借助信息技術提高化學課堂學生參與度的實踐研究

梅芳 周業(yè)虹

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出了“鼓勵教師運用信息技術提高課堂教學效率和質(zhì)量，強化信息技術與化學教學的深度融合，促進教師教學方式和學生學習方式的改變”的建議。信息技術的快速發(fā)展，對化學教學改革與創(chuàng)新產(chǎn)生了重大的推動作用[1]。信息技術的應用使高中化學教學更加多元化，為學生帶來更加豐富的學習體驗，有助于提高學生的課堂參與度，多維度強化教學效果。筆者以高中化學“電解原理的應用”為例，從教學的不同維度，探討如何利用信息技術提高學生課堂參與度。

一、科學應用信息技術，設計教學流程

教師充分發(fā)揮信息技術優(yōu)勢，有助于在課堂上開展旨在提高學生化學學科素養(yǎng)的教學，為學生呈現(xiàn)化學的豐富內(nèi)涵，讓學生更加積極地參與到化學課堂活動中，發(fā)揮學生的主體作用，引導他們自主建構(gòu)思維模型并應用模型解決實際問題，達成教學目標。化學教師在教學中應用信息技術，將改變傳統(tǒng)教學模式、學生學習模式、化學教學內(nèi)容的呈現(xiàn)形式，以及師生、生生互動方式。教師在講解電解原理時要注重模型的構(gòu)建和應用，但模型的構(gòu)建過程比較抽象，且模型應用情境復雜多變，這對學生的思維能力提出了較高要求。為此，教師嘗試利用多種技術手段豐富學生的學習體驗，提高參與度，調(diào)動學生學習積極性，進而多維度提高教學效率。筆者將結(jié)合信息技術在“電解原理的應用”教學中的應用情況，多視角、多維度說明科學應用信息技術提高學生課堂參與度的必要性和可行性。基于這些理論和設想，筆者設計了融合信息技術的“電解原理的應用”教學流程（如圖1）。

二、創(chuàng)設有效的問題情境，激發(fā)學生學習興趣

教師創(chuàng)設真實問題情境教學，有助于培育學生科學精神和社會責任感，信息技術的融入可提供多樣化的視頻動態(tài)情境[2]，比單純的教師講授更加生動。學生接受數(shù)字化視聽刺激，學習興趣變濃，學科核心素養(yǎng)得以提高。“電解原理的應用”是《普通高中化學課程標準（2017 年版2020年修訂）》中“化學反應與能量”主題下的內(nèi)容，其教學目標是幫助學生深入了解化學在物質(zhì)轉(zhuǎn)化方面功能，建立能量轉(zhuǎn)化觀念，認識化學在能量轉(zhuǎn)化方面的價值，以及電化學對人類社會的重要作用。

在“化學反應與能量”教學中，教師在引入環(huán)節(jié)選用了戴維電解法發(fā)現(xiàn)金屬和中國第一個電化廠兩個素材。教師利用第一個素材，強化學生關聯(lián)氧化還原原理分析電化學微觀放電順序的思維路徑，讓學生感受電解作為特殊的氧化還原手段的獨特功能和價值，同時學習科學家的科學探究精神。教師利用第二個素材（中國第一個電化學工廠——天原電化廠的歷史），讓學生感受我國化學家的責任和擔當（如圖2），激發(fā)學生的民族自信心和自豪感。這兩個素材在后續(xù)的教學中則作為真實的問題情境使用。教師提出問題：“為什么制備金屬鈉等需要電解法冶煉？冶煉金屬鈉和氯堿工業(yè)都是以NaCl為原料，得到的產(chǎn)品有什么差別？”學生回顧分析電解池裝置的一般思路與方法，進一步熟悉模型。教師帶領學生比較兩電解池差異，強化微粒觀，證明氧化還原與電解原理的相關性，進一步完善知識體系，提高解決復雜電化學問題的能力。

在教學過程中，筆者借助電鍍工廠生產(chǎn)過程視頻和粗銅精煉的視頻，創(chuàng)設復雜情境，引導學生基于實際電解裝置提出電解池一般模型，培養(yǎng)學生的逆向思維能力，讓他們加深對電化學模型的理解，明確應用思路。真實情境的展現(xiàn)，增強了理論的可信度，有利于學生理解電解原理的應用價值。學生覺得自己所學并非紙上談兵，實驗熱情高漲，這有利于后續(xù)教學的展開。

三、虛實結(jié)合開展實驗教學，提高實驗探究的有效性

實驗探究是“電解原理的應用”教學的重點且貫穿始終，教師只有充分發(fā)揮實驗探究的功效，才能真正提高學生的學科核心素養(yǎng)。實驗探究并不僅僅是動手操作那么簡單。學生需要了解“原理分析→實驗設計→實驗驗證”等基本步驟并深度參與實踐。完整的實驗探究對提高學生思維能力至關重要。在以往的教學中，受條件限制，往往是教師引導討論并給出實驗方案，很難做到全員參與，難以讓每個學生充分表達想法，同時也無法診斷學生的思維情況。實驗過程中，教師有時過于強調(diào)學生觀察實驗現(xiàn)象。很多學生也僅僅照方抓藥，等著看現(xiàn)象，沒有自己的思考。一些學生在整個實驗探究過程中思維參與度都不高，他們的化學知識建構(gòu)有賴于教師后續(xù)不斷講解，甚至是死記實驗結(jié)論來完成。如此，學生自然不能較好地理解、應用知識，實驗探究也失去了本來的意義。

為解決上述問題，體現(xiàn)實驗教學的價值，筆者在氯堿工業(yè)、電鍍銅和粗銅精煉的實驗探究環(huán)節(jié)，均采用了虛擬實驗與學生實驗相結(jié)合的教學策略。虛擬實驗平臺為每個學生提供獨立的操作界面。每個學生是獨立的實驗設計和實施個體，須獨立完成任務。在實驗過程中，學生只有充分調(diào)用已學電解池模型相關原理等知識，進行分析和設計，才能完成任務。在這樣的技術環(huán)境和文化氛圍中，學生全員參與，積極思考，都希望自己設計的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)預期目標。教師將虛擬實驗融入教學中，大大提高了學生的思維參與程度。數(shù)字化實驗是學生對原理進行內(nèi)化的重要途徑，勝過教師千言萬語講解，避免出現(xiàn)“別人想，我照做”的無效實驗狀態(tài)。筆者關注學生思維能力發(fā)展，課堂教學有效性得到大大提高。

虛擬實驗與學生實驗的結(jié)合的第一種方式：先實驗，再通過虛擬實驗進行改進。對于氯堿工業(yè)裝置的改進就是采取這一方式教學，學生先做實驗發(fā)現(xiàn)隨著電解的進行滴有酚酞溶液的試紙變紅的范圍越來越大，說明OH-發(fā)生了遷移。學生討論后發(fā)現(xiàn)OH-的遷移會影響氯氣的產(chǎn)量和氫氧化鈉的純度，應該避免。基于實驗事實，學生以防止OH-的遷移至陽極為改進目標，利用虛擬實驗技術改進裝置。這樣設計實驗過程，目標明確，降低了實驗設計的難度，在不拖堂的情況下，讓學生專注于解決關鍵問題。這種方法適用于比較復雜的實驗體系的分析和改進，也解決了大部分學校不具備學生進行具膜電解條件的實際問題。

虛擬實驗與學生實驗的結(jié)合的第二種方式：先設計再實施，例如粗銅精煉即是在教師完成理論設計，在班級內(nèi)分享設計思路，讓學生積極反思，討論并優(yōu)化設計思路后，再進行實驗驗證的。學生經(jīng)歷過完整設計過程，思維鏈條完整，原理充分內(nèi)化，在實驗操作過程中，對明確每步操作的目的非常明確，可以把控實驗各環(huán)節(jié)，對實驗出現(xiàn)的各種問題，也能及時提出改進方案給予解決。這種方法適用于比較簡單的設計體系。這樣教學也有利于提高學生的“證據(jù)推理”素養(yǎng)。

四、宏微結(jié)合、思維外顯，自主構(gòu)建模型

教師在課堂教學中，需注重模型構(gòu)建，引導學生學會科學觀察，推斷問題成因，最終通過推理獲得知識產(chǎn)生，形成應用化學知識解決化學問題的能力[3]。原理較抽象，特別是電解原理，模型要素多。電解原理教學涉及氧化還原原理、電子和離子的動態(tài)遷移、電極種類判斷和離子交換膜分析等，思維容量較大。教師如果能在教學中采用一定的技術手段，化抽象為具體，將思維過程完整地外顯出來，可顯著降低學習難度，有利于學生理解和應用原理，自主構(gòu)建模型。

本節(jié)課，在預習階段教師應用具有拖曳功能的交互平臺引導學生復習和預習。這種模式操作簡單，相較于傳統(tǒng)的單一圖示更加生動。教師可以快速幫助學生梳理電解模型要素，讓學生通過拖曳觀察電解動態(tài)過程。

每次實驗后，虛擬實驗平臺會顯示電解的動態(tài)過程，包括電極發(fā)生的化學變化、離子導體中離子的遷移情況、電子導體中電子的遷移情況以及對應的宏觀現(xiàn)象。這樣一來，從設計到實施、從宏觀到微觀，學生實驗形成完整、連續(xù)的閉環(huán)。整個思維構(gòu)成的外顯使得實驗具有了可操作性，支持學生自主構(gòu)建知識和模型，而不是被動接受。

此外，虛擬實驗平臺上各物質(zhì)的性質(zhì)是貫通的，如在實驗設計環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，虛擬實驗系統(tǒng)會按照當前的實驗給出宏觀現(xiàn)象和微觀動態(tài)演示，幫助學生快速發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，這是傳統(tǒng)討論式教學難以達成的。

在實驗過程中不僅每個學生積極參與設計（如圖3），而且在動畫演示時會跟著自己的認知思路和節(jié)奏去觀看動畫，充分消化吸收后再進入下一個環(huán)節(jié)，同時頭腦中梳理各要素在電解過程中的變化原理。與教師用電子白板集中演示相比，新模式下學生在實驗中思考和參與更主動，注意力更集中，思維投入度更高，所形成的感性認識更加深刻，更容易上升為理性認識[4][5]。

五、實施多元評價，實時反饋

課堂反饋是教學的重要環(huán)節(jié)。通過有效反饋，教師可以了解學生的學習情況，及時發(fā)現(xiàn)學生在學習中的不足，隨時調(diào)整教學節(jié)奏和內(nèi)容，充分發(fā)揮教師的指導作用，高效教學。在傳統(tǒng)課堂上，教師通過回答問題或課堂練習來了解學生情況，其實通過這種方式反饋的問題往往不夠全面或不具有普遍性。

在不同的教學階段，筆者采用不同信息技術手段進行評價。在實驗設計階段，學生使用的工具是虛擬實驗平臺，整個設計過程是全部外顯的，是過程型反饋非結(jié)果型反饋，這有利于教師全面發(fā)現(xiàn)問題。筆者觀察學生在虛擬平臺上的設計進展情況，及時了解每個學生對電解模型的掌握及應用情況，注意到不同的學生對模型中不同要素的理解、應用程度是有偏差的，及時進行個性化指導，或在后續(xù)的集體點評中及時強化指導。

課堂上，教師可隨時采用問卷評價形式，應用信息技術平臺收集、統(tǒng)計數(shù)據(jù)，準確量化分析學生的學習情況，實施精準教學。這種問卷評價，快速準確，大有裨益，不僅能提高學生的參與度，而且能幫助學生了解自身在班級中的水平。

當然，數(shù)字化問卷互動不可能完全取代課堂問答，特別是對于教師提出的層層遞進的問題，需要深度互動，在推進中解答。此外，需要學生準確表達的問題也不適合課堂問卷，因為打字比口述慢，且信息技術也很難做到準確判定這類表述型問題。

整體來說，信息技術的發(fā)展為課堂評價注入了新活力，如何更有效評價學生的思維發(fā)展程度，及時反饋，促進學生學習體驗的多樣化、豐富化，是教師需要不斷探索的問題。

六、借助虛擬實驗平臺延伸化學課堂

思維模型的構(gòu)建是為了遷移應用。課后，教師需為學生布置個性化的學習任務，幫助學生實現(xiàn)鞏固和遷移。教師用傳統(tǒng)方式布置練習作業(yè)，雖然也會選擇不同的電解池讓學生訓練，但是因為電解池的原理和電解過程被切割成一個個選項或填空，對學生的知識考查不夠完整，且學生的思維鏈條也是不完整、不連續(xù)的。因此，學生通過書面作業(yè)所能得到的提升非常有限。

本節(jié)課，筆者采用虛擬實驗設計和練習相結(jié)合模式布置作業(yè)，讓學生開展項目式學習活動。筆者充分利用虛擬實驗平臺實驗素材豐富的優(yōu)點，突破客觀條件對實驗探究的限制，課后布置了用電解法制備硫酸銅的任務，讓學生完成后上傳平臺進行交流展示。筆者選擇這一體系讓學生操作，硫酸銅不能通過銅單質(zhì)與稀硫酸反應直接得到，充分體現(xiàn)了電解方法的實用性。對于電解池的各要素，筆者均讓學生進行了設計和選擇，這些都是有意為之的。電極的選擇關系到銅的化合價的轉(zhuǎn)化。學生選擇離子導體，要保證物質(zhì)組成中硫酸根的供應，更重要的是在整個裝置中要防止生成的銅離子再次在陰極放電，這涉及離子交換膜的選擇。學生要完成這些活動，需要調(diào)動課堂上所學的知識進行綜合運用，這是課堂內(nèi)容的有效延伸，是對學生能力的深度訓練和全面考查。

教師借助虛擬實驗平臺設計活動與作業(yè)，為學生創(chuàng)建了在新穎、復雜情境中運用思維模型解決問題的機會和開放自主的探究空間。此外，學生的設計結(jié)果可以通過網(wǎng)絡平臺進行交流，有利于學生在評價他人設計作品的過程中反思修正自己的設計，提高分析、解決復雜問題的綜合能力，發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)。

注：本文系國家新聞出版署出版融合發(fā)展（人教社）重點實驗室重點課題“信息化教學環(huán)境下基于虛擬實驗的化學學科工具對學生科學能力提升的研究”（編號：RJA0121011）的研究成果。

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.

[2] 黃燕.教育信息化視域下對高中化學教學的思考[J].試題與研究，2022（35）：37-39.

[3] 張軍貴.構(gòu)建模型 解決問題——建模教學在高中化學課堂中的應用[J].數(shù)理化解題研究，2022（33）：137-139.

[4] 蔡蘇，王沛文，楊陽，等.增強現(xiàn)實（AR）技術的教育應用綜述[J].遠程教育雜志，2016（5）：27-40.

[5] 王國華，張立國.增強現(xiàn)實教育應用：潛力、主題及挑戰(zhàn)[J].現(xiàn)代教育技術，2017（10）：12-18.

（作者梅芳系北京市第五十五中學教師；周業(yè)虹系人民教育出版社化學編輯室編審）

責任編輯：祝元志