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第 1 卷◆第 1 期◆2018 年12 月
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使用基于信息和通信技术的教学策略
Santiago Rojano Ramos
马拉加大学实验科学教育学院，西班牙, srr@uma.es
[摘 要] 去年，学生们对科学类学科的学习兴致很低，尤其是物理和化学，他们都认为这两门课程非常困难。实际教师有
层出不穷的工具来促进科学在课堂上的学习。这项研究涉及到通过让学生使用虚拟应用程序来理解化学反应过程，如氧化还
原反应。其目的是实施一项新的教学建议，以教授上述化学反应。因此，我们采用了虚拟元素周期表和辅助计算机模拟，引
导学生学习氧化还原化学反应，并了解这些反应是如何进入受体体内的。因此，利用视频可以在微观层面上观察化学反应，
与传统的在黑板上教授氧化还原反应相比，具有重要的优势。另一方面，该小组填写了一份调查问卷，关于该技术的效果、
采用信息和通信技术(信通技术)之后提高该学科知识储备的利弊和方便性。结果表明，信通技术的使用使它们能够更好地理
解作为氧化还原反应的化学过程。结论是，65%的学生表示，与传统的面授教学相比，他们更喜欢多媒体应用教学，62.5%
的学生认为虚拟周期表和多媒体应用对课堂非常有益。。
[关键词] 信息和通信技术；学习科学；多媒体应用；虚拟模拟；氧化还原反应
对学生来说，理工、化学，物理，是难度很高的学科。
理解这个问题有各种各样的理由，事实上，学生和公民比我
们想象的还要原理“化学”这一话题。近几十年来，尤其是
这几年，科学的形象一直在下降。因此，化学教学面临着各
种问题和困难，如学生对其缺乏兴趣、没有学习动机，复杂
的化学化合物语言和名称等。另外，化学与环境污染、化工
产品和危险工业、有毒化合物和危险化学加工有关[1]。由于
上述种种原因，化学的印象很负面， “化学恐惧症”一词
也是众所周知[2]。另一方面，学生们很少了解化学类科学家，
以及他们为社会发展所作的重要贡献。化学这门学科非常难，
为理解该学科的主题，学生有必要持续不断地练习和复习。
使用信息和通信技术可以很有效地促进化学学习，这项技术
既可以增加学生的参与度，也能改善学生在课堂上的积极性，
因此 ICT 可以激励人们学习科学。随着信息和通信的迅速
发展，这项技术正在走入和改变我们的教育系统。因此，教
师必须学会将培训工具运用于课堂中的方法。理工学科教师
和研究人员已经指出他们对理工科教育结果的担忧。George
& Kaplan 研究了高中和大学对理工科缺乏兴趣的问题。许
多学生认为理工科与他们的个人兴趣和目标无关，也不清楚
就业市场上有多少岗位需要理工科类知识。从这个意义上讲，
它对学生如何看待与科学等领域的关系有着直接的影响。因
此，这种感觉影响他们的职业选择以及他们未来的表现。化
学的负面形象是造成了学生学习化学产生严重困难的根本
原因，而上述因素又让化学的印象变得更加负面化。学生在
化学学习中遇到的困难大多与化学的特殊性直接相关，化学
的特殊性要求学生从宏观走向微观,使用化学符号和化学语
言，将抽象概念(如分子的形状)形象化为二维平面[5,6]。化学
学习的另一个障碍，是这门学科涉及科学语言的形式和抽象
性质，以及标准化学或理工科教科书中常用的代码和术语
[7,8]。由于之前暴露的每一个问题，让化学课程变成理工学
科中最不受欢迎的课程之一。究其原因，主要与化学课程内
容、有限的化学课程教学时间、不恰当的化学教学方法和缺
乏实验室实验等因素有关。在西班牙，化学通常是以理论为
导向的教学方法，不需要动手活动，这种做法降低了学生对
这门课程的兴趣。Garcia-Carmona 等人[10]分析了西班牙国家
初等教育课程所提倡的科学教育，他们从学校科学的性质和
社会学、价值论、科学学习心理学、目标、能力、内容和评
价标准、活动、教学方法资源和教学策略等方面对学校科学
进行了分析。结果表明，国家课程中提出的小学科学没有完
全适应当前科学教育的发展趋势。在其他有关教育科学的研
究中也也得出了类似的结果[11,12]。因此，针对在课程中发现
的不足，提出了几项建议[10]。
在如化学这类学科中，概念通常表现在三个层次：宏观
层面、微观层面和象征层面[13]。大多数现象都可以直接体
验(宏观层面)，但在阐述时，对分子结构和原子与分子之间
的相互作用(称为微观层面)的认知是必要的。为了表达这一
现象，化学家设计了像分子式这样的特殊符号系统，来帮助
他们交流和可视化化学概念[14]。在本研究中，开发了使用
虚拟应用程序来理解化学过程的经验。对于机械工程专业的
学生来说，当他们尝试解释和阐述化学过程时，通常都是一
些错误的观念见解。氧化还原反应被学生们认为是最难教和
学的概念之一。因此，为了更好地让学生理解氧化还原过程，
需要一个具有趣味化的工具或 ICT 应用程序。本研究的主
要目的是以教学资源为虚拟环境，开发并实施一项教学建议，
使学生能够建构有用的心理模型。另一方面，运用可以观看
化学反应的视频，让学生更好地了解了氧化还原过程。工科
学生在认识和理解了学生对化学的误解后，试图从宏观层面
来解释化学过程。所以，在开始的时候，我们在微观层面上
进行了应用或模拟。在此基础上，从宏观层面上对溶液中的
氧化还原反应进行了较好的理解。随着信息和通信技术的飞
速发展，教师面临着将此项技术的工具整合到有效教学的课
堂环境中的挑战。这些变化可能影响整个教育系统，特别是
教学方法。在课上，教师可以只使用电脑或配合其他教学工
具来改进学习实践。通常来说，课堂教学中，面对面教学是
教师最常用的教学实践。这些类型的策略不仅应用于科学科
目，其他学科的教学中也会使用到，并且有许多关于 ICT
在学校学习的重要性的研究。一些作者对多媒体应用的使用
率及其前景进行了广泛的研究。他们进行了一些使用多媒体
教授化学现象的不同呈现的测试。此外，Lopez 等人研究了
信息和通信技术及其在社会教育领域的影响。在我们的案例
中，即实验科学领域，Lopez 等人设计应用了不同的多媒体
资料来学习科学。其他作者使用其他的信息和通信技术来教
授、学习科学。例如，在一些特殊案例中，大学使用博客来
教授化学。Rojano 和 Lopez 设计了一个博客用于教授大学
程度的科学概念，特别针对马拉加大学的初等教育年级。博
客，作为一种教学策略，我们能通过它鼓励学生学习，参与
课程。从这项研究中可以了解到，博客的使用对于提高学习
化学的学生比例有积极影响。从量上看，研究发现，这种方
式能帮助学生更好的吸收概念，从而提高学生的学业成绩。
另一方面，为了提高化学知识，Marin 和Donoso 也使用了
______________________________
"This article was published before Advances in Higher Education, 2017, v1i2 entitled “Teaching sciences using didactic
strategies based in information and communications technologies” in English.
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博客。为了在教授和学生之间建立一个化学的交流协作的知
识空间，一些引用作者设计了一个博客，该博客被融入到在
巴利阿里群岛大学的第一年，一个主题为“化学 II”的化学研
究中。
因此，有人认为 ICT 的使用对学生充分学习这一学科
知识，了解学科进展而言，是非常有帮助的。我们确信，ICT
能够提高学生在学科中的参与以及学习动力。因此，为了消
除由于大量的抽象知识而导致的学习障碍，我们假设了几种
认知策略。在这方面，计算机辅助教学可被视为整合科学技
术和提高学习经验质量的有效尝试。这使学习者能把控自己
的学习进程，更主动地、有效地参与学习，获得更丰富的教
学资料，跟踪学习轨迹，直接得到自己独特问题的答案，快
速获得自己优劣势反馈，开展在现实生活或实验课中难以实
现的实验，以及在更短的时间内系统地学习。和老师相比，
计算机通常更令人愉快，也更耐心。我们可以利用这一因素。
首先，利用计算机虚拟元素周期表（图一），学生可以学习
这些参与反应的元素的主要性质特征，如电子构型、元素在
周期表中的位置、反应性、轨道、得失电子的行为以及其他
非常重要的性质，如氧化态和化合物。
图一；Michael Dayah 设计的计算机虚拟元素周期表（www.Ptable.com/?lange.es）
使用 ITC 的主要优点之一是我们能提高学生的学习动
力。在这项调查中，交互式多媒体领域里，在上下文中的学
习对象是数字资产，比如动画。在这种情况下，学习过程将
得到优化。因为作为课堂演示，学生会涉及到观察化学现象，
而动画多媒体应用将进行关于这一现象在分子和原子层面
的演示，并由叙述者加以阐述。并且最后，学生将调整他们
脑中的模型，用相似的物质或反应来解释其他类似的化学现
象。这项多媒体运用要取得成功，最重要的是提升可视化，
因为学习策略是成熟的可视化技能的实践和运用。并且通过
这种类型的学习，我们获得了一些优势。因为科学构建可接
受分子水平的反应的新观点将会被运用于其他化学反应里
的新模型、课题或新物质。此外，学生将有可能使用他们自
己的模型来理解一开始就需要原子或分子水平的新的化学
概念。体验包括使用虚拟应用来理解化学过程。当机械工程
专业学生试图解释化学过程时，这被用来检测他们的误解。
氧化还原反应被认为是最难学习的概念之一。因此，我们必
须找到一款应用来帮助学生更好的理解这些反应。一项关于
在模拟环境下使用教学资源教授化学的建议被提出来- 利
用模拟让学生建立有用的模型。这个应用一定要能解释在微
观层次发生的氧化还原反应，就如我们下张图片所示。计算
机辅助教学，即利用多媒体应用的模拟教学，有一个突出的
优势是同时呈现视觉化化学现象的多种反应表现。这些材料
可以提供各种化学表现之间的逻辑关系，以帮助学生理解。
这些材料可以帮助学生建立心理联系，加强概念理解的逻辑
框架，达到对化学概念的掌握，促进学习者的学习动机和积
极参与。高度的内在动机和积极地参与是基于学习课程项目
成功的必要条件。
图2. Cu/Zn 氧化还原反应 (来源：
http://group.chem.iastate.edu/ Greenbowe/sections/
projectfolder/flashfiles/electroChem/voltaicCell20.html)
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6%13%
16%
56%
9%
Students prefer multimedia application
instead face to face class
Certainly disagree Disagree Indiferent
Agree Certainly agree
计算机辅助教学的目的是通过计算机传递课程内容，并
且在计算机应用的帮助下实现教学尝试。现今学习使用一个
名为氧化还原反应（REDOX）的数值模拟程序，以便教授
学生氧化还原反应的过程是如何进行的。学生对化学的态度
各不相同。然而他们中的绝大多数人参加课程却不喜欢化学，
他们学习只是因为化学是他们的必修课，需要通过考试才能
获得学位。另一方面，化学入门课程由同一位老师教授。在
氧化还原反应的学习中，两组实验组同时对氧化还原反应进
行了模拟。由 McGrawn Hill 提供的电脑模拟，在适用范围
内，向学生解释氧化还原反应。这个程序由两个氧化还原实
验组成，可以免费在互联网上使用。这个程序是有关锌-铜
氧化还原反应的是二维动画。动画里当锌、铜接近对方时，
二者会相互碰撞、反弹。图三显示了一个用于氧化还原反应
的多媒体应用程序。
图三：氧化还原反应模拟(http://highere.mheduc.com/)
动画一开始是几个锌原子在灰色背景(水)下有组织的
组成图形。自由漂浮在水中的是一些带有 2+符号的铜原子
(铜的阳离子)，以及两倍数量的原子簇，这些原子簇中含有
一个带-符号的原子，周围环绕着硝酸盐离子。当一个铜原
子接近一个锌原子，电子从锌转移到铜时，就会发生反应。
现在，锌原子上有 2+符号，变得更小，同时，每个铜原子
变大，失去 2+符号。通过这个例子，学生们能够看到微观
层次作为宏观层次是如何工作的，以及原子结构中的一些变
化是如何发生的。以下这种设计可以用于任何需要科学上可
接受的分子世界心理模型的化学主题。在这种情况下，学习
过程将得到改善，因为这种学习体验能让学生观察到化学现
象，特别是将化学反应作为课堂演示，然后，在分子水平上
观看一个关于该现象的动画多媒体应用，并由解说员进行讲
解。在此之前，学生们已经分析了参与反应的原子、它们的
电子结构和性质，以便通过反应与其他原子结合。
本研究是一项定量研究，通过采用前测和后测控制组设
计和问卷调查的方式，了解他们对这些 ITC 工具的使用情
况的看法，以改善教学过程。本研究的目的是探讨通过模拟
实现的计算机辅助教学是否比面对面的课堂更有效地提高
学生在科学上的成功，以及他们是否认为计算机辅助教学有
助于更容易地学习所学的学科和化学概念。每个学生都做了
一份问卷，一份前测和一份后测。参与的两组，在实验室中
有相同的化学工作经验，并在模拟研究中参加了相同的计算
机模拟。问卷由多个项目组成，为李克特五点量表。采用李
克特量表对学生的问卷回答进行分析，并参照计算机辅助教
学的使用情况和学生的思考。测试规模为 5点李克特类型规
模，范围为 5个选项。积极的项目范围从 1 =肯定不同意到
5=肯定同意。因此对于回答肯定的问题，数值接近 5。这些
值是由学生人数平均得到的，在 1到5之间。值 3为立，值
2-3为比较同意态度，值 4-5为非常同意态度。这些调查在
使用于教学之前，首先得到了教育科学领域三位专家的证实。
利用各项目方差公式，用 Cronbach's alpha 估计检验的内部
一致性，得到 0 366;表明该行为是可靠的。从评估结果来看，
两组的资格都很低;但两组间差异不显著。至于最终结果，
我们观察到，从较低评分开始的那组得分为 7.45，而另一组
得分为 5.71。然而，在 95%的置信水平下，两组之间没有发
现显著的差异。
对于多媒体应用的使用及其优缺点，学生对虚拟元素周
期表的使用和多媒体应用的实用性、情感性和益处表现出了
不同的看法。在接下来的几行中，我们可以看到学生在问卷
中所显示的结果。首先，他们被问及在课堂上与使用多媒体
相比是否更喜欢面对面的课堂应用。数据如图 4所示。数据
显示,高百分比的学生,56 和9%,反映了,他们肯定同意或同意
使用虚拟元素周期表或多媒体应用程序,但事实是,还有一定
比例的学生对于老师所使用的教学方法的观点是消极的。
图四：应用多媒体面对面课堂中的应用结果
其次，学生被问及他们是否认为多媒体应用应该是课堂
的一个优点。结果如图 5所示：
图五：结果应用程序对课堂教学带来了好处
另一方面，学生们被问及是否考虑到多媒体应用显示了
教师对氧化还原过程学习的兴趣。结果如图 6所示。
37.5
53.1
9.4
Indiferent Agree Certainly agree
Application multimedia is very beneficial
in class (%)
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图六：结果多媒体应用表现出教师对学习的浓厚兴趣
最后，对多媒体应用帮助学生更好地理解氧化还原反应进行问卷调查。图七显示了得到的结果。
结果表明，研究人群认为多媒体应用是有用的。效用并
没有超越学习的兴趣，因为面对化学学科的态度障碍才是真
正的困难。这是一个重要的事实，需要教师们注意反思修订
教学方法和评价的必要性，因为虽然学习需要努力，但困难
不仅仅是缺乏兴趣。
关于媒体应用的效用所得到的结果，绝大多数的回答都
在3以上，这可以被认为是对应用使用的一种积极的态度。
值3表示学生在使用此应用程序时没有观察到改进或恶化。
然而，几乎所有积极问题的答案都显示值大于 3，而那些具
有消极性质的问题的样本值小于 3。这说明多媒体应用总体
上得到了积极评价。学生认为多媒体应用应该是一个很好的
ITC 工具的例子，可以达到理解氧化还原反应效果。学生们
写道，他们更喜欢多媒体应用，而不是传统的面对面教学。
因此，学生证明了应用多媒体比传统课堂更有效。
ITC 的使用表明，由于 ITC 的使用使学生能够实践和提
高他们的知识，学生在科学观念中可接受的科学观念的数量
显著增加。
虚拟元素周期表的使用、多媒体应用仿真和视频技术的
应用有助于提高问题的解决能力。这鼓励学生对科学和化学
产生新的想法，并创造条件让他们通过观看动画来创造记忆，
从而确认或修改现有的心理模型。此外，学生将有可能使用
氧化还原过程中创建的模型来理解需要分子水平的新化学
概念。
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6.3
9.4
40.6
18.8
25.0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Certainly
disagree
Disagree Indiferent Agree Certainly
agree
multimedia application shows interest of teacher
31%
63%
6%
multimedia application helps me to understand redox reactions
Indiferent
Agree
Disagree
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