信息技術與化學學科教學深度融合的案例研究

項佳敏 錢華 馬宏佳 陳凱

摘要：以近兩年全國“威尼爾”（Vernier）杯化學數字化實驗創新設計大賽的50個優秀作品文本為研究對象，用內容分析法分析作品的教師研究目的、學生發展目標、學科教學策略和技術使用情況，討論了以數字化實驗為例的信息技術在化學學科中深度融合的高、低達標維度，并針對數字化實驗在化學學科教學中的深度融合提出建議。

關鍵詞：數字化實驗; 信息技術; 化學教學; 深度融合; 內容分析法

文章編號：1005-6629（2020）09-0021-07

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1?引言

信息技術的發展影響各行各業，不可能遺漏教育領域，而教育出于自身發展進步的需要，會很自然地擁抱信息技術[1]。2012年3月，教育部發布了《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》，開頭直接引用了《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》中首次提出的重大命題：“信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以高度重視。[2]”我國也從信息技術與課程整合階段進入到信息技術與課程深度融合階段[3]。

2018年1月，《普通高中化學課程標準（2017年版）》正式頒布[4]，該標準提出要在實驗教學中發揮現代信息技術的作用，積極探索現代信息技術與化學實驗的深度融合，在化學教材中引入數字化實驗。

化學是一門以實驗為基礎的學科，化學實驗是學生認識化學世界的重要方式，但在實驗教學中常遇到部分實驗無明顯現象、觀察到的現象無法解釋原理、物質的微觀結構與反應歷程難于從教材示意圖得到理解等問題。數字化實驗是信息技術發展和科學教育研究相結合的產物，以數字化實驗為例的信息技術與實驗教學的整合，是教育改革規劃所導向，是破解單調說教式實驗教學較為現實的措施[5]。

本研究以全國化學數字化實驗大賽的優秀作品為研究對象，旨在了解信息技術與化學學科的深度融合的現實問題，尤其是從實踐層面研究數字化實驗融入化學教學的現狀和特點，具體受到以下研究問題的指導：

（1） 把數字化實驗融入化學教學的實踐，促進了師生哪些目標的實現？

（2） 教師在化學課堂中應用數字化實驗時，采用了哪些教學策略？

（3） 數字化實驗在融入化學教學的過程中體現出了哪些技術優勢？

2?理論框架

數字化實驗是指利用傳感器、數據采集器和計算機及相應軟件進行的實驗[6]。與傳統實驗相比，數字化實驗最大的特色就是借助傳感器和信息處理終端進行實驗數據的實時采集與分析，替代人工采集數據的模式，實現了人類感官的延伸，使化學實驗超越傳統模式，進入數字化、信息化感知模式。

教育的根本目的是立足于“人的發展”，信息技術與化學學科的深度融合也是“人、技術、學科”的大融合。

從學生層面上看，數字化實驗與化學學科的深度融合體現在培養學生化學學科素養，發展學生的化學認知、化學能力和化學價值觀[7]。美國研究學者發現，數字化實驗的運用對學生帶來的影響主要表現在這五個方面：（1）提高學生的認知能力[8];（2）提高學生的圖像分析能力[9];（3）提高學生的科學探究能力[10];（4）改善學生的學習態度[11];（5）提高學生的學業成績。

從教師層面上看，數字化實驗與化學學科的深度融合一方面體現在深化教師的學科認識，提升教師的教研能力;另一方面體現在優化實驗教學，便于學生理解，突破傳統實驗的限制，從不能解決到能解決、從定性實驗到定量實驗、從間接測量到直接測量等。Choo（2005）等人通過調查發現教師并未充分挖掘數字化實驗對于探究教學的價值，在教學中過于注重操作技能而忽視了學生對數據分析能力的培養[12]。

從學科教學層面上看，數字化實驗可以基于多重教學策略，促進學生在現有認知發展水平上感知科學、建構抽象化學概念。同時，數字化實驗與化學學科的深度融合可以變革傳統課堂教學結構，將教師主宰課堂的“以教師為中心”的傳統教學結構，改變為既能充分發揮教師主導作用，又能突出體現學生主體地位的“主導—主體相結合”教學結構[13]。

從技術手段層面上看，數字化實驗中種類豐富的傳感器要能滿足不同的教學需求，可針對不同的問題進行多重表征，同時該技術的可操作性強，便于師生理解應用。Lavonen（2003）等人針對一線化學教師設計“李克特量表”問卷，得出教師認為手持技術應具有的六大核心因素：多功能性、用戶界面、數據呈現、數據采集、設置和適用性[14]。

3?研究方法

本文應用內容分析法研究近兩年由中國教育學會化學教學專業委員會與南京師范大學《化學教與學》雜志社共同主辦的全國“威尼爾”（Vernier）杯化學數字化實驗創新設計大賽（簡稱“V杯賽”）的獲獎實驗案例文本，以分析50個較成熟的數字化實驗案例在化學學科中深度融合的情況，并嘗試針對數字化實驗在化學學科教學中的深度融合提出相關建議和策略。

3.1?研究對象

本研究樣本為2018～2019年V杯賽的獲獎實驗案例文本，有效樣本共計50篇。按照最新化學課程標準的模塊設置，根據主題知識類型對這些文本重新進行分類編號（見表1）。

3.2?建立評價框架

已有的信息技術與課程融合的評價研究文獻成果是確定內容編碼的依據，本研究的評價框架主要參考譚超穎[15]和Mukherjee[16]（2013）兩位學者的論文，并邀請2位課程與教學論專家對該研究工具提出建議。

結合數字化實驗案例設計文本，本研究從“數字化實驗儀器的使用情況”“實驗的質量維度”和“實驗的內容領域”這三個方面進行分析，具體設置了“教師研究目的”“學生發展目標”“學科教學策略”和“技術使用”這4個一級維度，并下分了20個二級維度（見表2），在研究過程中，以每一篇獨立的實驗設計文本為分析單元進行統計和分析。

3.3?資料編碼分析

根據表2的數字化實驗內容分析框架，對實驗設計文本進行編碼，以每篇設計文本為分析單元，只要這篇文本中出現了框架中某一個維度的關鍵詞或體現相關理念，即計頻數為1;如果同篇文本相關維度出現多次，不重復累計頻數。

在編碼過程中，邀請三名化學教育方向的研究生以表2的數字化實驗評價維度為依據對實驗案例設計文本進行編碼、評價。由如下公式[17]計算三位評分者的互相同意度與信度：

經檢驗，本研究總維度平均相互同意度（K）為0.81，平均信度（R）為0.92（R>0.9），信度檢驗合格，各一級維度的同意度和信度如表3。

在編碼結束后，三位評分者針對編碼不一致的地方再次進行討論協商，最終達成一致。

4?結果與討論

在結果統計中，筆者匯總了案例中所有用到的數字化儀器種類和數量（見圖1），將50個案例分成了8個模塊（見表1），統計了每個模塊中的案例，在4個一級維度和20個二級維度上（見表2）的達成情況，具體數據及分析如下。

4.1?數字化儀器的使用情況分析

從對數字化儀器的統計結果中可以看出，本研究中的50個數字化實驗案例包括了多達20種不同的傳感器（測量功能），這充分體現了數字化實驗的多功能性。在50個案例中，有19個（38%）使用了pH傳感器，8或9個（16%～18%）使用了溫度傳感器和氧氣傳感器，這又體現了數字化實驗的普適性。數字化儀器的加入，使得化學實驗突破傳統模式，簡化實驗步驟，化間接測量或不能測量為直接測量，增加原先在傳統實驗中不能表征的維度。

4.2?實驗達標維度分析

分析比較50個數字化實驗案例在各二級維度上的達標情況，結果如圖2。

4.2.1?高達標維度

在20個二級維度中，有5個維度的達標率達到了100%，分別是“突破常規實驗”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“技術的適用性”以及“技術的多功能性”，另外在“便于學生理解”維度也達到了98%。這說明這50個優秀的數字化實驗案例都以促進學生理解為立足點，利用手持技術突破傳統實驗的限制，而不是為了體現“技術”而改進，浮于展示技術和現象的表面，只有能促進學生認知的改進才算是“深度融合”的體現。同時，數字化實驗的操作過程較為簡單，易被師生學習和理解，利用不同的傳感器表征可以應用于多類問題解決。

從數據可得，這50個實驗案例都能培養學生“證據推理與模型認知”和“科學探究和創新意識”這兩個方面的化學核心素養。一方面，本研究的研究對象就是數字化實驗案例，本身的立足點就在于實驗探究并突破傳統實驗，因此在“科學探究和創新意識”維度達成度高，縱然是教師演示的數字化實驗，也可以通過與傳統實驗不一樣的視角、和常規實驗截然不同的思維來提供創新意識的示范;另一方面，該評價結果表明教師在設計實驗時重視了學生對數據和結果進行討論和分析能力的培養，傳統的化學實驗探究教學往往過于注重操作技能，容易忽略對證據和理由的深度思考，數字化實驗有助于數據顯性化、證據可視化，從而提供建立問題解決的模型構建途徑。

例如，利用溶解氧傳感器、溫度傳感器和氧氣濃度傳感器探究“氧氣水溶度的影響因素”，若用傳統實驗研究氣體水溶度問題，一般利用氣體容器的體積變化來間接測量，但該類傳統實驗的不足在于：（1）無法排除混合氣體中其他氣體的溶解影響;（2）利用體積變化來間接測量數據不準確，只能通過這一個表征粗略地定性研究;（3）對于像氧氣這一類本身溶解度較小的氣體來說，氣體溶解后體積變化不明顯，難以測量……但若用數字化實驗來解決該問題，這些限制就能被突破，傳感器可以實時探測空氣中的含氧量以及水溶液中的含氧量，并以直觀的數據圖像展現給學生，直接讓學生“看見”氧氣在空氣和水中的含量變化，促進學生理解，并且通過改變溫度等其他條件，利用其他傳感器表征解決這一類問題。

4.2.2?低達標維度

達標率低于50%的維度有四個，分別是“以學生為中心”“認知沖突”“合作學習”和“基于真實情境”。本研究中的數字化實驗案例文本只有24%體現了學生實驗、分析、匯報、反思等學生活動，以及只有20%體現了師生合作、生生合作的教學模式。數字化實驗涉及裝置的搭建、軟件的使用、數據的分析等環節，促進合作學習應為數字化實驗本身的優勢之一，但在案例文本中沒有較多的體現，但這也與本研究的樣本選取有關，畢竟本研究中的案例多為實驗案例設計，而非教學設計，因此在“學生行為”方面的文本較少。在研究問題的選擇上，教師還是傾向于從教材出發，真實的問題解決情境較少，并且只有32%的問題是來源于師生的認知沖突。

4.3?實驗內容分析

比較各模塊的頻次分布情況和平均頻次，結果如圖3所示。

從各個模塊的案例數量分布來看，中學化學教師非常青睞“常見的無機物及其應用”和“物質結構基礎及化學反應規律”這兩個模塊，說明目前的數字化實驗較多應用于性質和原理的教學，如探究金屬活動性、研究銨鹽與金屬鎂的反應規律、探究膠體粒子的形成過程等等。另外，初中案例整體偏少，這也值得我們思考：究竟是學科內容的不適合，還是初中教師不善于用技術支持學科實驗？

從圖表中我們可以看出各模塊的案例數量與各模塊的維度頻次的數量趨勢大致相同，結合各模塊的評價頻次，發現各模塊中每個案例在維度達標數量大約在13～14個，各模塊在平均頻次上沒有明顯差異。相對來說，平均頻次最高的是高中的“化學與社會發展”模塊。在本研究涉及的50個案例中包含3個，分別是酸雨的pH探究、水培植物生長環境自動化調節實驗以及探究抗酸藥的抗酸能力。這些實驗案例都是基于真實情境的大任務型問題解決，并且與社會、技術和生活緊密聯系，通過這樣的科學探究和多學科融合的過程，學生能發展多維化學核心素養。

例如，在“水培植物生長環境自動化調節實驗”中，教師利用光學溶解氧傳感器、pH傳感器等數字化儀器，為生物和化學學科的融合架起了橋梁;再如“通過音樂節奏的快慢變化表現溶液中離子濃度的大小”，教師利用導電率傳感器和TI創新系統，將化學與計算機編程和藝術相融合。

5?研究結論

通過上述對50個較成熟的數字化實驗案例文本的研究，可以得出信息技術與化學教學深度融合過程中有以下特點和不足：

（1） 在數字化實驗與化學教學深度融合過程中，教師都以促進學生理解為目標，而不是僅限于展示“技術”本身，并且利用數字化實驗可以達到常規實驗所“不能”，從定性研究到定量研究、從間接測量到直接測量等。

（2） 數字化實驗可以促進師生對化學知識本體的認識，教師較多地將數字化實驗融合在“常見的無機物及其應用”和“物質結構基礎及化學反應規律”這兩個模塊，目前數字化實驗多用于對物質的性質和反應原理的探究。

（3） 總體來看，數字化實驗與化學學科的融合對學生化學核心素養的發展較為可觀，尤其在“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”和“科學態度和社會責任”方面。

（4） 本研究的案例在學科教學策略維度的體現相對較少，教師傾向于從教材出發設計實驗探究案例，基于認知沖突和基于真實情境的案例較少。

（5） 案例文本中未能較多體現師生合作、生生合作的教學模式，學生在整個探究活動的實驗、交流、反思等環節也較少提及，但這也與本研究選取的樣本性質有關，樣本側重于實驗案例設計，而非實驗教學設計。

6?啟示與反思

6.1?明確數字化實驗融入化學教學的目的

6.1.1?挖掘實驗的育人價值

數字化實驗在根本上是為“育人”服務的，因此，無論是教師、學者自己利用手持技術研究疑難問題，還是設計成學生探究實驗，數字化實驗的運用都不能脫離為了“人的發展”的根本目的。若單純為了展示技術或學習技術而采用數字化實驗，并不能促進人們對問題的理解、滿足師生的發展需要、培養學科核心素養。

6.1.2?拓展問題解決的新視角

數字化實驗的應用應該從學習視角出發，為師生解決問題提供新的視角思路——利用技術讓原本難以研究的問題找到突破口，讓原本難以理解的抽象問題顯性化、可視化。由于現代化學科研對技術的依賴，實驗室里簡單的試劑儀器已經不滿足時代的要求了，數字化實驗的融合可以讓學生體驗現代化學科研過程，讓每個學生學會讀圖分析，培養學生的數據分析能力。

6.2?優化數字化實驗融入化學教學的方法策略

6.2.1?化間接測量為直接測量，簡化實驗步驟

一般化學實驗中的物質變化可以從多個維度進行表征，常規化學實驗只能從宏觀可觀測的現象進行分析推理，如顏色、狀態、溫度、體積等，數字化實驗技術的加入可以看作是對人感官的延伸，使我們視原先之不可見、聽原先之不能聞、觸原先之不宜碰。

6.2.2?化定性分析為定量測量，提高結果準確性

數字化實驗的數據、圖像、儀表三大類表征形態，均能提供大量精確、可靠的數據，避免因人工觀測和記錄而產生的主觀誤差和客觀失誤，提高了結果的準確性。但在實驗過程中，教師也要注意因傳感器擾動等因素引起的數據異常，讓學生對所探究的科學概念的理解產生偏差[18]。

6.2.3?呈現直觀現象，便于學生理解

數字化實驗蘊含信息轉換思維，教師根據不同的實驗需求，可以利用數字化儀器查看任一時刻或某個過程的實驗數據，通過“實時性記錄”最后將實驗結果以直觀的圖像等形式展示給學生，讓學生進行科學的分析研究，通過直觀的實驗現象促進學生的理解。

6.2.4?發揮技術優勢，變革教學方法

數字化實驗的應用不應該只是簡單的、機械地用數字化儀器替代傳統的儀器，要充分體現數字化實驗的優點，必須對教學方法進行有效的變革[19]。例如，新一代數據采集器具有便攜性，數字化實驗可以突破常規實驗的空間限制，實現現場實時測定，教師可以利用該優勢，創設真實情境，設計學生探究實驗，比如在戶外測定池塘水的含氧量，并在這樣的過程中讓學生自主探究、小組合作等，避免將目光局限于技術，而是綜合兼顧其他教學策略，培養學生的核心素養。

6.3?突破數字化實驗對技術工具的應用

隨著科技的進步和傳感器成本的進一步降低，我們可以把越來越多的新技術納入數字化實驗中，使數字化實驗的技術功能更加豐富。例如目前已有研究者把微距攝影用于化學物質形態表征，把熱成像儀用于溫度分布的表征[20]。這些新技術都可以被開發成標準化的傳感器，納入數字化實驗系統中。此外，目前常規的數據采集器通常只有4個接口，但未來可以研發出更多接口數量的數據采集器，并進一步縮小數據采集的延遲，以便更高效、更實時地收集更多數據。

6.4?本研究的局限性

本研究也存在一定的局限性。一方面，在樣本的性質上，本研究中的案例多為實驗案例設計，而非教學設計，更非教學實錄，因此在“學生行為”方面的文本較少，可能這也是導致各個案例在“教學策略”維度普遍體現較少的原因之一。

另一方面，在樣本的時間跨度上，本研究選取了2018～2019年的案例，時間跨度相對較短，因此對于時間維度上的規律性認識挖掘較少。

在對未來的研究展望中，可以選取課堂實錄視頻樣本以及增加樣本的時間跨度，有望突破這種局限性，得出其他準確、有價值的規律認識。

（致謝：作者特此感謝南京師范大學教師教育學院蔣怡、李超、姜文娜同學在數據評分編碼中所做的相關工作。）

參考文獻：

[1][6][7][19]馬宏佳. 化學數字化實驗的理論與實踐[M]. 北京：人民教育出版社， 2017.

[2][13]何克抗. 如何實現信息技術與教育的“深度融合”[J]. 課程·教材·教法， 2014， 34（2）：58～62+67.

[3][15]譚超穎. 信息技術與課程深度融合下的教學評價指標研究——以初中課程為例[D]. 成都：四川師范大學碩士學位論文， 2017.

[4]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社， 2018.

[5]曹開華. 用現代信息技術破解化學實驗教學的困惑[J]. 知識經濟， 2019， （16）：124.

[8]Sheppard K. High school students understanding of titrations and related acidbase phenomena [J]. Chemistry Education Research and Practice， 2006， 7（1）：32～35.

[9]Barton R. Computeraided graphing：a comparative study [J]. Journal of Information Technology for Teacher， 1997， 6（1）：59～72.

[10]Friedler Y， Naehmias R， Linn M. Learning scientific reasoning sills microcomputerbased laboratories [J]. Journal of Research in Science Teaching， 1990， 27（2）：173～191.

[11]Boone W， Edson J. Ninth graders attitudes towards selected uses of technology [J]. Journal of Information Technology for Teacher， 1994， 3（4）：239～247.

[12]Choo S W， Tan D K C， Hedberg J G， Seng K T. Use of dataloggers in science learning in Singapore Schools [C]. Proceedings of the 2005 conference on Towards Sustainable and Scalable Educational Innovations Informed by the Learning Sciences：Sharing Good Practices of Research， Experimentation and Innovation， 2005.

[14]Lavonen J， Aksela M， Juuti K， Meisalo V. Designing userfriendly datalogging for chemical education through factor analysis of teacher evaluation [J]. International Journal of Science Education， 2003， 25（12）：1471～1487.

[16]Michelle M. Mukherjee. Technological tools for science classrooms：choosing and using for productive and sustainable teaching and learning experiences [D]. The University of Queensland， 2013：6.

[17]和學新， 徐文彬. 教育研究方法[M]. 北京：北京師范大學出版社， 2015：202～210.

[18]Atar H Y. Chemistry students challenges in using MBLs in science laboratories， Proceedings of Association for the Education of teachers in Science [C]. AETS International Conference， Charlotte， 2002.

[20]凌一洲. 例談可視化技術在基礎實驗中的應用[J]. 化學教學， 2018， （5）：52～56.