教學評一體化視角下高中化學數字化實驗設計與實踐

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）倡導教學評一體化，有效開展課堂教學評價。但中學階段，不少教師仍偏重學生學業成績等結果性評價，對過程性評價不夠重視。如何提高教學效率，以學生為中心，不斷提高學生的化學學科能力？筆者以發展學生素養為導向，進行教學評一體化設計，開展數字化實驗系列活動，采取預測—觀察—解釋（POE）策略，評價學生創新意識與能力。以“過氧化鈉與水反應”為例，筆者堅持教學評一體化理念，采取POE策略實施數字化教學，引導學生解釋化學實驗現象并深化認識。在活動過程中，筆者觀察評估學生變化觀念與平衡思想的建立情況，注重發展功能的評價，對學生進行形成性評價和終結性評價。教學評三要素相互配合相互作用，有利于學生高效實現學習目標，提升化學學科核心素養。

一、教學評一體化理念及數字化實驗教學構想

20世紀90年代中期，日本專家水越敏行等人提出教學與評價一體化的思想。教學評是一個完整教學活動的三個方面，一體化是教學評三個方面的融合統一。課標倡導學生自評﹑同伴互評與教師評價相結合，充分發揮評價促進學生化學學科核心素養全面發展的功能，強調“課堂提問的設計應有意識地關注化學學科核心素養達成情況的診斷；課堂點評應有的放矢，增強促進學生化學學科核心素養發展的指導性”。

鄭長龍教授指出課標將輸入性要求和輸出性要求進行了一體化設計，強調評價目標與教學目標一致性，以及評價任務和學習任務一致性；不能只重視輸入性化學教學目標和學習任務，而忽視對輸出性化學評價目標和學習任務的設計^[1]。教學評貫穿教學活動過程，一體化就是要求教學評有機融合：教以目標為導向并指向核心素養提升，學是為了發展學生學科核心素養，評用以促進教與學。

筆者依據課標，從“教學目標”出發優化“評價設計”，對教學活動進行“逆向設計”，堅持評價先于教學的理念，將評價任務嵌入后續的教學中。筆者按照上述構想確定教學目標，設計數字化實驗案例，組織教學活動，收集學生學習成效信息及學生在復雜情境中解決問題能力的診斷數據。要發揮數字化實驗在提升核心素養的表現評價方面的作用，需要處理好教學評的關系，要做好數字化實驗的教學評一體化教學研究思路設計（如圖1）。

二、教學評一體化教學案例分析

（一）教學內容分析

本節課的核心內容為探究“過氧化鈉與水反應”的歷程，從元素守恒的視角判斷反應的生成物，透過實驗現象認識化學本質，并借助數字化實驗進行驗證。實驗過程中，酚酞堿溶液褪色，視覺效果明顯。筆者以此激發學生興趣，引導他們探究：哪些因素使溶液顏色褪去？①思考氧氣是否使得氫氧化鈉的酚酞溶液紅色褪去；②驗證過氧化氫是否使氫氧化鈉的酚酞溶液紅色褪去；③驗證氫氧化鈉的酚酞溶液是否一定是紅色。筆者如此安排教學內容旨在為后面探究“過氧化鈉與水反應”的歷程做鋪墊；讓學生基于真實情境進行思考與探索，復習元素化合物知識，對物質的分類轉化及離子反應、氧化還原反應等知識進行鞏固和提升。學生學習本節課知識內容將展現他們運用已有知識及元素觀解決具體問題的能力水平。

（二）教學目標

基于對教材結構和教學內容的理解，結合課標要求，筆者確定“過氧化鈉與水反應”教學目標如下：①學生觀察實驗過程中的異常現象，了解基本的科學研究方法，培養實驗動手能力；②經歷實驗﹑假設﹑推理等過程，提升觀察能力﹑創造思維能力；③層層遞進開展實驗驗證，根據研究目的設計探究方案，建立證據推理意識，養成認真和務實的科學態度。本課教學涉及的素養包括對學生思維﹑實踐﹑價值層面的要求。學生能力目標與表現性評價維度如下（見表1）。

（三）教學方法

筆者堅持教學評一體化理念，指導學生學習以實驗為基礎的研究方法，設置實驗活動旨在以教師演示，或邊講邊做，或學生自主實驗的方式，設置學生的探究任務和教師的評價任務，并通過全面觀測對學生的表現進行評價，引導學生實證獲得有關“過氧化鈉與水反應”的事實性知識。

（四）教學過程

本節課的教學分5個環節進行。筆者播放視頻《水中生火》開啟教學，以教學評一體化的理念將實驗內容嵌入目標任務和評價任務，促進教學目標與評價目標融合。在教學過程中，將教師的教、學生的學和對學習結果的評價緊密聯系在一起，并將評價目標貫穿教與學的整個過程^[2]。筆者圍繞教學目標設計了教學關鍵環節。

1.探究“過氧化鈉與水反應”產物

學生的探究任務：列舉﹑描述﹑辨識典型物質重要的物理化學性質。

教師的評價任務：診斷學生的變化觀念與平衡思想、邏輯推理能力與水平（見表2）。

筆者帶領學生利用數字化實驗平臺得到實驗圖像，讓學生在實驗過程中收集證據，分析圖像判斷物質生成情況，理解圖像變化蘊含的意義。具體操作如下。將溫度傳感器、數據采集器與電腦相連；將傳感器探頭浸入水中，向裝有20 mL水的燒杯中添加過氧化鈉粉末（約2 g），并用logger Pro軟件采集數據，以時間為橫軸、以溫度為縱軸作圖。將上述操作中的以溫度為縱軸換成以pH為縱軸，生成圖像（如圖2）。

將氧氣傳感器、數據采集器與電腦相連；向三口圓底燒瓶內加入過氧化鈉（約3 g），用氧氣傳感器檢測三口圓底燒瓶內的含量；向三口圓燒瓶中加入20 mL水，裝上氧氣傳感器進行檢測。當產生氧氣含量不再變化時，打開夾子加入少量二氧化錳（約1 g），用logger Pro軟件采集數據利用平臺分析，并以時間為橫軸、以氧氣含量為縱軸作圖。學生分組匯報、展示預測圖和數字化實驗檢測真實圖（如圖3）。

設計意圖：激發學生興趣，設置真實情境引導學生建立正確的化學觀念，對遇到的問題會用化學思維思考與解決；運用POE策略，培養學生的邏輯推理能力，以及實驗操作能力和創造思維能力，讓他們了解基本的科學研究方法。

2.探究氧氣是否能使得氫氧化鈉的酚酞溶液紅色褪去

學生的探究任務：預測物質的化學性質和變化，設計實驗并初步驗證、分析和解釋。

教師的評價任務：診斷學生科學探究、創新思維與推理能力。觀測點1：以提問﹑交流的方式，讓學生回憶制備氧氣的知識，寫出實驗方案中的方程式，設計實驗制備氧氣，借此觀察學生能否正確書寫實驗中涉及的化學方程式。觀測點2：讓學生結合題設，向氫氧化鈉溶液通入氧氣，操作實驗，其后以提問﹑點評的方式測評學生能否正確描述實驗現象并知曉氧氣不能使得氫氧化鈉的酚酞溶液褪色。 設計意圖：利用直觀生動的實驗解答學生的困惑，讓學生親身實驗，加深對學科認識，了解研究問題的科學方法，逐步增強分析能力，學會運用對照實驗來研究問題。

3.探究過氧化氫是否使氫氧化鈉的酚酞溶液褪色

學生的探究任務：設計實驗驗證并解釋原因。

教師的評價任務：診斷學生宏觀辨識與微觀探析、對氧化還原反應的分析與理解能力的水平。觀測點1：以提問﹑分組討論的方式，讓學生回憶過氧化氫的化學性質及應用，借此測評學生能否正確描述過氧化氫在醫療上的應用及原理。觀測點2：讓學生滴加過氧化氫，觀察氫氧化鈉酚酞溶液顏色變化情況，驗證實驗結論，在點撥﹑糾錯過程中測評學生能否正確解釋溶液中出現的現象。設計意圖：實驗現象是最直觀的證據，借助數字化實驗培養學生證據推理能力，引導學生在對比中學習，培養學生設計連續多步實驗的思維能力，使其體會實驗的有序性和縝密性。

4.探究氫氧化鈉是否一定會使酚酞溶液變紅

學生的探究任務：深入探究，逐一設計實驗并加以驗證。

教師的評價任務：診斷并發展學生科學探究與創新意識、分析與理解實驗能力水平。觀測點1：以提問、補充的方式，讓學生回憶配制不同濃度溶液的方法，配制氫氧化鈉溶液，借此測評學生能否回憶溶液配制的實驗過程。觀測點2：以提問和討論的方式引導學生觀察不同濃度氫氧化鈉溶液里滴加酚酞溶液后的變化并解釋實驗現象，借此測評學生能否正確描述現象并認識到濃的氫氧化鈉溶液滴加酚酞溶液后也會褪色。

設計意圖：教師引導學生了解不同濃度氫氧化鈉溶液對酚酞溶液的影響，用科學的實驗方法證明不同濃度的氫氧化鈉溶液對酚酞的影響是不同的，提升學生綜合運用學科知識解決問題的能力，完成復雜的科學探究任務。

查閱資料：借助網絡或者以其他方式了解本質原因，分析不同濃度氫氧化鈉對酚酞溶液的影響（如圖4）。

解釋原因：酚酞溶液（內酯式）遇到氫氧根先變成紅色的醌式結構，如堿的濃度過高，就會變成無色的羧酸鹽式。這就是濃度較高的氫氧化鈉溶液滴加酚酞后會先變紅后褪色的原因^[3]。

在“過氧化鈉與水反應”的實驗中，滴加酚酞溶液后出現異常現象與多種因素有關：

（1）“過氧化鈉與水反應”溶液滴加酚酞溶液后，產生異常現象與反應生成的HO（或HO^-）的漂白作用和所得堿溶液較濃有關。

（2）“褪色”可能是NaOH的濃度太高，反應過程中生成的HO會破壞紅色醌式結構，但過氧化鈉與少量水反應時，所得溶液OH^-濃度較大 （OH^-）> 0.1 mol/L，生成的過氧化氫表現出很強的氧化性，使醌式酚酞氧化而褪色，此時生成無色的三鈉鹽很少。當固體 NaO與水反應時，所得溶液OH^-濃度處于0.01 mol/L< （OH^-）< 0.1 mol/L， 生成的過氧化氫氧化性不強，使醌式酚酞部分氧化而變淺紅。當NaO與適量水反應時，所得溶液 （OH^-）< 0.01 mol/L，生成的過氧化氫氧化性較弱，不能使醌式酚酞氧化，溶液顯紅色^[4]。

5.探究“過氧化鈉與水反應”歷程

學生的探究任務：用化學方程式或離子方程式正確表示典型物質的主要性質。

教師的評價任務：診斷并發展學生歸納水平、書寫化學方程式的能力。觀測點1：以提問、啟發的方式引導學生根據實驗曲線，判斷有中間產物過氧化氫生成，進而得出第一步反應生成物是氫氧化鈉與過氧化氫的結論。觀測點2：引導學生對加入二氧化錳后氧氣濃度再次上升和過氧化氫被分解的現象進行討論，進而得出第二步反應過氧化氫被分解的結論。師生共同總結：第一步，與水發生復分解反應NaO+2HO=2NaOH+HO；第二步，過氧化氫發生分解反應2HO=2HO+O↑；總反應為2NaO+2HO=4NaOH+O↑。

設計意圖：深化學生對“過氧化鈉與水反應”的理解，掌握研究方法為后續化合物的學習打基礎。教師引導學生分析總結反應歷程，提高學生書寫化學方程式的能力。

三、教學評一體化POE數字化教學優勢明顯但需科學把控

（一）數字化實驗教學是傳統實驗教學的有益補充

實驗是學習化學知識的重要載體，筆者從多個維度將數字化實驗教學與以往的傳統實驗進行對比（見表3），明確了數字化實驗的作用和定位。

傳統實驗與數字化實驗各有特點。數字化實驗在實驗方案實施、可視化、定量研究、POE策略應用等方面優勢明顯，是傳統實驗的有益補充。需要注意的是，教師開展數字化教學需要具備相關的信息處理技能。學校應加強對教師的培訓，激發教師對實驗教學研究的熱愛和不斷更新知識的熱情。教師只有主動探究，才能掌握數字化實驗教學的主動權。有些傳感器（如電導率傳感器、氧氣傳感器等）有測定范圍的限制；有些傳感器（如pH傳感器等）使用前需要校準；有時傳感器會出現采集數據不穩定的情況，這就要求教師在課前不斷研究實驗，調試儀器最佳測試條件，優化實驗設計，得到穩定精確的實驗圖像。

（二）新模式下數字化教學效果良好

在本課教學中，筆者先帶領學生猜測“過氧化鈉與水反應”生成物并用數字化實驗進行驗證，采取POE策略教學，揭示“過氧化鈉與水反應”的生成物，再用數字化實驗探究酚酞溶液褪色的原因，收集學生成效信息，構建形成性評價與終結性評價體系，踐行教學評一體化。在教學中，對實驗班采用上述方法教學，為比較教學效果對另一班級用常規教學方法教學。課后以相同測試題檢驗，從正確率比較結果來看數字化教學效果更好。例如，一道測試學生能否說明過氧化鈉的用途的題目，對照班學生作答正確率為76.4%，實驗班正確率為88.7%。

（三）發展學生素養要聯系實際、注重創新

化學是一門以實驗為基礎的科學，實驗創新意識與能力是化學學科重要的素養之一，化學源于生活，生活中處處有化學。本節課的重點內容在于借助數字化實驗探究反應生成物，提升學生對實驗操作和實驗設計能力。教師認真分析學生對實驗的設計、基本操作、報告書寫等環節的反饋與評價信息，幫助學生發展學科核心素養。實驗探究過程中，教師不僅要關注學生的化學基本操作是否規范，而且要注重培養學生的創新能力。為了不斷引導學生理解化學與社會、生產、生活的密切關系，并激發學生參與的熱情。筆者從生活中水與火不相容的事例引出課題，激發學生學習的主動性；將學科知識融入情境之中，引導學生將知識運用到情境中解決實際問題。教學諸環節設計的核心問題，邏輯性嚴密且層層遞進，讓學生探究“過氧化鈉與水反應”生成物及異常現象使得情境有意義，在解決問題的過程中幫助學生系統建構知識體系。實踐證明，合理運用數字技術，堅持教學評一體化理念設計教學活動提高學生學科核心素養，符合高中學生的思維認知水平，將評價與診斷學生能力發展水平貫穿教學始終，使得教學更加精準高效，更有利于提高學生化學學科核心素養。

注：本文系2022年安徽省教育科學研究項目“基于‘教、學、評’一體化的高中化學數字化實驗教學實踐研究”（項目編號：JK22142）的研究成果。

參考文獻

[1] 鄭長龍．基于“教﹑學﹑評”一體化理念的化學學習評價設計[J].中學化學教學參考，2018（6）：3-5.

[2] 景崤壁，李杰，丁珣，等．“教﹑學﹑評”一體化“離子反應”教學設計[J].中學化學教學參考，2023（1）：26-28.

[3] 劉懷樂．NaO與水反應后的溶液使酚酞褪色的原理探究[J].中學化學教學參考，2018（4）：41-42.

[4] 王擁軍．過氧化鈉與水反應異常現象再探究[J].實驗教學與儀器，2008（1）：31-32.

（作者盛儉發系安徽省宣城市第二中學化學教師；徐泓系安徽省宣城市教體局教研室化學教研員；朱成東系安徽省教育科學研究院化學教研員）

責任編輯：祝元志