高中化學(xué)數(shù)字化實驗校本課程開發(fā)與實施

王成秩

（福建師范大學(xué)附屬中學(xué)，福建福州 350007）

化學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，化學(xué)實驗對全面發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)揮著極其重要的作用。隨著科技的進步，化學(xué)實驗技術(shù)手段日新月異，融現(xiàn)代信息技術(shù)于一體的數(shù)字化實驗進入了化學(xué)課堂教學(xué)。數(shù)字化實驗是指利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機及相應(yīng)軟件進行的實驗。［1］與傳統(tǒng)實驗相比，它能夠借助傳感器和信息處理終端進行實驗數(shù)據(jù)的實時采集與分析，呈現(xiàn)可視的圖像信息，具有實時性、準確性、直觀性等特點，可以彌補某些傳統(tǒng)實驗操作不便，實驗數(shù)據(jù)不易采集的特點，使化學(xué)實驗進入數(shù)字化、信息化的感知模式。因此，數(shù)字化實驗得到了化學(xué)教育工作者的重視而被研究開發(fā)?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準（2017版）》指出，高中化學(xué)課程教學(xué)以發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨，要注重在實驗教學(xué)中發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的作用，積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實驗的深度融合。［2］數(shù)字化實驗促進學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展研究進一步得到重視。

綜合研究數(shù)字化實驗的文獻觀點來看：數(shù)字化實驗其數(shù)字、曲線圖像的同步表征能力，為化學(xué)學(xué)習(xí)提供了更為直觀的證據(jù)來源，將數(shù)字化實驗引入中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中，能有效幫助學(xué)生理解和掌握化學(xué)知識，建構(gòu)化學(xué)概念，理解反應(yīng)原理，發(fā)展學(xué)科思維，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。相對傳統(tǒng)實驗手段在發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認知”更高水平的素養(yǎng)上有獨特的優(yōu)勢。［3］雖然數(shù)字化實驗優(yōu)點突出，但實際上數(shù)字化實驗并沒有被廣泛應(yīng)用于課堂教學(xué)，其優(yōu)點沒有得到最大限度的發(fā)揮。其主要原因在于：一是由于數(shù)字化實驗對場地、儀器設(shè)備以及學(xué)生前期的操作培訓(xùn)要求較高，數(shù)字化實驗若以學(xué)生分組實驗的形式應(yīng)用于課堂教學(xué)，往往會占用較多的教學(xué)時間而影響教學(xué)進度，因此數(shù)字化實驗更多是教師以演示的形式在課堂中使用，學(xué)生獨立操作進行探究的機會很少。二是教科書中并沒有編寫數(shù)字化實驗案例，將數(shù)字化實驗應(yīng)用于課堂教學(xué)需要教師開發(fā)設(shè)計，因此很多學(xué)校雖然建設(shè)了化學(xué)數(shù)字化實驗室或購買了相關(guān)設(shè)備，但數(shù)字化實驗多應(yīng)用于教學(xué)觀摩或教學(xué)比賽中。

綜上，要讓數(shù)字化實驗真正地走進學(xué)生，發(fā)揮育人作用，需要開辟新的途徑。在諸多開展數(shù)字化教學(xué)過程的研究中，開發(fā)數(shù)字化實驗為載體的校本課程是一條可行的途徑。［4］校本課程是以學(xué)校為本位、由學(xué)校結(jié)合本校資源自己確定的課程，其自主性的特點能有效解決場地、課時安排等問題，能最大限度提高學(xué)生實驗操作的自主性。本文以高一化學(xué)為例，探討了基于核心素養(yǎng)的高中化學(xué)數(shù)字化實驗校本課程的開發(fā)與實施。

一、基于目標(biāo)模式的課程開發(fā)

（一）課程開發(fā)的模式與程序

美國學(xué)者泰勒提出的目標(biāo)模式是課程開發(fā)的常用模式，［5］該模式指出課程開發(fā)應(yīng)包含“精確的、具體的課程目標(biāo)、選擇學(xué)習(xí)經(jīng)驗（或指內(nèi)容的選擇和組織）、組織學(xué)習(xí)經(jīng)驗（或指課堂教學(xué)）、評價學(xué)習(xí)結(jié)果（或指學(xué)業(yè)評價）”四個要素，結(jié)合四個要素“化學(xué)數(shù)字化實驗探索”開發(fā)程序依據(jù)圖1進行：

圖1

（二）課程目標(biāo)的設(shè)置

校本課程是國家課程的有效補充，其開設(shè)是為了滿足學(xué)生未來發(fā)展的多樣化需求，因此校本課程的培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)該以國家課程培養(yǎng)目標(biāo)為核心，結(jié)合課程內(nèi)容的特點進行設(shè)置。數(shù)字化實驗校本課程的實質(zhì)是實驗類課程，具有實踐性和探究性的特點，但實驗類的課程應(yīng)以具體的化學(xué)知識為載體，進而建構(gòu)化學(xué)概念、揭示化學(xué)反應(yīng)原理。據(jù)此，本課程目標(biāo)以發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨，著重激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，突出實驗技能培養(yǎng)，促進學(xué)生對高一化學(xué)核心概念的深度理解，其內(nèi)容為：一是能根據(jù)探究目的利用數(shù)字化儀器設(shè)計實驗方案，并完成實驗操作，初步形成數(shù)字化實驗操作技能；二是初步學(xué)會利用實驗得到的數(shù)據(jù)、曲線圖像、實驗現(xiàn)象等進行宏觀辨識與微觀探析、基于證據(jù)進行分析推理，能解釋證據(jù)與結(jié)論的關(guān)系；三是在實驗中感受學(xué)習(xí)化學(xué)的樂趣，深化理解高一教材部分核心概念，了解概念的形成過程。

（三）課程內(nèi)容的選用

普通高中課程方案指出，課程內(nèi)容的確定要符合思想性、時代性、基礎(chǔ)性、選擇性以及關(guān)聯(lián)性。［6］學(xué)校校本課程開設(shè)對象為高一學(xué)生，學(xué)生學(xué)習(xí)能力總體較好，校本課程實施時間按學(xué)段劃分，一個學(xué)年共計4個學(xué)段，每個學(xué)段10周左右，每周有一次的校本課程，每次課為2課時連課共80分鐘。根據(jù)上述特點，本課程內(nèi)容選擇的依據(jù)定位為能夠體現(xiàn)高一必修教材核心概念的建構(gòu)或元素化合物性質(zhì)的探究，實驗方案相對簡單可操作性強，能涵蓋常見的數(shù)字化儀器，能與課時時間相匹配。實驗內(nèi)容主要依據(jù)蘇教版高一必修部分實驗內(nèi)容及學(xué)術(shù)期刊或書籍中的優(yōu)秀案例進行改編。內(nèi)容編寫基本按照：概念介紹——實驗探究——結(jié)果討論與分析的程序進行，知識內(nèi)容的難易程度、活動過程的設(shè)計充分考慮高一學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，注重與學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)養(yǎng)成相聯(lián)系。

（四）課程內(nèi)容編排與教學(xué)目標(biāo)

為了讓課程更能與高一必修課程相融合，形成更合理的體系，課程內(nèi)容編寫之后進行了主題劃分，整個課程分為4個主題，共24課時，每課時均突出核心概念的學(xué)習(xí)，其課程內(nèi)容編排與教學(xué)目標(biāo)如表1：

表1

主題一側(cè)重實驗技能的培養(yǎng)，是課程內(nèi)容的基礎(chǔ)。幾乎所有的學(xué)生是第一次接觸數(shù)字化實驗的相關(guān)儀器，因此需要進行操作技能的培訓(xùn)，讓他們掌握使用方法。除了數(shù)字化實驗之外，課程過程中還需要其他的一些輔助實驗如溶液的配制、樣品的稱量等，因此有必要進行相關(guān)定量儀器的介紹學(xué)習(xí)。

主題二至四側(cè)重概念建構(gòu)知識，輔以物質(zhì)性質(zhì)探究。表1中呈現(xiàn)的實驗、核心概念幾乎都是國家必修1課程要求的相關(guān)實驗、概念，能符合高一學(xué)生的認知水平和實驗?zāi)芰?，體現(xiàn)了對必修課程的補充。與必修課程中的實驗相比較，最大不同在于采用了數(shù)字化實驗，希望通過數(shù)字化實驗的定量化特征幫助學(xué)生降低認知負荷，有效建構(gòu)概念，讓學(xué)生在分析數(shù)據(jù)化曲線圖像提升信息提取能力，發(fā)展宏觀—微觀—符號認知能力，促進化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的落地。

二、課程的實施與反思

（一）課程的授課模式

“化學(xué)數(shù)字化實驗探索”校本課程面向高一學(xué)生進行自主選課組班，授課時間為每周五下午，課長為2課時連課共80分鐘，總課時為20-24課時。課程由兩位教師共同執(zhí)教，其中一位教師主講，另一位教師協(xié)助指導(dǎo)學(xué)生進行實驗操作，參與學(xué)生的問題討論，做好學(xué)生課堂表現(xiàn)的評價記錄。授課主要采用教師講解—學(xué)生實驗—師生討論的模式，這一模式體現(xiàn)了教師的組織者作用，充分發(fā)揮了學(xué)生的主體作用。教師講解重在講概念原理，實驗方案的設(shè)計依據(jù)，學(xué)生實驗探究以兩人合作探究為主，教師指導(dǎo)為輔，重在培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力和實驗記錄能力，養(yǎng)成觀察實驗發(fā)現(xiàn)問題的習(xí)慣，師生討論則是在教師的組織下學(xué)生根據(jù)實驗得到的數(shù)據(jù)、圖像進行分析對比得出結(jié)論、分享學(xué)習(xí)收獲，教師則對學(xué)生的匯報進行評價記錄。此環(huán)節(jié)重在培養(yǎng)學(xué)生交流表達的能力，培養(yǎng)學(xué)生基于宏微結(jié)合、證據(jù)推理的思維方式。

（二）課程的評價方式

課程評價包含了對學(xué)生的學(xué)習(xí)評價以及課程的自身評價，評價是為了評估課程的實施是否達成課程目標(biāo)，為了修訂課程內(nèi)容、優(yōu)化教學(xué)模式，反饋學(xué)生學(xué)習(xí)情況和實施效果。

學(xué)習(xí)評價是校本課程教學(xué)的重要組成部分，對促進學(xué)生核心素養(yǎng)有積極的重要作用。本課程對學(xué)生的評價以過程性評價為主，堅持定性評價和定量評價相結(jié)合的原則，具體由課堂表現(xiàn)和實驗報告單兩部分組成，課堂表現(xiàn)評價體現(xiàn)學(xué)生在實驗過程、交流討論中的表現(xiàn)，主要包含聽課、實驗操作及發(fā)言情況，由教師給予定性評價。實驗報告單評價由教師根據(jù)學(xué)生完成的實驗報告單給予定量評價。兩者的評價情況在課程結(jié)束時，由教師以素質(zhì)報告單的形式向?qū)W生反饋，素質(zhì)報告單簡要評價學(xué)生的課堂表現(xiàn)、實驗操作能力，記錄學(xué)生發(fā)言的次數(shù)及每次實驗報告單的成績。在這些評價中學(xué)生尤其看中教師對其實驗操作能力的評價，教師簡潔的激勵性評價對學(xué)生是極大的鼓舞，對培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，養(yǎng)成科學(xué)嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度有著積極的作用。

為了解課程實施的效果，在課程學(xué)習(xí)結(jié)束之時向參與學(xué)習(xí)的學(xué)生進行了問卷調(diào)查和深度訪談。調(diào)研結(jié)果顯示多數(shù)學(xué)生對這門課的開設(shè)感到滿意，認為這門課的內(nèi)容有助于深化對課本知識的理解，同時學(xué)習(xí)能力尤其是數(shù)據(jù)、曲線圖形分析能力和與他人合作的能力都得到了較大的提升?？傮w而言，學(xué)生對“化學(xué)數(shù)字化實驗探索”的內(nèi)容設(shè)置與教學(xué)模式表示認可，也自感化學(xué)學(xué)習(xí)能力的顯著提升。

（三）反思

校本課程作為國家課程的重要補充，對于發(fā)展學(xué)生個性、促進學(xué)生全面發(fā)展有重要作用。校本課程的開發(fā)應(yīng)當(dāng)立足于本校校情，學(xué)校的師資、設(shè)備場所、嚴格的校本課程開設(shè)時間均是課程能得以開發(fā)與實施的重要保障。課程內(nèi)容的開發(fā)不應(yīng)拘泥于原創(chuàng)，而要重在整合形成體系，“化學(xué)數(shù)字化實驗探索”參照國家課程進行主題劃分，各主題以核心概念引領(lǐng)學(xué)習(xí)有利于促進知識的結(jié)構(gòu)化。以學(xué)生實驗探究為主的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，能讓學(xué)生真正動手實踐、動腦思考，大大提高了學(xué)生參與課堂的積極性，基于數(shù)據(jù)、曲線圖像的分析方法促進了學(xué)生基于證據(jù)推理思維方法的養(yǎng)成。課程評價是優(yōu)化課程的主要環(huán)節(jié)，但評價的措施還要進一步探討改進。