教育數字化背景下高中化學實驗課教學模式創新研究

農能干

摘 要：在教育數字化背景下，高中化學教師在實驗課教學活動中可以嘗試引進多元化的創新教學模式和方法，如利用虛擬實驗室，帶領學生參與高效率的仿真實驗學習；借助遠程實驗教學活動，指導學生進行體驗式的實驗探究；借助互動實驗模擬軟件，引導學生在實際實驗操作前進行模擬學習等。本文對教育數字化背景下高中化學實驗課教學模式進行創新改善，旨在提高化學實驗教學水平。

關鍵詞：教育數字化；高中化學；實驗課；教學模式

在教育數字化的時代背景下，高中化學實驗課的教學模式面臨著新的挑戰和機遇。隨著科技的不斷進步和教育手段的不斷更新，傳統的實驗教學模式已經難以滿足學生的學習需求和教學目標。因此，對高中化學實驗課教學模式進行創新研究，引進多元化的實驗教學模式和方法，帶領學生對實驗課程知識進行更深層次、多維度的學習，以適應數字化教育的發展趨勢，提高教學效果和學生的學習動力，具有重要的理論和實踐意義。

一、高中化學實驗課教學原則

高中化學實驗課教學活動應當秉承探究性原則，讓學生在學習過程中嘗試對未知的化學概念以及知識理論進行探索學習，而不是簡單參照已有的知識規律和實驗步驟進行操作。教師須保證學生在實驗學習過程中能夠獲取到探秘化學知識、化學原理的體驗，從而進一步培養學生的科學探索思維。其次，高中化學實驗課程教學也應當秉承安全性原則，由于在教學過程中會涉及大量危險化學品的使用，教師需要制訂更加嚴謹、細致的安全管理計劃和方案，包含約束學生的操作行為，規范學生的作業手法。另外，高中化學實驗教學活動也應當具備理實互動性，即在實驗教學過程中穿插理論知識，在理論教學環節引進實踐案例，從而幫助學生做到知信行合一[1]。

二、高中化學實驗課教學存在的問題

高中化學教師在組織實驗課教學過程中會遇到各種問題。首先是實驗設備不足，缺乏必要的實驗設備和藥品，導致學生無法正常進行實驗，從而限制其實踐和理解探索化學知識。其次，在化學實驗教學過程中也涉及危險性較高的化學品和化學操作項目，由于學生的安全意識較為薄弱，再加上實驗安全準備工作未落實到位，很容易產生各種安全隱患。另外，有的學生不了解實驗步驟以及對實驗過程描述不清晰，在學習過程中也可能會產生困惑，導致實驗結果不準確或無法得出正確結論。除此之外，在部分實驗教學活動中，教師沒有將課堂知識理論與實驗操作緊密結合在一起，從而導致學生無法將實驗結果和理論知識整合在一起，影響其對化學知識的理解和認知。最為關鍵的是，受到部分實驗器材、時間的限制，學生可能無法充分進行實驗操作，從而制約了學生的動手操作能力和探究能力的培養。因此，通過分析當前高中化學實驗教學存在的問題，可以看出在教育數字化背景下，教師可以借助信息化教學手段來改善實驗教學中出現的一些問題，使高中化學實驗教學水平和質量得到進一步提升。

三、教育數字化背景下高中化學實驗課教學模式創新

（一）引進虛擬實驗室

利用虛擬軟件工具引導學生在計算機系統上開展化學實驗學習，模擬真實實驗過程，借此可有效克服實驗設備不足以及實驗條件所受到的限制，可為學生提供更加安全的實驗操作環境。虛擬實驗室能夠有效改善化學教學過程中的時間、空間欠缺和不足，可保證實驗課程教學能夠提質增效。在此過程中，教師可引進仿真信息系統，完成對實驗情境空間的打造；同時也可在實驗教學過程中通過虛擬系統來展示實驗步驟。另外，在虛擬系統中，教師也可讓學生大膽放心操作，學生可以根據自己對知識的掌握和理解，自主控制化學實驗操作過程，對化學藥劑的投入量進行靈活管控，通過觀察不同的實驗現象，從而進一步激發學生的興趣，提高學生的學習效率。例如：在講解鈉與水的反應時，教師可利用虛擬系統，讓學生自由投放反應物質，學生會發現鈉投放得越多，與水的反應就越劇烈；學生還可以繼續將其他堿金屬依次投放到水中，會發現隨著堿金屬的金屬性增強，與水反應的劇烈程度也會加大。在實驗操作過程中借助仿真虛擬系統進行大膽嘗試演練，根據自身想到的步驟，大膽操作，學生可靈活控制實驗變量、實驗過程，可進一步培養學生的創新探索能力，使學生的學習水平得到有效提升[2]。

除此之外，傳統實驗室的實驗設備、材料有限，學生無法參與所有實驗，而學生在虛擬實驗項目中可靈活自主選取實驗項目和材料，可根據自身的學習需求和興趣進行靈活自主實驗，借此可提高學生的積極性和主動性。最后，學生也可利用虛擬系統復盤實驗操作，借助虛擬系統所提供的腳本錄制功能，可及時記錄學生在實驗操作過程中的每一步、每一個環節，學生在總結實驗的過程中可通過反復觀察，剖析自身的實驗操作步驟，分析在實驗學習過程中存在的不足之處，并且進行反饋、反推理、再演練，從而糾正錯誤的學習方式，改進實驗項目。因此，通過虛擬系統可以指導學生開展高效率的實驗探索，提高學生的實驗學習品質。

（二）遠程實驗教學模式

虛擬實驗平臺給予學生更加靈活的操作空間，學生能夠在相關系統中自由操作演練，獲取到更加深刻的學習體驗和感觸。但是，此類實驗教學模式和方法還存在一定的限制，比如無法為學生提供更加真實的視覺體驗。為了解決這一問題，教師可組織遠程實驗教學活動，借助一些優秀學校的軟硬件設施，或者與相關教學機構進行交流合作，開展部分難度系數較大的化學實驗。學生可利用遠程控制技術，通過計算機遠程操作實驗設備，可在不同地點進行實驗操作，克服地域環境條件的限制；而相關遠程端則可根據學生的提示來進行實驗操作。在該環節，教師也可通過視頻會議聊天工具等方式，及時解答學生在遠程端操作過程中所遇到的困難和挑戰。這種模式不僅能夠解決傳統實驗教學中實驗設備不足、實驗操作不便等問題，還能夠提供更加安全和可控的實驗環境[3]。

例如：在混合物的分離和提純實驗中，學生便可進行遠程實驗操作，利用電腦終端，傳遞相關指令，引導遠程端的操作員進行實驗操作。其中學生可參與過濾、蒸發、蒸餾等實驗項目，在過濾實驗中，學生可借助遠程端實驗室豐富的過濾器材，如不同密度的過濾網，檢測液體中不溶于水的顆粒物質以及混合物。同時也可在蒸餾實驗中，參與溶液濃縮以及溶質晶體析出等實驗操作活動。利用這種方式讓學生在電腦系統上參與真實的實驗學習，隔著屏幕能夠觀察到實驗現象；同時在遠程端教師以及操作人員的指引下，學生也能夠掌握實驗學習的基本方法，在教師的提示下，能夠進一步豐富完善學生的知識儲備。

（三）互動實驗模擬軟件

有條件的學校還可以利用互動實驗、模擬軟件開展高中化學實驗課教學活動。相關實驗活動主要是利用計算機技術以及虛擬技術，模擬真實的實驗環境和操作，學生能夠在互動實驗模擬學習模式下獲取到更加良好的操作體驗。首先，互動實驗模擬軟件與上述所講解到的虛擬仿真系統具備相同的功能，同樣可模擬實驗環境、實驗室的布置、儀器設備，模擬化學品的呈現。學生可以利用VR（虛擬現實）、AR（增強現實），通過軟件來感受真實的實驗室氛圍，獲取沉浸式的實驗操作體驗。但是其中最為核心的功能是，在虛擬操作環節，學生可進行交互式操作，與同伴、教師共同研討實驗過程；并且在互動學習過程中可采集實驗數據，分析實驗現象，探尋實驗規律。另外互動模擬實驗具備強大的人機交互功能，能夠及時指出學生操作中存在的不足之處，并且提示學生其中可能存在的安全隱患問題。軟件可根據大數據系統，給予學生正確的操作提示，保證學生的實驗學習更加安全、高效。此類互動實驗主要是在線下實驗教學前，讓學生提前在線上進行模擬學習，引導學生在互動虛擬系統中根據自身的理解進行前期初步的實驗操作，探尋到在后續真實實驗學習過程中所需要關注的注意事項，并且結合虛擬實驗結構為真實實驗教學提供參照和指導。

在進行硅酸的制備實驗前，學生可以在相關互動虛擬實驗室中嘗試引進不同的實驗方法。可利用稀鹽酸和硅酸鈉反應，在虛擬系統中嘗試投放不同容量的硅酸鈉溶液，學生可根據提示、指引進行實驗操作。例如：在后續步驟中滴入1～2滴酚酞溶液，再用膠頭滴管，逐滴加入稀鹽酸，一邊加入一邊攪拌。此時，系統可根據學生的操作步驟，記錄學生在操作期間存在欠缺和不足，比如有的學生在溶液顏色變淺并且接近消失時還在繼續攪拌，繼續添加溶液，從而無法得到良好的實驗結果。當學生完成攪拌之后，系統便會給出提示：有透明硅酸凝膠形成。最后，系統會將學生的實驗操作進行復盤并且展現出其中的實驗原理，學生明白了是因為硅酸鈉溶液呈堿性，滴加酚酞試劑后溶液呈現紅色，當不斷加入稀鹽酸之后，堿性被慢慢中和，導致溶液顏色變淺至消失，從而生成了硅酸沉淀，最后學生根據實驗現象，寫出反應的化學方程式。通過這樣的引導，學生更加深入細致地理解并掌握其中使用原理，學生可復制實驗學習過程中的操作步驟，開展現場實驗操作學習，根據其中的實驗提示以及實驗過程，進行安全操作。因此，互動式虛擬實驗主要是幫助學生在正式實驗前進行簡單實驗復盤、實驗演練，使學生能夠在正式操作前明確其中的實驗步驟，找到實驗重點和要點，從而提高學生的實驗學習效率和興趣。

（四）數據分析與實驗設計

在教育數字化背景下，引導學生在信息化系統中進行數據分析，并且對實驗現象進行總結是必不可少的。教師可引導學生記錄關鍵的數據信息，并且利用數字化設備更加方便地采集實驗數據，將相關數據信息錄入到分析系統中，進行數據處理，繪制成圖像表格。借助此類方式，也能夠培養學生的數據分析能力，方便學生在后續學習過程中應用合理的解釋，分析實驗數據，對實驗現象做出科學合理的推斷。

此外，教師須鼓勵學生主動參與實驗設計環節，讓學生通過數字化工具、模擬軟件進行靈活自主的實驗操作，并且預測結果，將預測結果與實驗方案進行比對，從中總結出欠缺和不足，借助此類方式也能夠增強學生實驗設計能力。教師利用實驗數據以及可視化呈現功能，可將實驗結果完美展現給學生，并且利用圖表、圖像、動畫等不同方式，使學生能夠直觀理解和分析實驗數據；并且找到數據之間存在有機關聯、數學規律，借此可幫助學生提高對實驗過程的理解能力。而教師也可引導學生對數據信息進行推理解釋，分析數據趨勢，識別模式，總結出知識原理和概念。借助此類方式也能夠培養學生的科學思維以及推理能力。

傳統的實驗教學中，在進行酸堿中和反應操作時，學生通常會進行酸堿溶液的配制和反應過程的觀察，然后根據觀察結果進行簡單的數據記錄和分析。在實驗設計方面，信息化手段可以幫助學生進行實驗方案的設計和優化。通過模擬實驗軟件，學生可以在虛擬實驗室中進行多次實驗，調整實驗條件和參數，觀察不同因素對實驗結果的影響。在數據分析方面，可以將實驗數據導入電子表格軟件，進行數據處理和統計分析，通過繪制曲線圖或制作數據表格，可以直觀地展示酸堿反應的變化趨勢和結果。同時，還可以使用數據分析軟件進行更復雜的數據處理，如計算反應速率、確定反應機理等。因此，使用信息化手段進行數據分析與實驗設計在高中化學實驗教學中具有重要的必要性。它可以提供更準確、全面的實驗數據，幫助學生更深入地理解實驗原理和現象，培養科學思維和實驗設計能力。

（五）碎片化實驗教學模式

碎片化實驗教學模式是一種以實驗為核心的教學方法，旨在通過將知識點分解為碎片化的實驗任務，讓學生在實踐中探索和發現科學原理。在這種模式下，教師會將課程內容分解為一系列小實驗，每個實驗都涉及特定的科學概念和實驗技能。學生通過參與這些實驗，逐步積累實驗經驗和科學知識，培養實驗設計、觀察、記錄和分析的能力。這種碎片化的實驗教學模式能夠激發學生的學習興趣和主動性，提高他們的實踐能力和科學思維能力。同時，學生在實驗中也能夠體驗到科學研究的過程，培養科學探究的精神和方法。

例如：在制備乙烯的實驗活動中，學生可通過虛擬系統，借助乙醇和濃硫酸完成對乙烯的制備，但是在實驗操作過程中還包含一個最為嚴謹的注意事項，即乙醇和濃硫酸的體積為1：3，同時反應溫度需要控制在170℃。此時，學生會提出額外猜想：“如果乙醇與濃硫酸的體積比例不是1：3，那么會生成什么？”教師可根據相關疑問引進碎片化的實驗項目，借助一分鐘的視頻播放時間，省略掉復雜的操作，直接切入主題，向學生展現出乙醇和濃硫酸在1：4、1：5的情況下會產生怎樣的反應，借助短視頻資料解釋其中的實驗疑問，為整體化的實驗教學提供更加全面的支持，從而使學生能夠形成更加完整的學科思維。因此，教師需要在教育數字化背景下引進短視頻資料，通過短視頻科普教育的形式，補充整體化學實驗中的細節部分，讓學生在日常學習過程中，通過短視頻資料不斷豐富自身的知識面。運用這種實驗教學模式，高中階段的學生能夠更加深入地理解科學原理，提高解決問題的能力，并為未來的科學研究和學習打下堅實的基礎。

結束語

總體來說，在教育數字化背景下，高中化學教師需要對實驗課程教學方法、程序、機制進行改善，引進多元化的教學策略，帶領學生對高中化學知識進行深層次、多維度研學探究，從而提高學生的實驗學習效率。

參考文獻

[1]浦紹體.信息化背景下高中化學實驗教學模式探討[C]//教育部基礎教育課程改革研究中心.2020年“教育教學創新研究”高峰論壇論文集.云南曲靖宣威市第六中學，2020：2.

[2]蔡文林.信息技術和新課程背景下創新高中化學實驗教學模式的探究[J].中文科技期刊數據庫（引文版）教育科學，2021（5）：1.

[3]李林玲.微課背景下高中化學實驗教學模式研究[J].科學咨詢，2019（18）：1.

本文系廣西教育科學“十四五”規劃2023年度專項課題“教育數字化背景下高中化學實驗課教學模式創新研究”（課題編號：2023ZJY701）研究成果。