高中化學探究性實驗信息化教學環境調研

周業虹 楊青

摘要：《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中明確提出要發揮信息技術優勢，充分利用信息化教學資源，為學生創建線上線下、課上課下融合的“教、學、評一體化”的數字化學習環境。文章結合信息化教學相關的課題研究，針對高中化學中探究性實驗教學的關鍵環節，圍繞實施中可能存在的問題和信息技術的應用情況，在教師和學生中展開調研，以期通過調研了解高中化學探究性實驗教學對信息化資源和工具的具體需求，更精準地指導數字化教學資源的開發，為一線教學提供高效服務。

關鍵詞：高中化學;核心素養;實驗探究;信息化資源。

文章編號：1008-0546（2022）03-0085-05???? 中圖分類號：G632.41???? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03.019

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標）提出了五個維度的學科核心素養，其中“科學探究與創新意識”從實踐層面激勵學生勇于創新，[1]強調學生應借助已有的知識、原理、規律、方法對物質及其變化進行探索，在獲得新知的同時建構知識體系。化學實驗是科學探究的重要途徑，如何引導教師在帶領學生進行探究性實驗的過程中，積極探索現代信息技術與化學實驗的深度融合，發揮信息技術優勢，合理運用計算機模擬技術，達到落實并發展學生化學學科核心素養的目的，真正實現“教、學、評”一體化呢？

正是基于此目的，我們圍繞高中化學探究性實驗的教學現狀及對相關技術的應用展開了調研，以期了解實施探究性實驗的過程中師生對信息技術的需求，探索在數字化資源工具的融合應用中，更好地實現以學生為中心的自主、合作探究的教與學。

一、調研對象、內容與方法

我們選擇具有一定信息化教學經驗的化學教師及其所任教的學生為調研對象。調研內容包括探究性實驗教學的實際情況、面臨困難、對相關信息技術的運用（需求）這三個方面展開，調研問題見圖1。

調研方式包括網絡問卷、課堂觀察、專題訪談，范圍覆蓋北京、上海、廣東、遼寧等14個省（市）的60所學校，收集教師有效問卷540份，學生有效問卷3022份，其中高一年級學生占比48%，高二年級學生占比27%，高三年級學生占比24%。

二、對探究性實驗教學的調研結果及分析

1.影響學生科學探究能力的關鍵因素和面臨的主要問題

（1）影響學生科學探究能力的關鍵因素

關于“探究興趣高的實驗內容”，通過調研我們發現，學生對涉及化學反應原理的探究性實驗興趣最高，緊接著是化學反應規律、物質性質與檢驗等內容，如表1所示。

通過我們對調研結果的分析及與學生的進一步交流了解到，一方面，這些實驗的現象明顯、容易被觀察，另一方面，教師在實驗前會進行相應的方法指導，例如，引導學生關注如何控制變量、如何進行對照實驗、實驗中觀察哪些現象等，這些腳手架的搭建為學生獲取證據進行推理、最終得出科學結論指明了方向;同時，教師在實驗活動中為學生創設的自主、合作和交流的空間，也有助于促進學生對化學知識的理解和對科學探究方法的掌握。

因此，在探究性實驗中采取有效的措施，增強學生對科學探究的理解，使學生能在一定程度上自主把控探究過程，同時在不斷交流分享中能及時修正探究步驟、獲得教師的激勵，是影響學生科學探究能力的關鍵因素。

（2）學生在探究性實驗中遇到的主要問題

“科學探究與創新意識”這一學科核心素養包括能發現和提出有價值的問題;能從問題和假設出發，依據探究目的，設計探究方案，運用化學實驗、調查等方法進行實驗探究;勤于實踐，善于合作，敢于質疑，勇于創新[1]。我們依據《科學探究論》中“探究教學的主要障礙”[2]設計了相關問題，引導學生針對自己在探究性實驗中遇到的問題進行反思，調查結果如表2所示。

調查結果顯示，在探究性實驗基本步驟中都存在 著一些問題，尤其是“探究表面化，沒有深度和挑戰”“探究活動不自主，沒有自我發展空間”這兩個問題最 為嚴重。基于以上調研結果，我們對教師開展了有針 對性的訪談[2]，發現“對探究性實驗教學缺乏系統設 計”“擔心課堂秩序、時間不夠”“缺乏評價工具”是導 致學生出現以上問題的主要原因。因此，教師需要加 強對探究性教學的認識，積極采取有效辦法、利用合 理工具變革教學方式，提升學生在探究中的主體地 位。

鐘啟泉提出，學校可以通過“軟環境”重構學習環境，促進學生自主活動和發展的“能動化”、學習共同體組織的“協同化”，而網絡信息環境可為學生自主學習、知識構建可視化、伴隨深層理解的反思提供支持[3]。為此，我們圍繞高中化學探究性實驗教學的目標與要素，針對信息化教學的實際情況和教師的需求進行了調研。

2.教師信息化教學的實際情況與需求的調研

（1）在實驗探究教學中運用信息技術的情況

調研數據顯示，在高中化學探究性實驗教學中，認為不借助技術資源就可以基本達成目標的教師僅占 17%;認為需要借助一定技術資源和工具才能達成目標的教師占58%;因課時和條件的局限，在課下利用技術資源和工具為學生創設探究活動條件，彌補課內探究不足的教師占25%。這表明教師對實驗探究教學中信息技術資源和工具的需求是較為強烈的。

（2）信息技術資源和工具在探究環節的運用情況

為了進一步了解教師是如何運用信息技術輔助課上教學、彌補課內探究不足，我們圍繞實驗探究教學要素進行了梳理，如表3所示，以便了解教師對信息技術的具體需求。

調研發現，隨著學生對科學探究理解的深入，高二年級的化學教師在課上利用信息技術輔助實驗探究的需求顯然高于高一年級的化學教師，尤其在“方法技能學習”“微觀抽象建模”這兩個教學環節中較為突出;高一年級的教師更多采用在課下借助技術資源來彌補課上探究的不足的方法，尤其在“實驗證據收集”“微觀抽象建模”環節;高三年級的教師在課上利用技術資源和工具輔助實驗探究的需求起伏較大，但在“方案設計”“實驗證據收集”“總結與反思”環節的需求較高，究其原因，這與高考中的要求具有一致性，如圖2所示。

我們結合課堂觀察與訪談發現，隨著課程改革的推進和對培養學生學科核心素養要求的不斷提升，在探究性實驗中，在促進學生基于實驗證據進行推理、根據結論做出判斷和解釋、對物質的性質和變化進行預測等高階思維形成和發展中，信息技術顯現出了明顯的優勢。

三、對技術資源和工具的應用需求調研及結果分析

為有效利用信息技術為學生創建更加自主、合作、探究的學習環境，我們依據“數字學習”所具備的資源工具、協同合作、引導評價的環境要素[4] ，針對目前較為常見的教學資源工具——“虛擬實驗”技術、支持協同合作的“互動教學”技術、支持評價的“智能評測”技術在探究性實驗各個環節中的應用和需求開展進一步調研，并對調研結果進行了分析。

1.虛擬實驗技術對教與學變革的影響和應用需求

虛擬實驗是指依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫、網絡通信等技術，將實驗規律轉化為計算機語言，構建仿真的虛擬實驗對象和環境。研究證明，虛擬實驗能顯著提升學生對探究過程和要素的理解，有助于學生的知識構建。[5]同時，虛擬實驗通過可視化實驗操作及現象、數據的直觀定量表征，一定程度上減少了學生學習的認知負荷[6]，并具有內容多樣化、過程自主化、評價科學化、教學助智化等優勢，是傳統實驗的有力補充。但是虛擬實驗不能代替動手實驗，要虛實結合，以虛促實來開展探究性實驗教學。

從目前常見的技術類型上，虛擬實驗可分為“微觀動態模擬”“開放性操作模擬”“模擬操作+智能反饋”三種類型。圍繞這三類虛擬實驗技術，調研中我們發現，在實驗方案設計、實驗操作技能學習環節，凸顯了對“虛擬開放操作”技術的需求;在抽象建模環節，對“模擬呈現”技術和資源的需求較高;在實驗操作技能學習和數據歸納處理環節中，對“虛擬操作+智能反饋”的功能呈現出明顯需求，如圖3所示。

虛擬實驗在提升學生認知、發展技能和提升學科核心素養方面有明顯的優勢，教學中教師可以根據具體內容特點，與學生親自動手實驗結合，進行合理安排。例如，涉及污染性強的實驗、有害物質的實驗及組裝儀器較為復雜的實驗時，可在動手操作前，讓學生利用虛擬實驗進行操作練習;涉及化學反應微觀過程的探究內容，如強弱電解質的電離、離子反應的發生條件、有效碰撞理論等，利用軟件直觀呈現反應的微觀過程或物質的微觀結構。結合實驗內容及目的合理運用虛擬技術，才能使其真正發揮引導學生理解知識、掌握方法、發展學科核心素養的作用。

2.實驗探究對互動教學與智能評測技術的應用需求

新課標鼓勵教師運用信息技術提高課堂教學效率和質量，強化信息技術與化學教學的深度融合，為教師提供交互式多媒體教學設備、常用軟件、多媒體制作軟件和即時通訊軟件等工具，提供以大數據分析技術和虛擬技術為代表的個性化學習與評價系統[1]。為此，我們針對常見的互動教學系統和智能評價技術，在高中三個年級的教師中展開了調研。

（1）實驗探究對互動教學技術的應用需求

互動教學技術指借助網絡學習或互動教學平臺，輔助實現教與學中的師生同步或異步的交流、展示、協作。從目前的技術類型上一般包括互動論壇、成果展示分享、知識建構工具三個類型。圖4所示是教師在實驗探究教學環節中對這三類技術的應用需求情況。

調研結果顯示，教師在引導學生探究過程中對 “成果展示分享”的需求最高;在了解學前認知、學習 結束后的整理與提升這兩個環節中，教師對利用“互 動論壇”來支持交流、聚焦核心問題的需求較高;隨著 探究和對知識加工的深入，各環節對“知識建構工具”的需求伴隨始終。教師普遍反映，這些信息技術的應 用，為學生創建了更加自主的合作探究環境，有利于 學生自主建構知識。

（2）實驗探究對智能評測技術的應用需求

新課標高度關注評價在促進學生化學學科核心素養發展中的功能，注重過程性評價和結果性評價相結合，活動表現、測驗和學習檔案評價等多樣化評價相結合，學生自評、同伴互評與教師評價相結合[1]。借助智能題庫評測、學習行為數據跟蹤與管理等手段的智能評測技術，可以實現個人與班級、學習過程與成果的自評、互評等多種評價，其“在線習題測評”“成果展示互評”“學習數據跟蹤”三類技術有力地支持了新課標所倡導的評價方式。圖5顯示了調研中我們收集到的教師在實驗探究教學各環節中對這三類技術的需求。

通過調研與訪談我們了解到，教師對采用“成果展示互評”技術支持探究過程的需求最高，尤其在實驗證據收集、推理與解釋、總結與反思這幾個環節較為突出;在了解學前認知、整理與提升環節中對采用“在線習題測試”來實現即時評價的需求較為強烈;在整理與提升、總結與反思環節，凸顯了利用“學習行為數據跟蹤”來輔助過程性評價和結果性評價有機結合的需求。

互動教學技術、智能測評技術的應用要與具體探究內容和環節科學有效地結合。例如，在方案設計、實驗證據收集、推理與解釋這些環節，互動教學技術使得學生在課堂上的交流與表達成為了可能，因此，可以更有效地引導學生發現問題、建構知識;而在此過程中，要想全面、實時了解學生的動態，關注每一位學生的學習參與度、對知識和方法的掌握程度，智能測評技術則顯示了極大的優勢。

四、結語

立足于化學學科教學，探索與新課標、新教材深度融合的信息化教學，迫切需要與之相匹配的信息化教學資源和工具。我們通過調研，深入了解了廣大師生在探究性實驗教學中面臨的具體問題和需求，啟發我們進一步結合學科特點和學生認知特點，發揮信息技術優勢，精準開發更加貼近一線教學實際、提升化學探究性實驗教學質量的資源，讓信息技術真正成為落實并發展學生化學學科核心素養的助推器。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：5.

[2] 王晶瑩.科學探究論[M].上海：華東師范大學出版社.2011：9.

[3] 鐘啟泉.信息化時代知識教學的訴求——兼議學校的軟環境設計[J].教育發展研究，2018，38（4）：1-7.

[4] 黃榮懷，楊俊鋒，胡永斌.從數字學習環境到智慧學習環境[J].開放教育研究.2012（018），001：75-84.

[5] 徐光濤.科學探究學習中技術使能的作用空間與效果研究[D].上海：華東師范大學，2016.

[6] 盧文靜.基于認知負荷理論的化學虛擬實驗評析研究[J].中小學電教，2019（5）：48-52.

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