新課程下技術賦能的初中化學實驗教學的策略

劉艷華

（河北省石家莊市第四十中學，河北 石家莊 050000）

信息化一定是教育的必然趨勢。從多媒體教學到交互性平板，再從交互性平板可能進階到沉浸式互動課堂……這是教育信息化的趨勢。對于新課程下的化學探究實驗，學生在“做中學”特別是在信心技術支持下動手、動腦探究，比傳統實驗教學更有利于發展學生的科學思維能力。運用“互聯網+”揭示實驗原理和實驗分析，有利于實現探究式、啟發式教學模式的落實。利用數字化有利于提高學生的實驗設計、實踐探究、觀察分析、證據推理等多種能力。

一、新課程下技術賦能化學實驗教學的含義

所謂技術賦能化學實驗教學是指用信息技術改善實驗學習績效，信息技術與實驗教學過程雙向滲透，利用信息技術變革實驗教學方式，改進實驗方案，創新實驗裝置，助力實驗分析，解決實驗安全問題等等，通過實驗教學反過來推動技術的進化和創新。在利用信息技術解決傳統實驗教學中實驗方案不嚴謹、實驗時間長、實驗分析困難、實驗存在安全隱患等問題的過程中，實現新課程對學生核心素養的培養。

二、新課程下技術賦能的初中化學探究實驗的教學意義

（一）促進信息技術與化學實驗教學相融合

這是一個飛速發展的變化時代。我們用滴滴打車，掃碼支付買東西，導航出行，智能掛號就醫。科技與生活已緊密融合。促進信息技術與教育教學緊密融合勢在必行。《義務教育化學課程標準（2022 年版）》的課程目標中提出：實驗是科學探究的重要形式和學習化學的重要途徑。探究實驗承擔了培養學生創新思維和實踐能力的育人價值。

（二）豐富學生的學習模式，提高學生學習興趣

現在的中學生童年時代的活動在學校里通常有跳繩、拍皮球、做手工等，而課余生活多是iPad、網絡游戲、微電影等。學生活動模式的多樣化，現實和虛擬體驗也變得多樣化。活動即學習，學習即活動。沉浸式的虛擬的探究實驗教學讓學生更加專注地親身體驗實驗內容情節，更貼合學生的身心發展。對化學實驗的全新體驗，有助于學生對實驗新技術的啟迪和科學思維的培養，也有助于學生對科技未來新事物思考的培養和鍛煉。新的學習模式，可以有效地調動學生的學習積極性，提高學生的學習興趣。

（三）促進線上線下混合式學習方式的開展

線上線下混合式的學習方式打破了時空限制。課上的演示實驗由于空間的限制，不能保證所有學生清晰地觀察到實驗現象，給學生播放實驗錄像，在一定程度上缺乏了真實性。線上線下混合式的學習方式使實驗教學不再限于課堂這一有限的時空，而是貫穿于整個學習過程。學生可用于課前的實驗預習，在預習中對實驗的方案、細節等提出問題，在課上進行解決；學生也可課后重復觀看學習錄制的實驗重點。這種學習方式解決了實驗不可重現和短暫性的問題，還節約了課上記筆記的時間，提高了學習效率。

三、新課程下技術賦能的初中化學實驗探究教學的策略

（一）利用虛擬實驗促進實驗自主探究

核心素養的發展是一個自我建構、不斷發展的過程。提高核心素養最重要的方式是充分讓學生經歷和體驗實驗探究的過程。不同的學生，對同一探究問題做出的假設和設計的實驗方案也不同，致使所需的實驗儀器和裝置也不同。在真實的課堂上，這些不確定性的因素讓教師的實驗準備變得無法實施。虛擬實驗室中實驗儀器和實驗藥品的任意調用和組合為學生實施自己的想法和計劃提供了可能。學生在虛擬的實驗室里體驗自己的實驗方案，經歷自己的探究過程，總結歸納自己的實驗現象，反思自己的實驗過程，通過實驗現象推理自己的實驗結論。學生暢游在探究世界里，自主地進行思考和探索。在虛擬世界中排除了錯誤的實驗方案后，在真實的世界里完成正確的實驗探究步驟。虛實結合讓以學生為主的學習方式得以充分落實。

例如，“燃燒條件”的探究實驗。白磷屬于易燃物，燃燒還會污染環境。在真實的課堂上，每個學生要親自體驗實驗過程顯然是不現實的，而搭載了虛擬實驗平臺技術的教學過程，就可以實現這一目標。首先引導學生對“燃燒條件”進行猜想，然后設計實驗方案，在建議從紅磷、白磷、任意溫度的水（其他用品自選）的前提下，學生設計出了若干個實驗方案。探究“溫度達到著火點”的方案有：對比20℃冷水和80℃熱水的銅片上的白磷；對比20℃冷水中和80℃熱水中的白磷；對比80℃熱水上的紅磷和白磷等等。探究“與氧氣接觸”的方案有：在熱水中放白磷，水中通入氧氣，進行對比；對比80℃熱水中的白磷，銅片上的白磷；80℃熱水中和銅片上的紅磷對比。學生在虛擬的實驗里親自驗證自己的實驗方案。最后通過引導，讓學生將上述實驗方案進行綜合優化（即教材上的演示實驗方案）。結合白煙的現象，分析如何避免污染環境。教師用改進后的實驗裝置演示實驗。

（二）利用“互聯網+”助力實驗分析教學

數字傳感器和電腦平臺相結合，將傳統實驗中難以觀察到的變化，轉化為直觀的數據或圖像，教師根據數據和圖像設置問題鏈，組織學生思考、交流、分析和歸納，學生思維的火花不斷碰撞，模糊的原理逐漸清晰，實驗的理解不斷深刻，注意事項歸納的越來越準確。也可以通過數據和圖像，推理化學變化的過程并歸納隱含的實驗原理。學生從分析實驗過程和結果，從量的角度感知化學知識，并根據不同的因素的數量關系揭示化學規律，幫助學生透過現象認識本質，從感性認識上升為理性分析，進而認識學科本質，建立認知過程，形成科學觀念，促進認知能力發展。數字傳感器和電腦平臺相結合不僅提升了化學實驗過程和結果的可視化程度和準確度，而且還將抽象且模糊的化學知識具體化、清晰化。通過巧妙的利用手持技術，促進學生的自主學習和深度學習。

例如，用紅磷測定空氣中氧氣的含量的實驗。在傳統的實驗教學中，實驗幾乎全靠老師將解。借助數字傳感器采集裝置內氣壓的數據，并以圖像的形式呈現出來（如圖所示）。氣壓的變化就變成了這個實驗過程中明顯的現象，教師借用這一現象，設置問題裝置內壓強先增大的原因是？壓強減小的原因？a 點時刻對應的操作？圖像中開始和結束時氣壓幾乎相同的原因（引導學生得出進入集氣瓶中水的體積等于消耗的氧氣的體積）？解釋什么時候打開彈簧夾合適？借助傳感器清晰地將裝置內氣壓的變化直觀地表達出來，借助壓強的變化完美地實現了從教師講解實驗到學生自己分析實驗的轉變。通過巧妙地利用手持技術，將實驗講解轉化為了學生的思維活動，培養了學生的科學思維，提高了核心素養。

（三）利用便攜式數字化儀器改進實驗方案

新課標對科學探究的定義是“收集證據和作出解釋，進行發現、創造與應用的科學實踐活動”。從素養發展來看，新課標更凸顯科學探究過程中的分析、推理、概括等高階思維活動。證據推理是關鍵認知能力的核心要素，涵蓋接受證據、提取證據和整合信息的能力和基于數據分析判斷的能力。在化學教學中，我們以“證據推理”這一核心素養為目標，強調學生在化學學習中逐步形成證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽，建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系……這既是學科核心素養的描述，也是學科育人的需要。九年級化學人教版中有些實驗的設計在分析和推理上一定程度上存在證據的模糊的問題。究其原因是傳統的實驗方法由于技術的原因，比如提供定量的數據，導致證據存在漏洞，推理過程難以完成。利用便攜式數字儀器改進實驗方案，通過精確的數據，可以加強實驗的說服力。

例如，為探究二氧化錳是否加快了過氧化氫分解的速率，教材用帶火星的木條檢驗加入二氧化錳前后產生氧氣的速率。依據加入二氧化錳前后木條復燃的情況，推理得出二氧化錳加快了反應速率，顯然證據不足。實驗中木條不復燃是因為過氧化氫沒有分解產生氧氣，還是速率慢，產生的氧氣少呢？由于需要達到一定的氧氣濃度木條才復燃，不能檢驗出含量低的氧氣。將木條改為氧氣含量測定儀，測定空氣中氧氣的含量（20.7%）、盛雙氧水試管中氧氣的含量（23.4%）和盛二氧化錳試管中氧氣含量（20.7%），對比實驗數據，輕松得出雙氧水本身也能緩慢產生氧氣。這樣的推理更嚴密，證據更充分。又如：《水的凈化》中，我們經常告訴學生，過濾、吸附等凈水方法，不能除去可溶性鈣鎂化合物，不能改變水的硬度，煮沸后的水不一定是軟水。用肥皂水只能區分硬水和軟水，但是解決不了上述問題。利用TDS 水質測試筆輕松檢測過濾、吸附、煮沸前后水中鈣鎂等離子濃度的變化情況。

（四）利用3D 打印發展實驗創新能力

3D 打印幫助學生將實驗儀器和裝置的創新設計便捷的轉化為現實。在實驗教學過程中首先通過記錄學生在實驗過程中出現的問題，然后通過分析出現這些問題的原因，將與儀器改進有關的原因剝離出來，組織學生對實驗儀器和裝置進行創新性的改進，交流討論不同的設計方案的優缺點，綜合不同的改進方案，形成最佳的實驗裝置，根據圖紙進行模型的設計，然后打印成型，應用改進后的3D 成品再次進行實驗，感受實驗效果，繼續進行修正，最后達到一個完美的改進后的實驗裝置。在“分析裝置-發現問題-構思創意-建模設計-制品打印-迭代修正”活動程序里，教師引導學生分析實驗、思考問題、創新儀器、評價裝置、改進實驗裝置、不斷修正的過程就是學生發展創新能力的過程。在真實的問題情境下，學生分析問題、解決問題。在解決實驗真實的問題的過程中，學生的質疑能力、批判能力和創新能力都得以提升。

例如，在金屬與鹽酸、稀硫酸反應的探究實驗中。在學生分組進行實驗的過程中，教師記錄每組同學的完成時間，拍照學生手忙腳亂、打翻試管、灑出藥品的瞬間。然后將拍照和記錄的完成時間呈現給學生，組織分析出現此問題的原因，通過思考、討論和交流，從實驗裝置改進的角度提出解決這些問題的策略或辦法。有同學提出傾倒酸液時借用漏斗避免撒落，有同學提建議一次性把酸液倒入四支試管節約時間，有同學提出用塑料制品替代試管以免打碎……然后可以組織學生去儀器柜尋找自己所想用的儀器并進行實驗，有的學生用點滴板代替了試管，有的學生利用三通的玻璃管和漏斗組合在一起，一次性可以向兩支試管里同時加入酸液……接著，教師組織學生展示改進的實驗裝置方案，進行交流后，引導學生思考，如何將各優點組合在一起，設計一種新的實驗裝置，將設想畫下來。通過3D 打印將學生自己的創新裝置打印為成品，用成品進行實驗，發現問題，進行修正，再次打印。

（五）利用計算機小程序解決實驗安全問題

新課標增加了關于實驗室安全的相關內容，強化了安全意識。如何讓學生體會操作失誤或條件控制不得當造成的后果，顯然不可能以傷害為代價來教育學生。在初中化學實驗操作中有很多注意事項都是為保證安全而設定的，這些注意事項在教學中無論如何重復強調，在學生實驗中總難以避免。通過計算機模擬實驗可以輕松解決安全問題，充分讓學生動手實驗完全無后顧之憂。當學生通過虛擬的實驗平臺，熟練準確地掌握了實驗安全防護措施，強化了安全意識，再進入實驗室進行實驗時，安全事故會大大降低。當面對真實的突發的安全事故的時候，也會從容不迫地進行應急處理。利用虛擬實驗和計算機小程序能在保證學生安全的前提下，為學生提供更多的動手機會，為學生感知和探究化學反應提供了更豐富的體驗。

例如，實驗室制氧氣結束時，總有學生先熄滅酒精燈，造成試管炸裂，破碎的玻璃扎傷學生的現象出現。濃硫酸稀釋的實驗，從不敢放手讓學生自己動手完成。一氧化碳有毒，有實驗只能通風櫥中演示。在虛擬實驗的環境下，學生可以去點燃一氧化碳，點燃前沒有驗純，在虛擬的世界里會接受到爆炸的懲罰。一氧化碳還原氧化銅的實驗，沒有先通一氧化碳排凈裝置內空氣的學生也會收到類似的視覺沖擊，結束時停止加熱后沒有繼續通一氧化碳的學生還會觀察到紅色的銅慢慢變黑的現象。這些實驗小程序為污染環境和對人體有害的實驗探究提供了可能；為學生的自主學習和探究提供了無限的嘗試空間；教會了學生正確使用安全防護措施，妥善處理實驗安全問題；也教會學生珍愛生命，保護自身安全，對學生進行了生命健康教育。

四、結語

綜上所述，新課程下技術賦能的初中化學探究實驗通過從利用虛擬實驗促進實驗自主探究、利用“互聯網+”助力實驗分析教學、利用便攜式數字化儀器改進實驗方案、利用3D 打印發展實驗創新能力、利用計算機小程序解決實驗安全問題等方面促進信息技術與化學實驗教學相融合，促進線上線下混合式學習方式的開展，豐富學生的學習模式，提高學生學習興趣。