巧用智能手機(jī) 模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)

儲(chǔ)開桂

摘? 要 燒杯（BEAKER）APP軟件的應(yīng)用讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)在手機(jī)等設(shè)備上完成變成現(xiàn)實(shí)，在燒杯APP（BEAKER）平臺(tái)上可以完成近300種化學(xué)實(shí)驗(yàn)，為中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方式的改變提供了一種新的范式，有助于提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)興趣并培育學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 燒杯（BEAKER）APP;化學(xué)實(shí)驗(yàn);人工智能;VR技術(shù);實(shí)驗(yàn)室;化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)

中圖分類號：G633.8? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）01-0028-03

1 引言

燒杯（BEAKER）是一款非常有創(chuàng)意且有趣的學(xué)習(xí)類APP，該軟件擁有與真正的化學(xué)儀器燒杯同樣的功能，在這里可以應(yīng)用手機(jī)隨時(shí)隨地隨意模擬做出各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅可以直接觀察各種化學(xué)反應(yīng)，而且完全無須準(zhǔn)備試劑、材料。

燒杯（BEAKER）作為一個(gè)模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，APP內(nèi)置150多種藥劑，可以完成接近300種神奇的化學(xué)反應(yīng)，功能很強(qiáng)大，可以將手機(jī)變成一個(gè)小型化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。通過輕搖設(shè)備、滑動(dòng)手指模擬實(shí)驗(yàn)操作，安全、有趣、生動(dòng)，隨時(shí)隨地做各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)，顛覆傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式，讓化學(xué)變得生動(dòng)直觀，充滿樂趣。在這里可以讓學(xué)生直接掌握更多的化學(xué)知識，也能給對化學(xué)實(shí)驗(yàn)有濃厚興趣但缺乏儀器、藥品的學(xué)生提供平臺(tái)，更能完成許多在實(shí)驗(yàn)室無法完成的危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)。如可以通過操作觀察到金屬銫與水的反應(yīng)的劇烈現(xiàn)象。

2 燒杯（BEAKER）APP使用方法

下載并安裝燒杯（BEAKER）APP? 在蘋果設(shè)備iPhone、iPad和iPod touch中的Apple Store中搜索“燒杯”（圖1）后下載安裝，軟件大小為75 MB，需要iOS 8.0或更高版本。安卓系統(tǒng)中同樣可以搜索到“燒杯”（Android版），下載后安裝即可使用。

燒杯（BEAKER）APP界面說明? 下面以蘋果機(jī)中的燒杯（BEAKER）（iOS版）為例進(jìn)行介紹。在手機(jī)頁面中找到燒杯APP并打開，進(jìn)入首頁面。首頁面上有兩個(gè)按鈕，通過按鈕進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的選擇和化學(xué)反應(yīng)條件之間的切換。燒杯（BEAKER）APP內(nèi)置了很多化學(xué)物質(zhì)，點(diǎn)擊界面右上角的小圈圈就可以查看。將圖2所示頁面第一行放大后如圖3所示。

點(diǎn)擊化學(xué)試劑頁面右下按鈕，可以切換顯示各類化學(xué)物質(zhì)的密度、摩爾質(zhì)量、溶解度、英文名。

左右滑動(dòng)屏幕，可以進(jìn)行化學(xué)試劑的選擇，試劑的排列是按照化學(xué)物質(zhì)的狀態(tài)出現(xiàn)（液體—固體—?dú)怏w），其中固體物質(zhì)最多。系統(tǒng)將固體物質(zhì)按化學(xué)式的首字母出現(xiàn)的先后順序排列，便于查找。

點(diǎn)擊首頁面左上角方框按鈕，進(jìn)入圖4所示頁面，可以進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)方式的選擇，從上往下分別為選擇是否需要密閉實(shí)驗(yàn)、是否需要加熱條件、是否需要點(diǎn)燃（AirMix功能下面再介紹。Chemist是另外一種收費(fèi)實(shí)驗(yàn)APP）。

除此之外，燒杯APP內(nèi)還提供更多可以自費(fèi)購買的設(shè)備項(xiàng)目，以供更高要求的實(shí)驗(yàn)需要，例如：使用儀表來追蹤燒杯內(nèi)的精確數(shù)據(jù);使用過濾網(wǎng)進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn);還有分離器、冷卻器、攪拌機(jī)等可供選購，每樣設(shè)備需支付一元。

用燒杯（BEAKER）APP做自己想做的實(shí)驗(yàn)操作案例? 這款燒杯（BEAKER）APP的作用就是把手機(jī)模擬成一個(gè)燒杯，可以往燒杯里面放各種化學(xué)物質(zhì)，甚至可以進(jìn)行點(diǎn)燃、加熱等操作。而燒杯（BEAKER）APP的模擬效果也相當(dāng)逼真，如果加注了溶液，晃動(dòng)手機(jī)，溶液也會(huì)如同搖晃燒杯一樣動(dòng)起來;當(dāng)化學(xué)反應(yīng)造成燃燒、沉淀等現(xiàn)象，APP也都會(huì)一一如實(shí)反映，十分刺激！

1）固體與溶液反應(yīng)：以比較堿金屬與水反應(yīng)快慢差異為例。高中《化學(xué)》（必修1）向高中生介紹了鈉（Na）的化學(xué)性質(zhì)，鈉與水（H2O）的劇烈反應(yīng)給學(xué)生留下深刻印象。不少學(xué)生想自己親手試試，但由于實(shí)驗(yàn)條件的限制而不能如愿以償，可以通過燒杯（BEAKER）APP親自進(jìn)行驗(yàn)證。步

驟：進(jìn)入試劑頁面，點(diǎn)擊鈉（點(diǎn)擊某樣化學(xué)物質(zhì)，就可以把它加進(jìn)燒杯），選擇1～2粒金屬鈉（也可以更多，模擬實(shí)驗(yàn)不存在危險(xiǎn)）;進(jìn)入液體物質(zhì)頁面，點(diǎn)擊水，長按就可以不斷加注，如想要加半燒杯水，就一直長按水就可以了。

如圖5、圖6所示，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明：能聽到金屬鈉與水反應(yīng)的聲響，能看到鈉在水面不停游動(dòng);滑動(dòng)屏幕，會(huì)顯示反應(yīng)的化學(xué)方程式;再次滑動(dòng)會(huì)聽到爆炸聲，并出現(xiàn)氫氣和氧氣反應(yīng)的化學(xué)方程式。

從元素在周期表中性質(zhì)的遞變規(guī)律來看，金屬銣和鉀的性質(zhì)比金屬鈉更活潑，它們跟氧氣和水反應(yīng)比金屬鈉更劇烈。書本上知識告訴學(xué)生這樣的結(jié)論，實(shí)驗(yàn)室也無法提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生去探究和觀察，但燒杯（BEAKER）APP可以：將鉀投入水中，反應(yīng)劇烈，同時(shí)能看到水面上方有水蒸氣不斷溢出，反應(yīng)速度更快;將銣投入水中，立即聽到爆炸聲，上方有液體飛濺。反應(yīng)瞬間結(jié)束，無法截圖，學(xué)生可以親自去體會(huì)。

2）非液相反應(yīng)操作：以金屬鈉在氯氣中燃燒為例。如果想嘗試的化學(xué)反應(yīng)是固體與氣體、氣體與氣體之間的反應(yīng)，也可以參照上文的試劑選擇步驟選擇相應(yīng)的試劑，如點(diǎn)擊氫氣，再點(diǎn)擊氯氣，只需用手指在屏幕上滑動(dòng)，就表示點(diǎn)燃，能看到反應(yīng)現(xiàn)象，并顯示反應(yīng)的化學(xué)方程式。如需加熱，按住屏幕右下向左滑動(dòng)即可。圖7表示金屬鈉在氯氣中加熱反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)過程中不僅能看到鈉的焰色反應(yīng)是黃色，還能看到不斷產(chǎn)生白色的煙，能聽到鈉在氯氣燃燒的聲音，真的特別棒！

3）聯(lián)機(jī)完成燒杯中物質(zhì)傾倒：虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的簡單應(yīng)用。燒杯（BEAKER）APP具有一個(gè)獨(dú)特的AirMix功能，當(dāng)兩部手機(jī)連入互聯(lián)網(wǎng)，開啟定位服務(wù)，然后打開應(yīng)用，就可以把兩部手都當(dāng)作燒杯使用，把兩個(gè)燒杯（BEAKER）APP的手機(jī)靠近，它們會(huì)自動(dòng)連接，然后就可以把化學(xué)試劑從這個(gè)“燒杯”倒入另一個(gè)“燒杯”，如將裝有NaCl+H2O的燒杯倒入裝有AgNO3+H2O的燒杯（發(fā)生沉淀），將裝有Na的燒杯倒入裝有Cl2的燒杯（發(fā)生燃燒），等等。

這是VR技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真上的應(yīng)用，將一部手機(jī)“燒杯”向另一部手機(jī)“燒杯”進(jìn)行傾倒時(shí)，感覺就像真的是溶液從其中流出，并在另一“燒杯”中觀察到相應(yīng)的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

3 燒杯（BEAKER）APP的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣? 化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，化學(xué)課程之所以對學(xué)生有吸引力，不可忽視的原因之一就是千變?nèi)f化的化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。但在應(yīng)試教育壓力下，很多高中的學(xué)生已經(jīng)喪失進(jìn)入化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的機(jī)會(huì)，繁重的作業(yè)壓力讓學(xué)生逐漸對化學(xué)課程失去原有的興趣和探究的欲望。

愛因斯坦說過：“興趣是最好的老師?！比绾文茏尭咧袑W(xué)生持續(xù)保持對化學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，一直是一線教師高度關(guān)注的熱點(diǎn)問題，也有很多教師為此做了很多有益的探索。例如：在平時(shí)的課堂教學(xué)中盡可能設(shè)置和安排一些生動(dòng)、形象、有趣的實(shí)驗(yàn)引入課題，以激發(fā)學(xué)生的興趣;盡可能創(chuàng)造條件，讓學(xué)生自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn);嘗試開放化學(xué)實(shí)驗(yàn)室;開設(shè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)選修課程;等等。

燒杯（BEAKER）APP給學(xué)生提供了一個(gè)簡易操作平臺(tái)，可以驗(yàn)證已經(jīng)學(xué)過的化學(xué)知識，可以探究未知領(lǐng)域的化學(xué)反應(yīng)，可以完成在實(shí)驗(yàn)室無法完成的實(shí)驗(yàn)。如王水溶解金屬、溴單質(zhì)與金屬的反應(yīng)和爆炸、氫氟酸溶解玻璃等實(shí)驗(yàn)的完成，對學(xué)生有著強(qiáng)大的吸引力，無疑可以更大程度上調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情，并逐步由直接興趣向間接興趣轉(zhuǎn)化。帶領(lǐng)學(xué)生由喜歡化學(xué)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為喜歡化學(xué)課程，通過深入學(xué)習(xí)化學(xué)課程去體會(huì)化學(xué)課程的魅力。

有助于提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)? 課程標(biāo)準(zhǔn)指出，高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”五個(gè)維度。高中學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展有一個(gè)持續(xù)進(jìn)步的過程。高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)教學(xué)的重要組成部分，對于全面發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)有著極其重要的作用。燒杯APP的使用讓學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸各類實(shí)驗(yàn)，對提高學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)有輔助作用。

燒杯（BEAKER）APP中對化學(xué)物質(zhì)的分類和排布，能讓學(xué)生學(xué)會(huì)從不同層次認(rèn)識物質(zhì)的多樣性，并對物質(zhì)進(jìn)行分類。燒杯（BEAKER）APP中各類實(shí)驗(yàn)的完成，能讓學(xué)生認(rèn)識一切物質(zhì)都是運(yùn)動(dòng)和變化的，知道發(fā)生化學(xué)變化是需要一定條件的，即相同的物質(zhì)在不同條件下的產(chǎn)物也不一定相同，并逐步認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)遵循一定的規(guī)律;認(rèn)識到有新物質(zhì)生成是化學(xué)變化的本質(zhì)特征，化學(xué)變化的同時(shí)伴有能量轉(zhuǎn)化;逐步學(xué)會(huì)從不同角度、動(dòng)態(tài)地分析化學(xué)變化，有利于培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識;有助于學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，培養(yǎng)創(chuàng)新意識;有利于培養(yǎng)學(xué)生節(jié)約資源的意識、保護(hù)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的意識。

有助于師生了解人工智能在化學(xué)學(xué)習(xí)中的作用? 教育部在2013年啟動(dòng)普通高中課程修訂工作，修訂工作遵循的第二條原則就是：堅(jiān)持反映時(shí)代要求。因此，要關(guān)注信息化環(huán)境下的教學(xué)改革，根據(jù)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步新成果，關(guān)注學(xué)生個(gè)性化、多樣化的學(xué)習(xí)和發(fā)展需求，促進(jìn)人才培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)變。結(jié)合實(shí)際，大膽探索，學(xué)習(xí)并運(yùn)用人工智能，為發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)提供先進(jìn)的技術(shù)保障。

AI是人工智能（Artificial Intelligence）的英文縮寫。AI是一門富有挑戰(zhàn)性的新的科學(xué)，以人的智能研究為基礎(chǔ)，以開發(fā)用于模擬、擴(kuò)展和延伸人的智能的理論、技術(shù)、方法及應(yīng)用系統(tǒng)為目標(biāo)。人工智能技術(shù)的發(fā)展在教育領(lǐng)域的應(yīng)用必然對傳統(tǒng)教育行業(yè)帶來新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，教育行業(yè)如何調(diào)整以適應(yīng)未來人工智能的發(fā)展趨勢，如何培養(yǎng)適合社會(huì)發(fā)展的人才，成為廣大教育工作者必須思考的新的課題。在中國教育學(xué)會(huì)舉辦的科創(chuàng)教育聯(lián)盟成立大會(huì)上，美國著名雜志《連線》的創(chuàng)始人凱文·凱利曾受邀作演講，預(yù)言“人工智能發(fā)展在未來二三十年五個(gè)方面的趨勢：認(rèn)知、互動(dòng)、使用、分享、流動(dòng)”，認(rèn)為未來智能教育將在這五個(gè)方面扮演重要角色。

燒杯（BEAKER）APP是人工智能在化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方面開發(fā)的一次嘗試，盡管不是很完美，但熱愛化學(xué)的學(xué)生可以通過該APP進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)并獲取相關(guān)的化學(xué)知識和原理，是對真實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的虛擬認(rèn)識，甚至能在一定范圍超越傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的功能。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，有理由相信人工智能與化學(xué)學(xué)科的融合會(huì)越來越好，為化學(xué)學(xué)習(xí)提供更多精彩的內(nèi)容和平臺(tái)。■

參考文獻(xiàn)

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