高中化學數字化實驗校本課程開發與實施

王成秩

（福建師范大學附屬中學，福建福州 350007）

化學是以實驗為基礎的學科，化學實驗對全面發展學生的化學學科核心素養發揮著極其重要的作用。隨著科技的進步，化學實驗技術手段日新月異，融現代信息技術于一體的數字化實驗進入了化學課堂教學。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。［1］與傳統實驗相比，它能夠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，呈現可視的圖像信息，具有實時性、準確性、直觀性等特點，可以彌補某些傳統實驗操作不便，實驗數據不易采集的特點，使化學實驗進入數字化、信息化的感知模式。因此，數字化實驗得到了化學教育工作者的重視而被研究開發。《普通高中化學課程標準（2017版）》指出，高中化學課程教學以發展學生化學學科核心素養為主旨，要注重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。［2］數字化實驗促進學科核心素養的發展研究進一步得到重視。

綜合研究數字化實驗的文獻觀點來看：數字化實驗其數字、曲線圖像的同步表征能力，為化學學習提供了更為直觀的證據來源，將數字化實驗引入中學化學實驗教學中，能有效幫助學生理解和掌握化學知識，建構化學概念，理解反應原理，發展學科思維，提升學科核心素養。相對傳統實驗手段在發展學生“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”更高水平的素養上有獨特的優勢。［3］雖然數字化實驗優點突出，但實際上數字化實驗并沒有被廣泛應用于課堂教學，其優點沒有得到最大限度的發揮。其主要原因在于：一是由于數字化實驗對場地、儀器設備以及學生前期的操作培訓要求較高，數字化實驗若以學生分組實驗的形式應用于課堂教學，往往會占用較多的教學時間而影響教學進度，因此數字化實驗更多是教師以演示的形式在課堂中使用，學生獨立操作進行探究的機會很少。二是教科書中并沒有編寫數字化實驗案例，將數字化實驗應用于課堂教學需要教師開發設計，因此很多學校雖然建設了化學數字化實驗室或購買了相關設備，但數字化實驗多應用于教學觀摩或教學比賽中。

綜上，要讓數字化實驗真正地走進學生，發揮育人作用，需要開辟新的途徑。在諸多開展數字化教學過程的研究中，開發數字化實驗為載體的校本課程是一條可行的途徑。［4］校本課程是以學校為本位、由學校結合本校資源自己確定的課程，其自主性的特點能有效解決場地、課時安排等問題，能最大限度提高學生實驗操作的自主性。本文以高一化學為例，探討了基于核心素養的高中化學數字化實驗校本課程的開發與實施。

一、基于目標模式的課程開發

（一）課程開發的模式與程序

美國學者泰勒提出的目標模式是課程開發的常用模式，［5］該模式指出課程開發應包含“精確的、具體的課程目標、選擇學習經驗（或指內容的選擇和組織）、組織學習經驗（或指課堂教學）、評價學習結果（或指學業評價）”四個要素，結合四個要素“化學數字化實驗探索”開發程序依據圖1進行：

圖1

（二）課程目標的設置

校本課程是國家課程的有效補充，其開設是為了滿足學生未來發展的多樣化需求，因此校本課程的培養目標應該以國家課程培養目標為核心，結合課程內容的特點進行設置。數字化實驗校本課程的實質是實驗類課程，具有實踐性和探究性的特點，但實驗類的課程應以具體的化學知識為載體，進而建構化學概念、揭示化學反應原理。據此，本課程目標以發展學生學科核心素養為主旨，著重激發學習化學的興趣，突出實驗技能培養，促進學生對高一化學核心概念的深度理解，其內容為：一是能根據探究目的利用數字化儀器設計實驗方案，并完成實驗操作，初步形成數字化實驗操作技能；二是初步學會利用實驗得到的數據、曲線圖像、實驗現象等進行宏觀辨識與微觀探析、基于證據進行分析推理，能解釋證據與結論的關系；三是在實驗中感受學習化學的樂趣，深化理解高一教材部分核心概念，了解概念的形成過程。

（三）課程內容的選用

普通高中課程方案指出，課程內容的確定要符合思想性、時代性、基礎性、選擇性以及關聯性。［6］學校校本課程開設對象為高一學生，學生學習能力總體較好，校本課程實施時間按學段劃分，一個學年共計4個學段，每個學段10周左右，每周有一次的校本課程，每次課為2課時連課共80分鐘。根據上述特點，本課程內容選擇的依據定位為能夠體現高一必修教材核心概念的建構或元素化合物性質的探究，實驗方案相對簡單可操作性強，能涵蓋常見的數字化儀器，能與課時時間相匹配。實驗內容主要依據蘇教版高一必修部分實驗內容及學術期刊或書籍中的優秀案例進行改編。內容編寫基本按照：概念介紹——實驗探究——結果討論與分析的程序進行，知識內容的難易程度、活動過程的設計充分考慮高一學生的學習能力，注重與學生發展核心素養養成相聯系。

（四）課程內容編排與教學目標

為了讓課程更能與高一必修課程相融合，形成更合理的體系，課程內容編寫之后進行了主題劃分，整個課程分為4個主題，共24課時，每課時均突出核心概念的學習，其課程內容編排與教學目標如表1：

表1

主題一側重實驗技能的培養，是課程內容的基礎。幾乎所有的學生是第一次接觸數字化實驗的相關儀器，因此需要進行操作技能的培訓，讓他們掌握使用方法。除了數字化實驗之外，課程過程中還需要其他的一些輔助實驗如溶液的配制、樣品的稱量等，因此有必要進行相關定量儀器的介紹學習。

主題二至四側重概念建構知識，輔以物質性質探究。表1中呈現的實驗、核心概念幾乎都是國家必修1課程要求的相關實驗、概念，能符合高一學生的認知水平和實驗能力，體現了對必修課程的補充。與必修課程中的實驗相比較，最大不同在于采用了數字化實驗，希望通過數字化實驗的定量化特征幫助學生降低認知負荷，有效建構概念，讓學生在分析數據化曲線圖像提升信息提取能力，發展宏觀—微觀—符號認知能力，促進化學學科核心素養的落地。

二、課程的實施與反思

（一）課程的授課模式

“化學數字化實驗探索”校本課程面向高一學生進行自主選課組班，授課時間為每周五下午，課長為2課時連課共80分鐘，總課時為20-24課時。課程由兩位教師共同執教，其中一位教師主講，另一位教師協助指導學生進行實驗操作，參與學生的問題討論，做好學生課堂表現的評價記錄。授課主要采用教師講解—學生實驗—師生討論的模式，這一模式體現了教師的組織者作用，充分發揮了學生的主體作用。教師講解重在講概念原理，實驗方案的設計依據，學生實驗探究以兩人合作探究為主，教師指導為輔，重在培養學生的實驗操作能力和實驗記錄能力，養成觀察實驗發現問題的習慣，師生討論則是在教師的組織下學生根據實驗得到的數據、圖像進行分析對比得出結論、分享學習收獲，教師則對學生的匯報進行評價記錄。此環節重在培養學生交流表達的能力，培養學生基于宏微結合、證據推理的思維方式。

（二）課程的評價方式

課程評價包含了對學生的學習評價以及課程的自身評價，評價是為了評估課程的實施是否達成課程目標，為了修訂課程內容、優化教學模式，反饋學生學習情況和實施效果。

學習評價是校本課程教學的重要組成部分，對促進學生核心素養有積極的重要作用。本課程對學生的評價以過程性評價為主，堅持定性評價和定量評價相結合的原則，具體由課堂表現和實驗報告單兩部分組成，課堂表現評價體現學生在實驗過程、交流討論中的表現，主要包含聽課、實驗操作及發言情況，由教師給予定性評價。實驗報告單評價由教師根據學生完成的實驗報告單給予定量評價。兩者的評價情況在課程結束時，由教師以素質報告單的形式向學生反饋，素質報告單簡要評價學生的課堂表現、實驗操作能力，記錄學生發言的次數及每次實驗報告單的成績。在這些評價中學生尤其看中教師對其實驗操作能力的評價，教師簡潔的激勵性評價對學生是極大的鼓舞，對培養學生學習化學的興趣，養成科學嚴謹的實驗態度有著積極的作用。

為了解課程實施的效果，在課程學習結束之時向參與學習的學生進行了問卷調查和深度訪談。調研結果顯示多數學生對這門課的開設感到滿意，認為這門課的內容有助于深化對課本知識的理解，同時學習能力尤其是數據、曲線圖形分析能力和與他人合作的能力都得到了較大的提升。總體而言，學生對“化學數字化實驗探索”的內容設置與教學模式表示認可，也自感化學學習能力的顯著提升。

（三）反思

校本課程作為國家課程的重要補充，對于發展學生個性、促進學生全面發展有重要作用。校本課程的開發應當立足于本校校情，學校的師資、設備場所、嚴格的校本課程開設時間均是課程能得以開發與實施的重要保障。課程內容的開發不應拘泥于原創，而要重在整合形成體系，“化學數字化實驗探索”參照國家課程進行主題劃分，各主題以核心概念引領學習有利于促進知識的結構化。以學生實驗探究為主的教學模式轉變了學生的學習方式，能讓學生真正動手實踐、動腦思考，大大提高了學生參與課堂的積極性，基于數據、曲線圖像的分析方法促進了學生基于證據推理思維方法的養成。課程評價是優化課程的主要環節，但評價的措施還要進一步探討改進。