化学教学中运用CAI教学，培养学生的创新思维
实验报告
一、课题的提出
时代在进步，社会在发展，世界经济和科学领域不断前移，创新意识和创新能力已成为一个国家综合国力和参与国际竞争的重要因素，而参与国际竞争的资本就是民族素质和科学技术，就是教育和人。正如江泽民主席在全国教育工作会议上强调的：“国运兴衰，系于教育”。然而在过去的“应试教育”中，所实行的“填鸭式教学” “复印机式教学”，只能培养出高分低能的学生，只能培养出会考试而不会干活的学生，只能培养出在奥林匹克中获金牌的学生，而不能培养出获诺贝尔奖的科学家。因此，在人类进入21世纪的今天，在知识经济今天，我们应该改变以往的教育方式，给下一代一个全新的教育，这种教育是一种全新的素质教育，是以培养创造能力和实践能力为目标的教育。
放眼世界，随着科学的高度发展，计算机的普及，教学技术的现代化，尤其国际互联网“Internet”在全球范围内迅速发展与普及，就加速了教育改革的步伐，传统的教学模式正受到新的教育观念和现代化教学手段的挑战，这就决定了教育必须现代化，才能适应信息时代的要求，也才能为国家，为人民培养出适应现代社会发展的新人。而教育现代化必须要教学手段的现代化。计算机辅助教育便是现代教育技术的核心。在计算机辅助教育这个领域里，较盛行的、最具教育特征的是CAI（CAI是英文Computer Assisted Instruction的简称，即“计算机辅助教学”）教学。CAI把教学内容，教学经验，计算机技术融为一体，实现教学功能。它能集中具有丰富经验教师的共同智慧，预先安排学习计划内容，通过人机对话方式，对众多学生进行个别化教学。CAI是一种完全新颖的教育和学习方式，与传统教育相比有许多不同的特点，它已成为课堂教学改革的必然趋势。
因此，本课题的研究符合教育信息化，教育技术现代化的要求，也符合当前化学教师和学生的需要和愿望，也是当前大力推行素质教育的需要，具有重要的现实意义。
二、实验目标
具体研究“化学教学中运用CAI教学，培养学生的创新思维”的教学模式、具体教学方法和教学原则，发挥教师的主导性和学生的主体性，落实“两全”（面向全体学生，全面提高教学质量），转变教育观念，实施素质教育，优化化学教学，实现化学教学质量的全面提高，真正的、最大程度的培养和提高学生的创新思维。具体分为：
1、学生：
（1）在原有的基础上有明显进步，掌握大纲要求掌握的化学知识；
（2）提高全体学生对化学的学习兴趣；改进“学习困难生”的学习意识，更新学习观念；全面提高学生的化学素质。
（3）初步掌握创造性思维活动；培养、增强创新意识；
（4）培养良好的创造习惯；提高个体创造思维能力；培养类创造；
（5）具有初步的计算机水平。
2、教师
（1）提高教师的教学水平，培养一支思想、业务过硬的教师队伍；
（2）转变观念；勇于创新，改进教法。
（3）带动教师应用CAI教学的现代教育手段，改变那种认为CAI教学是一种负担的错误思想，使教师都能跟上时代的步伐；
（4）探索本实验的原则、方法和规律；
3、社会：
（1）人的素质的提高；
（2）改变计算机不能为百姓服务的错误认识；改变“化学无用”的错误认识，加深对化学及环境保护的理解，提高人们的综合素质。
三、实验的理论依据
（1）本实验以马克思义理论和现代教育理论及邓小平同志的“三个面向”为指导，其中现代教育理论包括：心理学、教育学、创造学、脑科学、计算机优化课堂教学。实验过程中基本依据中学化学教学大纲，以社会、经济发展对人才的整体素质要求为根本依据，符合学生心理发展的实际作为重要依据，有效地调动学生学习的主动性、积极性，促进学生全面发展，把面向全体学生落到实处，充分发挥老师、学生、教学媒体方面的积极因素来进行教学设计，提高和优化整个系统的功能。立足于素质教育，开发和培养学生的创新思惟。
（2）建构主义学习理论与教学理论
建构主义学习理论的基本观点认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过建构意义的方式而获得。所要建构的意义是指：事物的性质、规律以及事物之间的内在联系。在学习过程中帮助学生建构意义就是要帮助学生对当前学习内容所反映的事物的性质、规律以及该事物与其它事物之间的内在联系达到较深刻的理解。这种理解在大脑中的长期存储形式就是关于当前所学内容的认知结构。由于学习是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人的帮助，即通过人际间的协作活动而实现的主动建构知识意义的过程，因此建构主义学习理论强调以学生为中心，认为“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素或四大属性。
（3）情感教育理论：教学过程既是传授知识，又是进行情感交流的过程，脱离学生的情感领域而传授知识和发展智能是低效的。教学过程中，只有把认知过程和情感过程交织在一起，才能有效地促进学生形成内在的学习动机，产生强烈的求知欲，实现学生个体的和谐发展。CAI具有交互性，CAI把教学和练习融为一体，使学生和计算机始终处在一系列交替询问和回答中，由于相互间信息及时得到反馈，计算机不断地给学生以评价和鼓励，这样便增强了学生学习的信心。CAI创造了没有窘迫感的学习环境，CAI进行的是个别化教学，对于学习差的学生，不会因为课堂内教师和同学的歧视，心理上感到压力。可以在完全没有窘迫感的学习环境下学习，容易取得良好效果。
四、实验实施的原则：
1、化学教学规律及教学原则；中学生学习化学的规律及心理特征；教学最优化原则。
2、系统性原则：化学教学系统是由化学教师、学生和教学媒体等诸要素组成的一种复杂的组合体。在教学实验中，教师、教材、教法、学生、学法等都是化学教学系统中的一个部分，充分发挥各要素对教学的作用，是实现素质教育，保证教学实验成功的必要条件。
3、动态性原则：任何系统都不是静止的，而是动态的。对于化学系统来说，这种动态性表现于人的要素与媒体之间、人的要素（教师与学生，学生与学生）之间，以及这些要素与教学环境的多向、多层次的交互作用。基于这一原则，教学实验中，教师的教法、CAI的教学模式、学生的学法以及技能水平都不是静止的，是动态可变的，是有一定的发展方向的。所以实验中应根据所得的反馈信息及时调整实验措施，以适应实验实际情况的变化。
4、现代教育技术原则。包括：a、目的性原则；b、师生积极参与活动原则；c、媒体选择与组合的最优化原则；d、视听与思考相结合的原则；e、反馈原则；f、以教为中心的课件设计原则；g、以学为中心的课件设计原则。
五、实验设计
1、实验时间和阶段
时间：20##年7月～20##年7月，周期为两年。
分四个阶段进行：
第一阶段：20##年7～10月，为准备阶段。成立课题领导小组，制定和审定实验方案；对学生进行摸底、测试和调查，了解学生的基本情况。
第二阶段：20##年11月至20##年12月，为实验阶段。对CAI教学模式及学生创新思维的培养进行实践和研究。收集实验相关资料。
第三阶段：20##年1月至2月，为实验总结阶段。全面检测，分析处理资料，总结规律，撰写实验报告。
第四阶段：20##年3月至7月，为推广应用阶段，并做好总结报告。
2、实验对象
实验班：高二〈4〉班，54人；对比班：高二〈5〉班，54人。
把高一第二学期期末成绩及在实验准备阶段进行的摸底测试作为实验前的成绩（表一）。具体成绩见成绩册。
表一：
表一，两个班的平均分和各分数段人数都相差不大，说明两个班的总体水平和成绩的分化程度都相近，没有明显的差异。因此，实验前实验班和对比班是两个典型的平行班。
3、实验使用的教材
人民教育出版社高级中学课本《化学》第二、三册。
4、操作方法：利用上述理论假设为依据，精心选择好CAI教学模式、精心制作好每一个课件、精心设计好每一节实验课并付诸实施。操作程序见下图：
六、实验具体实施的方法
（一）利用计算机的特有功能，创设课堂教学情境，激发学生的兴趣与求知欲。兴趣是最好的老师，而学生兴趣的培养主要来自教师的课堂教学。CAI能把文字、声音、图象、音像、动画等传播媒体集于一体，为情境的创设提供物质基础。如在讲授《乙醇》一节时，播放工厂生产酒的场面与流程，并把酒的生产原理用Flash制成动画，这样既激发了学生学习的兴趣与求知欲，又有利于学生理解所学知识，这是传统教学无法实现的。
（二）制作动画，模拟实验、原理等，突破教学重点和难点。化学基础理论的教学是化学教学的难点之一，因为这些内容表现形式单一，缺乏直观性，而学生对微观理论的理解往往因抽象而感到困难。运用CAI则可突破微观理论教学这一难点，将微观理论宏观化，抽象的理论具体化、感性化，化静为动。我在讲解有机化学的反应原理及煤、石油的形成时，都把它们制作成动画的形式，或利用计算机提供感性素材，这样便加深了学生从感性到理性的认识过程，解决了疑难，巩固了知识。此外，现象不明显的、反应过于剧烈的及一些自然现象如煤田自燃、垃圾爆炸、火山爆发、油井灭火、三废形成及治理等，可制成动画模拟出来。我在会考复习时利用计算机模拟稀释浓硫酸时将水加入浓硫酸的错误操作，通过模拟实验既加深了学生的印象，又使学生准确的掌握了知识，还避免意外事故的发生！
（三）利用CAI课件的交互性，发挥学生的主体性。在教学中，我把一些似是而非的问题，如概念、原理等通过电脑设计成游戏或对话的形式，这样在教学中学生的参与性更强，主体性更突出，而且使用时能方便地纠错和反馈，对学生的创造能力、创新思维的培养及树立学生的创新观念极有帮助。
（四）增大课堂容量，提高教学和学习效率。CAI教学，信息量大，比传统教学能节省时间，使学生能更快地理解和掌握重点、难点知识，真正提高学习效率。
（五）三种思维的培养。
素质教育要求我们在教学中要注重培养学生的创新思维。对此，在教改中，教学设计、课件设计都针对能力、思维的培养，特别注重直觉思维、发散思维和抽象思维的培养。
1、直觉思维是创造思维的重要组成部分，是学生进行创造思维活动的关键。这就要求教师在教学设计中把科学结论设计成问题等形式；在课件设计中要提供直觉思维的素材；在教法上鼓励学生用直觉思维去分析、解决问题，掌握直觉思维方法。
如在讲解苯的结构时，我是这样设计课件的：（1）给出问题，由学生求分子式→（2）由分子式写出可能的结构式（以讨论形式）→（3）提供素材（把凯库勒梦见蛇的情景制作成动画）→（4）由学生根据该情景，正确写出苯的结构式。这样，既在教学中穿插了化学史教育，激发了学生的求知欲，又培养了学生的直觉思维。
2、发散思维。发散思维是指从同一来源材料探求不同答案的思维过程。它具有流畅性、变通性和创造性的特征。加强发散思维能力的训练是培养学生的创造思维的重要环节。根据现代心理学的观点，一个人创造能力的大小，一般来说与他的发散思维能力是成正比例的。
比如训练学生对同一条件，联想多种结论；改变思维角度，进行变式训练；培养学生个性，鼓励创优创新；加强一题多解、一题多变、一题多思等。在讲解洗气瓶时，我是这样设计课件的：（1）投影出洗气瓶装置→（2）洗气瓶有哪些用途（或由学生设计洗气瓶可进行哪些实验）→（3）观看制作的动画→（4）学生得出结论→（5）播放错误操作的动画，讲解注意事项。这样既使学生掌握了洗气瓶的用途及注意事项，留下了深刻的印象，又培养了学生的发散思维。又如，在讲解喷泉实验时，由学生思考实验不成功的原因等等。
3、抽象思维。抽象思维是集中思维的基础，是创造思维的重要内容，也是形成概念的主要手段。教学中通过揭示概念的发生发展过程，引导学生发现规律，建立概念，并将抽象概括活动与具体化活动紧密联系，将抽象概括出的一般认识应用到具体的特殊事物上。
如讲解加成反应的概念设计为：（1）讲解加成反应的概念→（2）播放乙烯与溴反应的动画→（3）由动画讲解加成反应的原理→（4）练习。这样学生不仅掌握了加成反应的原理，还掌握了这一类型方程式的书写，也为讲解加聚反应奠定了基础。
七、实验效果的检测及分析
1、兴趣方面：
（1）在实验过程中，就学生对化学科感兴趣情况进行了3次无记名问卷调查，结果如表二：
表二：
（2）全级在高考中选化学作为X科情况（表三）：
表三：
表二、表三数据表明，随着教改实验的开展，学生对化学学科的兴趣呈明显增大的趋势。大部分同学最终选择化学作为高考的X科（实验班中，选考化学的占31.5%，高于任何一个班选考任一学科）。这表明教改实验对培养和激发学生学习化学的兴趣是有效的。
2、注意力集中程度、学习积极性和自学能力：
（1）《乙醇》一节，学生注意力集中程度观察结果对比（表四）：
表四：
高二第二学期开学初，对学习积极性及自学教材的情况进行无记名调查统计如表五。
表五：
表五数据表明，实验班通过教改实验教学，自学意识大大超过对比班。说明教改实验对培养学生主动学习、探求科学知识的意识及自学能力有显著的作用。
3、创新思维方面（如直观思维、发散思维和抽象思维等）
（1）在20##年11月对实验班和对比班的同学举行了一次实验操作竞赛。给出相同仪器，由学生设计、组装，以合理、多用途者为冠军。结果实验班包揽了一、二等奖，实验班平均设计、组装的实验装置高于对比班4种。
（2）在总结阶段，对学生进行了这样两道测试题：110分钟内写出H2SO4的用途。结果实验班有12位同学在5分钟内能写出9种以上的用途，而对比班最多的为6种。在10分钟内，实验班所写H2SO4的用途平均8.2种，而对比班为5.4钟。
25分钟内说出只用广口瓶（导管等附带仪器自选）能进行那些实验操作。结果实验班平均可举出8种，而对比班平均5种。
（3）抢答考试，在阶段总结期间，根据学生已有的化学知识，精心组织了一系列抢答题（50%左右为原子、晶体结构、有机分子结构等微观方面的知识），两班检测结果如表六。
表六：
从以上三类测试可看出，无论学生思维的敏捷性、灵活性、逻辑性、创造性、严密性，还是发散思维、收敛思维、抽象思维、直观思维等，实验班的学生都远远强于对比班的学生。
4、知识面方面：
（1）20##年6月学校进行了一次非毕业班“环保知识竞赛”，实验班获一等奖2人，二等奖3人，三等奖4人。对比班无一等奖获得者，二等奖1人，三等奖3人。这也可看出，通过教改实验教学，实验班的学生更加关注与化学有关的知识（包括社会热点问题），开拓了学习思维，更新了学习观念。
（2）A、在学校举行的每月班报（要求电脑打印、排版）评比中，实验班包揽了所有第一名。B、20##年3月高二级组、数学科组、教导处举行了一次高二级电脑排版比赛，实验班包揽了一、二等奖。从这可看出，通过教改实验，对学生（尤其经济欠发达地区的学生）计算机水平的提高有极大的帮助。
（3）在研究性学习中，张燕、张玲华、卢祝优、赖兴强、卢云龙等五位同学的《墨江河的治理与开发利用》及沈学立、郭惠斌、周小连、陈赞桃、林嫔等五位同学的《建设始兴生态县——垃圾的处理与应用》获校研究性学习论文与成果一等奖（全校仅三个课题获一等奖）。从这可看出教改实验不仅拓宽了学生的知识面，而且对学生思考问题、分析问题、解决问题、运用知识等的能力及批判性思维的培养有极大的效果。
5、教学模式方面：
（1）学生对教法的喜欢程度（表七）；（2）这样的教法能否帮助你更易理解所授的内容及能力的提高（表八）。
表七： 表八：
表七说明该教法相当受学生欢迎。表八说明该教法对学生理解问题及能力的提高有很大的帮助。
6、摸底测试、阶段测试、总结测试、会考测试各分数分布情况与对比班比较（表九）（备注：阶段测试、总结测试均为非本级科任教师命题、评卷，会考测试由省统一命题。）。
表九：
表中数据反映，实验前实验班与对比班成绩个分数段基本一致。随着教改实验的进行，实验班各分数段人数分布趋于向高分数段分布，各层次学生在学习中，都在原有的基础上取得了一定程度的进步。这一事实表明教改是成功的。
7、摸底测试、阶段测试、总结测试、会考测试平均分和及格率与对比班比较（表十）：
表十：
8、会考测试中优良率、合格率与对比班比较（表十一）。
表十一：
表十、十一数据表明，实验前两个班无显著差异，属典型的平行班，实验后有显著差异，实验班明显优于对比班，成绩有显著进步，智力水平有明显提高。
9、高考化学科成绩（具体成绩见附录。其中A：实验班选考化学科的考生；B：全校除A外，选考化学科考生；C：全校选考化学科考生：考情：考试情况）（表十二）
表十二：
高考既是对知识的考察，更是对能力的考察。从表十二数据可看出，实验班智力水平比对比班明显优于一个层次。这说明，进行CAI教学确实能培养学生的创新思维。
10、综合科高考情况（具体成绩见附录）（表十三）
表十三：
从表十三可看出，实验班考生的知识面、综合运用知识的能力明显优于对比班。
从以上实验效果可看出，教改实验验证了实验的理论假设，实现了教改的各项目标，不仅能大面积的提高教学质量，而且能有效的培养学生的创新思维。根据本实验的操作程序，在20##年3~6月期间，学校分别在各科组进行试验与验证，取得了同样的效果，受到全校大部分师生的认可和欢迎。20##年4月承担的全校性多媒体示范课，受到学校所有领导及教师的肯定和好评。在20##年12月及20##年12月，教育局在风度中学举行的全县中小学优质课比赛中，我运用CAI进行教学，也同样取得了很好的效果，受到评委及风度中学教师和学生的认可与欢迎，并获得了两次比赛的第一名。
由于该教法效果突出，有利于素质教育的实施，20##年6月本教改实验通过了学校实验领导小组的评估。学校决定：所有公开课都必须使用CAI进行教学，并规定每位老师每学期使用CAI教学的次数。
八、实验体会
<一>教改过程中应处理好下面几个关系：
1、教师与教改的关系。教改工作量大，必然增加教师的体力和脑力量。教师应充分理解教改的意义，必须主动、投入、充满热情，要有耐心和毅力，持之以恒。
2、教育与教学的关系。教改过程学生必然产生各种思想变化，尤其学习困难生思想变化更为复杂。因此，应重视思想教育工作，做教育工作必须细心、及时、有针对性，讲究工作艺术，消除学生思想障碍，利于教改工作的顺利进行。
<二>教师与CAI的关系：
根据教改实践中的一些体会，我认为要使CAI真正服务于教学，就应该做好以下几个方面：一个意识、七个原则、避免六个误区。
一、教学过程中要有意识地利用CAI教学特有的优势培养学生的创新思维。
1、教学思想上要有意识的培养学生的创新思维。
只有思想上有这种意识，培养学生的创新思维才会贯穿于教学中，也才能真正的、最大程度的达到培养学生创新思维的目的。
2、CAI方面
（1）要有意识地使用CAI进行教学。
（2）CAI的设计与使用，要有意识地体现教师的主导性和学生的主体性。
学生主体观，是现代教学理论的核心观点之一，没有学生的主体性，就不可能有学生的创造性，更谈不上思维的创新性。
二、七个原则
利用CAI进行化学教学应遵循以下七个原则，才能更有效的发挥多媒体教学的优越性，也才能真正的、最大程度的培养和提高学生的创新思维。
1、辅助性原则。“辅助”两字很重要，不能滥用，不能为使用电教而用电教，也不能变“传统满堂灌”为“电教满堂灌”。
2、科学性原则。3、交互性原则。
4、实验优先原则。教材上的演示实验、学生实验技能，一般不宜用电教方式取代，得优先考虑具体直观的实验。只有某些现象不明显的实验，反应原理的模拟，有毒的、危险的实验模拟，工业生产设备、流程的模拟和剖析以及实验的复习等，才考虑用剪辑的录像或多媒体动画模拟。
5、注意性原则。课件的设计，除了吸引学生的无意注意外，最重要的是要保持有意注意。对此，制作课件时，不要过分的装饰背景、声音及对教学帮助不大的动画应尽量少出现。
6、实效性原则。不能为电教而电教，为多媒体而多媒体。应做到（1）充分利用传统教学的优点；（2）什么媒体效果最好，就用什么媒体。
7、高效率原则。
四、CAI在化学教学中的误区及分析
误区一：排斥传统教学手段，丢掉粉笔和黑板，不管课程内容如何，一律采用无板书——CAI课件设计。
误区二：重形式，轻内容，通过教改我认为：切入点（突出重点，突破难点；创设情境，激发兴趣；化难为易，化静为动；举例验证，建立概念；显示过程，形成表象；设疑置难，引起思辩等等）很重要。
误区三：机器的奴隶（重演示操作轻推理分析），手忙脚乱使教师成了放映员，使学生觉得“只见器不见人”“只见画不见文”“只有播音员音响而不闻老师之声音”，也就是说老师的言传身教等于零。笔者认为，制作软件时，声音必须能控制，交互方式要简单，形式要灵活。
误区四：制作课件贪大求全，得不偿失。
误区五：多媒体教学取代了实验教学。