科學思維導向的初中化學教學與信息技術融合策略

摘要：隨著教育信息化的推進，信息技術與化學實驗教學的融合成為教育現代化的重要方向。以初中化學“中和反應”為例，研究者針對傳統化學實驗教學中存在的學生思維發展不足、實驗操作困難等問題，提出了信息技術與實驗教學融合的策略，旨在發展學生的科學思維。研究者基于科研成果開發教學素材，借助多媒體展示助力思維外顯的證據推理，依托生成式人工智能（GAI）設計實驗方案提升質疑批判能力，運用手持技術破解實驗難題培育創新思維。創新亮點在于將GAI引入實驗教學，為學生提供多樣化的實驗方案選擇，并利用手持技術解決傳統實驗難以監測的難題。研究結果表明，有效開展數字化實驗教學能夠激發學生的學習興趣和探究欲，切實提升學生的科學思維能力，為教學提供新路徑。

關鍵詞：科學思維；中和反應；信息技術；初中化學

教育信息化是教育現代化的基本內涵和顯著特征，是《中國教育現代化2035》的重點內容和重要標志。《教育信息化2.0行動計劃》明確指出，要堅持信息技術與教育教學深度融合，發揮技術優勢，實現公平而有質量的教育。教師在日常教學中一方面要強化信息技術的常態化應用；另一方面也應避免為了“使用”而使用，而應因為“適用”而使用^[1]。化學實驗是落實化學課程立德樹人根本任務的重要教學內容，其與信息技術的融合具有重要價值。《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）為教師提供了信息技術與化學實驗教學融合的諸多建議，如利用數字化實驗裝備改進傳統實驗，讓學生借助可視化的數據認識化學問題的本質，培養學生多視角收集證據解決化學問題的能力；使用傳感器等技術手段表征化學反應的物質變化；用數字化實驗等手段探究不同環境中的空氣質量；合理運用計算機模擬實驗等。特別指出，真實的化學實驗不能被完全替代^[2]。可見，教師在將信息技術與初中化學實驗教學融合的過程中，既要合理選擇適當的信息技術手段實現課堂教學提質增效，又不能忽視傳統實驗的應有價值。

一、基于科學思維培養的初中化學“中和反應”教學價值分析

核心素養是學科育人價值的集中體現。在科學、物理、生物學、化學等學科的義務教育課程標準中，核心素養的內涵均包括科學思維。化學學科中的科學思維包括科學能力、思路方法和認識方式三個方面，具體包括證據推理、模型認知、質疑批判、創新思維、化學實驗探究、認識物質性質、探究物質組成與結構、認識化學反應、解決跨學科問題、宏觀—微觀—符號、系統思維等11個要素^[3]。中和反應是初中化學的核心概念之一，是貫穿初中化學酸堿鹽知識體系的紐帶，是后續復分解反應及其發生條件相關內容學習的必要鋪墊，對高中階段繼續深入學習相關知識（如離子反應、定量角度認識反應的能量變化、強酸和強堿的中和滴定等）有積極的促進作用。筆者圍繞科學思維培養目標，分析初中化學“中和反應”的教學價值（如圖1）。

可見，“中和反應”這一教學內容在培養學生科學思維上具有重要價值，而學生思維發展有賴于教師的教學智慧。教師可按照“明確思維發展目標—尋找思維發展載體—設計具體學習活動—優化關鍵問題線索”的一般流程來進行教學設計，而信息技術的運用應當緊密圍繞思維發展的需求，進行科學合理的規劃與部署。

二、基于真實問題情境構建發展科學思維的教學過程

真實問題情境是學生化學核心素養發展的平臺，是促進思維發展的首選載體。立足于科學思維的培養，基于真實情境設計并實施課堂教學，體現了課標的要求，是實現以核心素養為主旨的課程目標的必然選擇^[4]。發展科學思維的初中化學“中和反應”的教學過程如圖2所示。

整體設計上，筆者在科研論文的啟發下構建教學邏輯，選取了“食品工業生產中橘子囊衣的去除”這一真實問題，從試劑的選擇到條件控制層層遞進，引導學生在經歷相對完整的實際問題解決過程中習得化學知識，發展科學思維。

三、信息技術與實驗教學融合培養科學思維的策略

下面，筆者從發展科學思維的視角，分析“中和反應”教學中信息技術與實驗教學的融合策略。

（一）基于科研成果開發教學素材，培養系統思維

基于科研成果開發初中化學教學素材，既體現了科研成果的實用價值，又提供了指向問題解決的真實情境，有助于促進學生多角度分析和解決問題，逐步發展系統思維。科研成果可通過中國知網等平臺檢索獲取，具體教學活動的設計可遵循“從科研問題走進化學學科問題、再從化學學科問題回歸科研問題”的思路來進行。筆者基于《酸堿處理對糖水橘子罐頭品質的影響》^[5]這一食品生產領域的科研成果進行教學素材開發，將學生置于為橘子去囊衣這一生產情境中，將“橘子去囊衣后的殘酸如何去除”這一生產問題轉化為化學問題。筆者借此引導學生圍繞Mg（OH）₂固體、NaOH溶液和澄清石灰水分別與稀鹽酸的反應進行了系列實驗和討論活動，建構起對于酸堿中和反應的初步認識，基于多角度分析的系統思考過程來解決除酸試劑的選擇問題。同時，使化學回歸生產，教師為學生提供基于文獻資料的學習、加工改編的實驗資料，讓學生分組討論，基于控制變量的思想尋找去除囊衣的最佳實驗條件。解決食品工業領域的問題是相對復雜的，從科學的角度認識橘子去囊衣的過程有助于學生理性看待食品加工行業中化學試劑的規范使用，從跨學科的視角體會化學的價值，發展系統思維。

（二）借助多媒體展示助力學生思維外顯的證據推理

科學思維包括基于實驗事實進行證據推理，化學實驗是學生開展證據推理的重要平臺。外顯學生的思維過程有助于學生形成從證據到結論的推理鏈條，促進科學思維的發展。一方面，教師可以借助多媒體呈現學生設計的多樣化實驗方案和實驗現象，由學生說出自己的思維過程；另一方面，教師也應當在學生思維受阻時提供思路引導和證據支持。

在活動1中，當有學生提出Mg（OH）₂固體可溶解于稀鹽酸這一現象并不能作為證明反應發生的證據時，教師先引導學生說出理由并提出改進方案，再借助多媒體展示實驗證據并由學生嘗試說出推理過程：運用對比實驗來排除水的干擾，將等質量的Mg（OH）₂固體分別與等體積的水和稀鹽酸混合，觀察實驗現象（如圖3）。“Mg（OH）₂在水中幾乎不溶解，在稀鹽酸中溶解”的實驗現象可以說明二者發生了反應。

在活動2中，學生以小組為單位，依據提供的實驗用品設計實驗探究NaOH溶液、澄清石灰水是否與稀鹽酸反應。該實驗活動開放程度較大，學生的思維不受過多限制，教師借助多媒體呈現了相對豐富的實驗方案，并通過匯報交流進一步理清實驗設計思路。例如，從“NaOH被消耗”的角度證明NaOH溶液與稀鹽酸能反應，學生的實驗設計思路為：酚酞溶液、石蕊溶液、硫酸銅溶液等與NaOH溶液作用會有特征現象，若現象消失，說明NaOH消失，則反應發生。試劑用量上稀鹽酸要過量。學生實驗方案（部分）及實驗現象如圖4所示。

該活動中，仍然注重通過生生、師生間的討論交流充分外顯基于實驗證據的推理過程。從學生表現來看，雖部分實驗方案在完整性和準確性上還有待進一步提高，但已建構從反應物消失的角度證明化學反應發生的思路，并形成了依據實驗需要設計對比實驗的意識和能力。

（三）依托GAI設計實驗方案，提升質疑批判能力

質疑批判是科學思維的要素之一，對實驗方案的評價及改進有助于學生質疑批判能力的培養。在教學過程中，實驗方案的設計可以依托GAI來完成，教師則引導學生對GAI生成的實驗方案的合理性、可行性等進行評價并改進。

在活動1中，學生將NaOH溶液和稀鹽酸混合，發現無明顯現象。那么，如何設計實驗探究NaOH溶液與稀鹽酸是否反應了呢？可以借助文心一言、豆包、DeepSeek、Kimi、智譜清言等GAI工具輔助實驗方案的設計。

以智能平臺Kimi為例，生成實驗方案的操作步驟如下。在瀏覽器中輸入網址https：//kimi.moonshot.cn進入Kimi AI助手；在對話框中輸入提示語“請幫我設計一個實驗方案，探究氫氧化鈉溶液與稀鹽酸是否能發生反應”；等待片刻，即可看到GAI生成的包含實驗目的、實驗原理、實驗用品、實驗步驟、實驗現象及結論和注意事項的實驗方案，以及“利用酸堿指示劑”和“利用溫度變化”兩種實驗方法；繼續輸入提示語“除了利用酸堿指示劑，還有哪些方法可以檢測酸堿反應”，GAI又提供了“pH試紙或pH計”“電導率法”“沉淀法”“氣體生成法”等多種方案。GAI對于“酸堿反應”的理解不僅限于酸與堿的反應，而是擴展到了高中階段的酸性物質與堿性物質的反應。實驗方案中既包括傳統實驗，也有數字化實驗。多樣化的實驗方案為不同學段、不同認知水平的學生提供了個性化選擇的機會。筆者基于初三學生的現有知識基礎，立足于學生質疑批判能力的提升，選取了其中的一個實驗方案作為教學素材（如圖5）。

圍繞上述實驗方案的討論與質疑批判能力的培養密切相關。學生提出的兩點質疑包括：一是稀鹽酸中含有水，將稀鹽酸滴入NaOH溶液的過程中，即使不發生化學反應，溶液堿性也會減弱，溶液pH接近7并不能說明酸堿反應已經發生；二是pH計雖然測量精確，但不如pH試紙容易獲取且操作簡便。學生提出的改進方案是：在GAI提供的實驗方案的基礎上，可向NaOH溶液中加入稀鹽酸，再測定溶液的pH，與標準比色卡比較，若溶液的pH降到7以下，則可說明反應發生。通過上述活動，學生在理清實驗設計思路的同時也體驗了GAI輔助實驗學習的優勢與不足，認識到GAI的工具屬性，形成對GAI提供的內容進行篩選、評價、質疑與改進的意識。

（四）運用手持技術破解實驗難題，培育創新思維

數字化實驗既具備傳統實驗的真實性和可操作性，又可為學生提供可靠的定量實驗證據，彌補了傳統實驗的不足，拓展了學生的實踐領域^[6]。在教學過程中，教師可以適時引進手持技術等數字化實驗手段，幫助學生搜集傳統實驗無法獲得的實驗證據，創造性地解決實驗難題，培育創新思維。教師應有意識地引導學生認識并說出傳統實驗為何“不能”和數字化實驗為何“能”，通過外顯思維深化對實驗原理的理解。

在活動2中，面對從“鹽酸被消耗”的角度證明澄清石灰水與稀鹽酸反應時總是失敗這一實驗難題，師生展開討論。

教師：為什么向稀鹽酸中加入澄清石灰水，即使加入很多，還是能檢測到稀鹽酸的存在？

學生：澄清石灰水中溶質的質量分數太小（濃度太低），導致稀鹽酸未被耗盡。

教師：那么，向稀鹽酸中加入澄清石灰水后，稀鹽酸的濃度會發生變化嗎？

學生：如果稀鹽酸被消耗了，其濃度應該會降低。

教師：濃度的減小一定是稀鹽酸被消耗導致的嗎？

學生：還有可能是水的稀釋作用。

經過上述討論，學生意識到實驗失敗的原因在于傳統實驗無法檢測出鹽酸濃度的微小變化。借助手持pH計，測量圖6所示溶液的pH，發現差異，從而從“鹽酸被消耗”的角度說明稀鹽酸與澄清石灰水反應了。

在上述實驗活動中，學生意識到若很難將反應物完全耗盡，證明反應物變少了也可以說明發生了反應。借助數字化手段在基于實驗獲取證據的獨特優勢，可以設計對比實驗來排除稀釋對溶液pH的影響，尋找證明反應發生的證據。

四、正確開展數字化實驗教學對科學思維發展有促進作用

從學生反饋來看，既貼近生活又涉及生產問題的食品相關真實情境成功激發了他們的學習興趣和探究欲。學生參與系列活動，其科學思維尤其是化學實驗探究中的對比實驗、變量控制以及證據推理能力得到了切實發展。學生認可數字實驗、人工智能等技術應用于實驗學習的優勢，也初步形成了要辯證看待、合理使用的意識。

筆者認為信息技術與實驗教學的融合要服務于學生發展。教師應積極探索將文獻檢索獲取的專業論文轉化為教學素材，設計基于真實問題的教學活動，培養學生解決實際問題的能力。當技術作為展示工具時，教師要優選能促進學生思維外顯、破解學生思維障礙的素材，避免形式化的使用；運用人工智能時，要理性看待其呈現出的內容，有進行合理質疑和篩選的意識，避免過度依賴；引入數字實驗或虛擬實驗時，要充分考慮其與傳統實驗間的優劣，取長補短而非取而代之。

注：本文系人民教育出版社數字教育出版技術與標準重點實驗室、人民教育出版社人教數字教育研究院2024年度規劃重點課題“項目式學習導向下中學跨學科課程的設計與實踐研究”（RJA0424005）的階段性研究成果。

參考文獻

[1] 錢揚義，陳浚銘.中學化學實驗與信息技術融合的內涵與實踐路徑[J].課程·教材·教法，2024（2）：132-139.

[2] 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[3] 施觀雪，畢華林.“科學思維”核心素養的內涵及其教學建議：基于《義務教育化學課程標準（2022年版）》的分析[J].中學化學教學參考，2022（13）：5-8.

[4] 周業虹.研究新課標情境素材培養學生科學思維[J].化學教學，2023（4）：23-27.

[5] 曾維麗，趙永敢，孫露露.酸堿處理對糖水橘子罐頭品質的影響[J].北方園藝，2011（21）：136-137.

[6] 佘平平，周業虹.數字化實驗轉化為情境試題的策略與教學價值：以電解法測定阿伏伽德羅常數為例[J].中小學數字化教學，2024（4）：5-8.

（作者邢苗苗系北京市第五十五中學教師；周業虹系人民教育出版社課程教材研究所編審，中國教育學會化學教學專業委員會秘書長）

責任編輯：祝元志