高中化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)信息化教學(xué)環(huán)境調(diào)研

周業(yè)虹 楊青

摘要：《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中明確提出要發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)，充分利用信息化教學(xué)資源，為學(xué)生創(chuàng)建線上線下、課上課下融合的“教、學(xué)、評(píng)一體化”的數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境。文章結(jié)合信息化教學(xué)相關(guān)的課題研究，針對(duì)高中化學(xué)中探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，圍繞實(shí)施中可能存在的問題和信息技術(shù)的應(yīng)用情況，在教師和學(xué)生中展開調(diào)研，以期通過調(diào)研了解高中化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)信息化資源和工具的具體需求，更精準(zhǔn)地指導(dǎo)數(shù)字化教學(xué)資源的開發(fā)，為一線教學(xué)提供高效服務(wù)。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué);核心素養(yǎng);實(shí)驗(yàn)探究;信息化資源。

文章編號(hào)：1008-0546（2022）03-0085-05???? 中圖分類號(hào)：G632.41???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03.019

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）提出了五個(gè)維度的學(xué)科核心素養(yǎng)，其中“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”從實(shí)踐層面激勵(lì)學(xué)生勇于創(chuàng)新，[1]強(qiáng)調(diào)學(xué)生應(yīng)借助已有的知識(shí)、原理、規(guī)律、方法對(duì)物質(zhì)及其變化進(jìn)行探索，在獲得新知的同時(shí)建構(gòu)知識(shí)體系。化學(xué)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的重要途徑，如何引導(dǎo)教師在帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)的過程中，積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度融合，發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)，合理運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，達(dá)到落實(shí)并發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的目的，真正實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、評(píng)”一體化呢？

正是基于此目的，我們圍繞高中化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)現(xiàn)狀及對(duì)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用展開了調(diào)研，以期了解實(shí)施探究性實(shí)驗(yàn)的過程中師生對(duì)信息技術(shù)的需求，探索在數(shù)字化資源工具的融合應(yīng)用中，更好地實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的自主、合作探究的教與學(xué)。

一、調(diào)研對(duì)象、內(nèi)容與方法

我們選擇具有一定信息化教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的化學(xué)教師及其所任教的學(xué)生為調(diào)研對(duì)象。調(diào)研內(nèi)容包括探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際情況、面臨困難、對(duì)相關(guān)信息技術(shù)的運(yùn)用（需求）這三個(gè)方面展開，調(diào)研問題見圖1。

調(diào)研方式包括網(wǎng)絡(luò)問卷、課堂觀察、專題訪談，范圍覆蓋北京、上海、廣東、遼寧等14個(gè)省（市）的60所學(xué)校，收集教師有效問卷540份，學(xué)生有效問卷3022份，其中高一年級(jí)學(xué)生占比48%，高二年級(jí)學(xué)生占比27%，高三年級(jí)學(xué)生占比24%。

二、對(duì)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的調(diào)研結(jié)果及分析

1.影響學(xué)生科學(xué)探究能力的關(guān)鍵因素和面臨的主要問題

（1）影響學(xué)生科學(xué)探究能力的關(guān)鍵因素

關(guān)于“探究興趣高的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容”，通過調(diào)研我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)涉及化學(xué)反應(yīng)原理的探究性實(shí)驗(yàn)興趣最高，緊接著是化學(xué)反應(yīng)規(guī)律、物質(zhì)性質(zhì)與檢驗(yàn)等內(nèi)容，如表1所示。

通過我們對(duì)調(diào)研結(jié)果的分析及與學(xué)生的進(jìn)一步交流了解到，一方面，這些實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象明顯、容易被觀察，另一方面，教師在實(shí)驗(yàn)前會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的方法指導(dǎo)，例如，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注如何控制變量、如何進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)中觀察哪些現(xiàn)象等，這些腳手架的搭建為學(xué)生獲取證據(jù)進(jìn)行推理、最終得出科學(xué)結(jié)論指明了方向;同時(shí)，教師在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中為學(xué)生創(chuàng)設(shè)的自主、合作和交流的空間，也有助于促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解和對(duì)科學(xué)探究方法的掌握。

因此，在探究性實(shí)驗(yàn)中采取有效的措施，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的理解，使學(xué)生能在一定程度上自主把控探究過程，同時(shí)在不斷交流分享中能及時(shí)修正探究步驟、獲得教師的激勵(lì)，是影響學(xué)生科學(xué)探究能力的關(guān)鍵因素。

（2）學(xué)生在探究性實(shí)驗(yàn)中遇到的主要問題

“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”這一學(xué)科核心素養(yǎng)包括能發(fā)現(xiàn)和提出有價(jià)值的問題;能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)探究方案，運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究;勤于實(shí)踐，善于合作，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新[1]。我們依據(jù)《科學(xué)探究論》中“探究教學(xué)的主要障礙”[2]設(shè)計(jì)了相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)自己在探究性實(shí)驗(yàn)中遇到的問題進(jìn)行反思，調(diào)查結(jié)果如表2所示。

調(diào)查結(jié)果顯示，在探究性實(shí)驗(yàn)基本步驟中都存在 著一些問題，尤其是“探究表面化，沒有深度和挑戰(zhàn)”“探究活動(dòng)不自主，沒有自我發(fā)展空間”這兩個(gè)問題最 為嚴(yán)重。基于以上調(diào)研結(jié)果，我們對(duì)教師開展了有針 對(duì)性的訪談[2]，發(fā)現(xiàn)“對(duì)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏系統(tǒng)設(shè) 計(jì)”“擔(dān)心課堂秩序、時(shí)間不夠”“缺乏評(píng)價(jià)工具”是導(dǎo) 致學(xué)生出現(xiàn)以上問題的主要原因。因此，教師需要加 強(qiáng)對(duì)探究性教學(xué)的認(rèn)識(shí)，積極采取有效辦法、利用合 理工具變革教學(xué)方式，提升學(xué)生在探究中的主體地 位。

鐘啟泉提出，學(xué)校可以通過“軟環(huán)境”重構(gòu)學(xué)習(xí)環(huán)境，促進(jìn)學(xué)生自主活動(dòng)和發(fā)展的“能動(dòng)化”、學(xué)習(xí)共同體組織的“協(xié)同化”，而網(wǎng)絡(luò)信息環(huán)境可為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、知識(shí)構(gòu)建可視化、伴隨深層理解的反思提供支持[3]。為此，我們圍繞高中化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)與要素，針對(duì)信息化教學(xué)的實(shí)際情況和教師的需求進(jìn)行了調(diào)研。

2.教師信息化教學(xué)的實(shí)際情況與需求的調(diào)研

（1）在實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中運(yùn)用信息技術(shù)的情況

調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，在高中化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，認(rèn)為不借助技術(shù)資源就可以基本達(dá)成目標(biāo)的教師僅占 17%;認(rèn)為需要借助一定技術(shù)資源和工具才能達(dá)成目標(biāo)的教師占58%;因課時(shí)和條件的局限，在課下利用技術(shù)資源和工具為學(xué)生創(chuàng)設(shè)探究活動(dòng)條件，彌補(bǔ)課內(nèi)探究不足的教師占25%。這表明教師對(duì)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中信息技術(shù)資源和工具的需求是較為強(qiáng)烈的。

（2）信息技術(shù)資源和工具在探究環(huán)節(jié)的運(yùn)用情況

為了進(jìn)一步了解教師是如何運(yùn)用信息技術(shù)輔助課上教學(xué)、彌補(bǔ)課內(nèi)探究不足，我們圍繞實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)要素進(jìn)行了梳理，如表3所示，以便了解教師對(duì)信息技術(shù)的具體需求。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隨著學(xué)生對(duì)科學(xué)探究理解的深入，高二年級(jí)的化學(xué)教師在課上利用信息技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)探究的需求顯然高于高一年級(jí)的化學(xué)教師，尤其在“方法技能學(xué)習(xí)”“微觀抽象建?！边@兩個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中較為突出;高一年級(jí)的教師更多采用在課下借助技術(shù)資源來彌補(bǔ)課上探究的不足的方法，尤其在“實(shí)驗(yàn)證據(jù)收集”“微觀抽象建?！杯h(huán)節(jié);高三年級(jí)的教師在課上利用技術(shù)資源和工具輔助實(shí)驗(yàn)探究的需求起伏較大，但在“方案設(shè)計(jì)”“實(shí)驗(yàn)證據(jù)收集”“總結(jié)與反思”環(huán)節(jié)的需求較高，究其原因，這與高考中的要求具有一致性，如圖2所示。

我們結(jié)合課堂觀察與訪談發(fā)現(xiàn)，隨著課程改革的推進(jìn)和對(duì)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)要求的不斷提升，在探究性實(shí)驗(yàn)中，在促進(jìn)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)進(jìn)行推理、根據(jù)結(jié)論做出判斷和解釋、對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)和變化進(jìn)行預(yù)測(cè)等高階思維形成和發(fā)展中，信息技術(shù)顯現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。

三、對(duì)技術(shù)資源和工具的應(yīng)用需求調(diào)研及結(jié)果分析

為有效利用信息技術(shù)為學(xué)生創(chuàng)建更加自主、合作、探究的學(xué)習(xí)環(huán)境，我們依據(jù)“數(shù)字學(xué)習(xí)”所具備的資源工具、協(xié)同合作、引導(dǎo)評(píng)價(jià)的環(huán)境要素[4] ，針對(duì)目前較為常見的教學(xué)資源工具——“虛擬實(shí)驗(yàn)”技術(shù)、支持協(xié)同合作的“互動(dòng)教學(xué)”技術(shù)、支持評(píng)價(jià)的“智能評(píng)測(cè)”技術(shù)在探究性實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用和需求開展進(jìn)一步調(diào)研，并對(duì)調(diào)研結(jié)果進(jìn)行了分析。

1.虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)教與學(xué)變革的影響和應(yīng)用需求

虛擬實(shí)驗(yàn)是指依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)規(guī)律轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，構(gòu)建仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象和環(huán)境。研究證明，虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)茱@著提升學(xué)生對(duì)探究過程和要素的理解，有助于學(xué)生的知識(shí)構(gòu)建。[5]同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)通過可視化實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象、數(shù)據(jù)的直觀定量表征，一定程度上減少了學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知負(fù)荷[6]，并具有內(nèi)容多樣化、過程自主化、評(píng)價(jià)科學(xué)化、教學(xué)助智化等優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有力補(bǔ)充。但是虛擬實(shí)驗(yàn)不能代替動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，要虛實(shí)結(jié)合，以虛促實(shí)來開展探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

從目前常見的技術(shù)類型上，虛擬實(shí)驗(yàn)可分為“微觀動(dòng)態(tài)模擬”“開放性操作模擬”“模擬操作+智能反饋”三種類型。圍繞這三類虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，調(diào)研中我們發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作技能學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，凸顯了對(duì)“虛擬開放操作”技術(shù)的需求;在抽象建模環(huán)節(jié)，對(duì)“模擬呈現(xiàn)”技術(shù)和資源的需求較高;在實(shí)驗(yàn)操作技能學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)歸納處理環(huán)節(jié)中，對(duì)“虛擬操作+智能反饋”的功能呈現(xiàn)出明顯需求，如圖3所示。

虛擬實(shí)驗(yàn)在提升學(xué)生認(rèn)知、發(fā)展技能和提升學(xué)科核心素養(yǎng)方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，教學(xué)中教師可以根據(jù)具體內(nèi)容特點(diǎn)，與學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)結(jié)合，進(jìn)行合理安排。例如，涉及污染性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)、有害物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)及組裝儀器較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)時(shí)，可在動(dòng)手操作前，讓學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作練習(xí);涉及化學(xué)反應(yīng)微觀過程的探究?jī)?nèi)容，如強(qiáng)弱電解質(zhì)的電離、離子反應(yīng)的發(fā)生條件、有效碰撞理論等，利用軟件直觀呈現(xiàn)反應(yīng)的微觀過程或物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及目的合理運(yùn)用虛擬技術(shù)，才能使其真正發(fā)揮引導(dǎo)學(xué)生理解知識(shí)、掌握方法、發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)的作用。

2.實(shí)驗(yàn)探究對(duì)互動(dòng)教學(xué)與智能評(píng)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用需求

新課標(biāo)鼓勵(lì)教師運(yùn)用信息技術(shù)提高課堂教學(xué)效率和質(zhì)量，強(qiáng)化信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的深度融合，為教師提供交互式多媒體教學(xué)設(shè)備、常用軟件、多媒體制作軟件和即時(shí)通訊軟件等工具，提供以大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和虛擬技術(shù)為代表的個(gè)性化學(xué)習(xí)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)[1]。為此，我們針對(duì)常見的互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)和智能評(píng)價(jià)技術(shù)，在高中三個(gè)年級(jí)的教師中展開了調(diào)研。

（1）實(shí)驗(yàn)探究對(duì)互動(dòng)教學(xué)技術(shù)的應(yīng)用需求

互動(dòng)教學(xué)技術(shù)指借助網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)或互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)，輔助實(shí)現(xiàn)教與學(xué)中的師生同步或異步的交流、展示、協(xié)作。從目前的技術(shù)類型上一般包括互動(dòng)論壇、成果展示分享、知識(shí)建構(gòu)工具三個(gè)類型。圖4所示是教師在實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)環(huán)節(jié)中對(duì)這三類技術(shù)的應(yīng)用需求情況。

調(diào)研結(jié)果顯示，教師在引導(dǎo)學(xué)生探究過程中對(duì) “成果展示分享”的需求最高;在了解學(xué)前認(rèn)知、學(xué)習(xí) 結(jié)束后的整理與提升這兩個(gè)環(huán)節(jié)中，教師對(duì)利用“互 動(dòng)論壇”來支持交流、聚焦核心問題的需求較高;隨著 探究和對(duì)知識(shí)加工的深入，各環(huán)節(jié)對(duì)“知識(shí)建構(gòu)工具”的需求伴隨始終。教師普遍反映，這些信息技術(shù)的應(yīng) 用，為學(xué)生創(chuàng)建了更加自主的合作探究環(huán)境，有利于 學(xué)生自主建構(gòu)知識(shí)。

（2）實(shí)驗(yàn)探究對(duì)智能評(píng)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用需求

新課標(biāo)高度關(guān)注評(píng)價(jià)在促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展中的功能，注重過程性評(píng)價(jià)和結(jié)果性評(píng)價(jià)相結(jié)合，活動(dòng)表現(xiàn)、測(cè)驗(yàn)和學(xué)習(xí)檔案評(píng)價(jià)等多樣化評(píng)價(jià)相結(jié)合，學(xué)生自評(píng)、同伴互評(píng)與教師評(píng)價(jià)相結(jié)合[1]。借助智能題庫(kù)評(píng)測(cè)、學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)跟蹤與管理等手段的智能評(píng)測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)個(gè)人與班級(jí)、學(xué)習(xí)過程與成果的自評(píng)、互評(píng)等多種評(píng)價(jià)，其“在線習(xí)題測(cè)評(píng)”“成果展示互評(píng)”“學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)跟蹤”三類技術(shù)有力地支持了新課標(biāo)所倡導(dǎo)的評(píng)價(jià)方式。圖5顯示了調(diào)研中我們收集到的教師在實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)各環(huán)節(jié)中對(duì)這三類技術(shù)的需求。

通過調(diào)研與訪談我們了解到，教師對(duì)采用“成果展示互評(píng)”技術(shù)支持探究過程的需求最高，尤其在實(shí)驗(yàn)證據(jù)收集、推理與解釋、總結(jié)與反思這幾個(gè)環(huán)節(jié)較為突出;在了解學(xué)前認(rèn)知、整理與提升環(huán)節(jié)中對(duì)采用“在線習(xí)題測(cè)試”來實(shí)現(xiàn)即時(shí)評(píng)價(jià)的需求較為強(qiáng)烈;在整理與提升、總結(jié)與反思環(huán)節(jié)，凸顯了利用“學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)跟蹤”來輔助過程性評(píng)價(jià)和結(jié)果性評(píng)價(jià)有機(jī)結(jié)合的需求。

互動(dòng)教學(xué)技術(shù)、智能測(cè)評(píng)技術(shù)的應(yīng)用要與具體探究?jī)?nèi)容和環(huán)節(jié)科學(xué)有效地結(jié)合。例如，在方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)證據(jù)收集、推理與解釋這些環(huán)節(jié)，互動(dòng)教學(xué)技術(shù)使得學(xué)生在課堂上的交流與表達(dá)成為了可能，因此，可以更有效地引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、建構(gòu)知識(shí);而在此過程中，要想全面、實(shí)時(shí)了解學(xué)生的動(dòng)態(tài)，關(guān)注每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度、對(duì)知識(shí)和方法的掌握程度，智能測(cè)評(píng)技術(shù)則顯示了極大的優(yōu)勢(shì)。

四、結(jié)語(yǔ)

立足于化學(xué)學(xué)科教學(xué)，探索與新課標(biāo)、新教材深度融合的信息化教學(xué)，迫切需要與之相匹配的信息化教學(xué)資源和工具。我們通過調(diào)研，深入了解了廣大師生在探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中面臨的具體問題和需求，啟發(fā)我們進(jìn)一步結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)和學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)，精準(zhǔn)開發(fā)更加貼近一線教學(xué)實(shí)際、提升化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的資源，讓信息技術(shù)真正成為落實(shí)并發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的助推器。

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