.)提出了杂化轨道理论,1954 年鲍林因在化学键方面的贡献获得诺贝尔化学奖。杂化轨道理论是有机化学学习绕不过去的基本理论,全世界的化学教科书都有杂化轨道理论的内容,但杂化轨道理论又是令学生望而生畏的内容之一,学
13、生觉得杂化轨道理论抽象,因此信息技术与化学教学深度融合的案例就以杂化轨道理论为例,将教学研究与实践过程归纳为两方面:第一,开发杂化轨道理论三维模型及其 VR 软件;第二,杂化轨道理论教学要应用“宏观-模型-微观”策略。3.1 杂化轨道理论三维模型及其 VR 软件的开发流程关于信息技术与化学教学深度融合,对化学教师来说,化学知识不是问题,难在用信息技术开发三维模型及其 VR 软件。开发 VR 软件需要化学教师、模型设计人员和程序设计员的精诚合作。现在以 sp3杂化为例,介绍 VR 软件的开发流程,本研究按照“制作脚本创建模型编写代码测试修改发布软件”流程开发。第一步,制作脚本主要是化学教师的任务
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