現(xiàn)代教育技術(shù)與化學(xué)教學(xué)深度融合實(shí)踐研究
——以“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”維度核心素養(yǎng)的培養(yǎng)為例

馮文俊 曹文秀

（1.福建師范大學(xué)附屬中學(xué)，福建 福州 350007；2.福州第十一中學(xué)，福建 福州 350001）

現(xiàn)代教育技術(shù)是指以計(jì)算機(jī)為核心的信息技術(shù)在教育、教學(xué)領(lǐng)域的運(yùn)用。［1］2018 年4 月，教育部制定下發(fā)了《教育信息化2.0 行動計(jì)劃》，明確提出要持續(xù)推動現(xiàn)代教育技術(shù)與教育深度融合，促進(jìn)教育信息化從融合應(yīng)用向創(chuàng)新發(fā)展的高階演進(jìn)，信息技術(shù)和智能技術(shù)深度融入教育全過程。此文件為打造信息化平臺下的教育教學(xué)活動提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，加快教育現(xiàn)代化和教育強(qiáng)國建設(shè)，實(shí)現(xiàn)“教育信息化1.0”到“教育信息化2.0”的跨越?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》提出，應(yīng)鼓勵(lì)教師運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)提高課堂教學(xué)效率和質(zhì)量，強(qiáng)化現(xiàn)代教育技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的深度融合，促進(jìn)教師教學(xué)方式和學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變。［2］

目前信息化軟件的建設(shè)和應(yīng)用是教育信息化2.0行動的重心，如何將現(xiàn)代教育技術(shù)與學(xué)科核心素養(yǎng)融合，是化學(xué)教學(xué)亟待解決的問題。

一、現(xiàn)代教育技術(shù)與化學(xué)教學(xué)融合的意義

2015 年，長江教育研究院推出的《中國教育黃皮書》，強(qiáng)調(diào)了現(xiàn)代教育技術(shù)與教育深度融合是教育改革與教育發(fā)展的雙重需要。不僅需要從宏觀的教育層次來研究探討信息化教育改革，同時(shí)要從具體的教學(xué)層次來分析，由此引發(fā)的思考是信息化給教學(xué)，尤其是化學(xué)教學(xué)帶來了什么。

顧明遠(yuǎn)認(rèn)為，教學(xué)是以課程內(nèi)容為中介的師生雙方教和學(xué)的共同活動。［3］教師是活動的主導(dǎo)，學(xué)生是活動的主體，主導(dǎo)與主體通過尋找資源、途徑、平臺圍繞教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)活動。信息化并沒有改變教學(xué)的關(guān)系，而是對教學(xué)的系列關(guān)系的強(qiáng)化，將教學(xué)目標(biāo)更精確細(xì)化至每一個(gè)學(xué)生每一個(gè)知識每一個(gè)問題，將教學(xué)平臺從課內(nèi)拓展至課外，為教學(xué)提供了互動、立體、高清的數(shù)字化資源。現(xiàn)代教育技術(shù)豐富了信息的表征形式、流動方式、交流模式，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)系統(tǒng)諸要素“信息化”。［4］

因此，現(xiàn)代教育技術(shù)是在強(qiáng)化教師的主導(dǎo)作用，是強(qiáng)化課堂教學(xué)素養(yǎng)目標(biāo)的輔助手段，是強(qiáng)化教與學(xué)信息及信息資源傳遞效率的承載平臺。

二、現(xiàn)代教育技術(shù)與化學(xué)教學(xué)融合的訴求

在化學(xué)課堂中，實(shí)驗(yàn)是不可或缺的教學(xué)方式，學(xué)生可以在主動性實(shí)驗(yàn)中獲取化學(xué)知識和能力，提升核心素養(yǎng)；化學(xué)也是宏微結(jié)合緊密的學(xué)科，在看得見的現(xiàn)象下，需要通過看不見的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋說明；化學(xué)還是與生活、生產(chǎn)聯(lián)系緊密的學(xué)科，獲取知識結(jié)論的方式隨著學(xué)習(xí)年級的提高，學(xué)習(xí)情境從生活延伸到生產(chǎn)，從身邊事物延伸到理論與理想實(shí)驗(yàn)、工業(yè)實(shí)踐等等。因此教學(xué)中需要不斷延伸課堂的空間，培養(yǎng)學(xué)生合理的邏輯推理能力與想象能力。

（一）真實(shí)與虛擬的融合，拓寬認(rèn)識的大門

在中學(xué)階段化學(xué)研究的對象范圍主要是微觀結(jié)構(gòu)和宏觀變化，因此現(xiàn)代教育技術(shù)在化學(xué)課堂中應(yīng)注重對微觀世界和宏觀變化的展示。在化學(xué)教學(xué)中常用多媒體技術(shù)來展示化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理，比如使用計(jì)算機(jī)模擬微觀世界，可生動展示各種微粒的分解和新物質(zhì)的形成過程。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)⑽⒂^的化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象宏觀化，把抽象的化學(xué)概念具體化，并通過多感官的刺激強(qiáng)化學(xué)生的感知。［5］在無限模擬現(xiàn)實(shí)的同時(shí)，又增強(qiáng)虛擬的效果。

現(xiàn)代教育技術(shù)的應(yīng)用曾經(jīng)讓真實(shí)的世界走向虛擬的環(huán)境，由于早期技術(shù)的制約，讓學(xué)習(xí)者更多感受到的是不真實(shí)的現(xiàn)實(shí)，但這是真實(shí)與虛擬融合的第一步，即將真實(shí)進(jìn)行虛擬。隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，高清高速攝像技術(shù)將真實(shí)的變化過程從宏觀向中觀延伸，例如“美麗化學(xué)”的視覺產(chǎn)品帶來了更美觀、更細(xì)微、更震撼的認(rèn)識體驗(yàn)。同時(shí)，在虛擬技術(shù)不斷發(fā)展的環(huán)鏡下，真實(shí)與虛擬的界線在慢慢模糊，虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)所代表的虛擬技術(shù)把實(shí)驗(yàn)場景從平面向立體空間延伸。真實(shí)的信息是什么，是真實(shí)的操作場景，真實(shí)的操作過程，真實(shí)的現(xiàn)象，真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)體現(xiàn)，真實(shí)的體感反饋。通過虛擬技術(shù)展現(xiàn)這些“真實(shí)”，是真實(shí)與虛擬融合的第二步。

（二）模擬與數(shù)字的融合，打開知識本質(zhì)的窗口

信息化教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)是教學(xué)重要的需求之一，在必修教學(xué)階段為了降低學(xué)生認(rèn)知的負(fù)荷，滿足對學(xué)習(xí)化學(xué)興趣的提升需求，以模擬化信息為主，在選修教學(xué)階段，特別是化學(xué)反應(yīng)原理和物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊，增強(qiáng)了對化學(xué)變化內(nèi)在規(guī)律解釋和學(xué)生認(rèn)知能力的要求，需要更多數(shù)據(jù)支撐文字、圖片、視頻信息的解釋，底層數(shù)據(jù)所體現(xiàn)的本質(zhì)過程才是化學(xué)所需要的。在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中，每一個(gè)維度的素養(yǎng)內(nèi)容中，均提出對數(shù)據(jù)信息的獲取和處理的要求，豐富的數(shù)字化信息可以為核心素養(yǎng)的培育提供有力的技術(shù)支持。

要實(shí)現(xiàn)模擬與數(shù)字信息的融合，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中，可以通過手持技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)，在虛擬環(huán)境下，需要通過預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)庫反映真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程，例如以NOBOOK 軟件為代表的國產(chǎn)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，注重對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化（如圖1）。由于問題的出現(xiàn)是設(shè)定的而不是隨機(jī)或意外出現(xiàn)的，軟件背后需要龐大數(shù)據(jù)庫的支撐，雖然目前呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可選項(xiàng)不多，但這是虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展方向。

圖1 實(shí)驗(yàn)室制取氯氣虛擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)圖

（三）共性與個(gè)性的融合，搭建效率的平臺

化學(xué)思維注重多線性的邏輯關(guān)系，在不同線性關(guān)系中需要調(diào)用不同模塊的知識進(jìn)行重組，因此，學(xué)生在解決問題時(shí)會遇到各自不同的障礙。信息化教學(xué)應(yīng)結(jié)合學(xué)生共性和個(gè)性的需求。在共性模式下，學(xué)生完成相同的學(xué)習(xí)內(nèi)容，呈現(xiàn)共同的學(xué)習(xí)障礙點(diǎn)；在個(gè)性模式下，不同的學(xué)生對同一問題產(chǎn)生不同的反應(yīng)和不同的疑惑，凸顯個(gè)體的差異性。通過ISR 智慧教室系統(tǒng)即時(shí)反饋、網(wǎng)絡(luò)平臺反饋等現(xiàn)代教育技術(shù)，可有效診斷學(xué)生共同的認(rèn)知障礙，分離個(gè)體困惑和獨(dú)特的思考角度，有助于教師進(jìn)行針對性的知識補(bǔ)償。從共性走向個(gè)性，是信息化教學(xué)的重要價(jià)值體現(xiàn)，同時(shí)也是大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)據(jù)資源獲取的需求。

三、現(xiàn)代教育技術(shù)與化學(xué)核心素養(yǎng)融合的分析

現(xiàn)代教育技術(shù)的使用是為更好達(dá)成教學(xué)中的素養(yǎng)目標(biāo)，在教學(xué)中何時(shí)使用何種現(xiàn)代教育技術(shù)，能對核心素養(yǎng)的培養(yǎng)起到更好的融合作用，這既要熟練掌握好技術(shù)本身的使用，還要明晰信息化技術(shù)如何輔助教學(xué)環(huán)節(jié)需要達(dá)到的目標(biāo)，以體現(xiàn)現(xiàn)代教育技術(shù)在核心素養(yǎng)培養(yǎng)中的價(jià)值。

2017 年高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2020 年修訂）中，核心素養(yǎng)在5 個(gè)維度下劃分4 個(gè)素養(yǎng)水平，既是對課堂教學(xué)中的素養(yǎng)培養(yǎng)提出可操作性的要求，也可以作為信息化融合使用的具體實(shí)施依據(jù)。從教與學(xué)的需求出發(fā)使用技術(shù)，體現(xiàn)了現(xiàn)代教育技術(shù)使用的科學(xué)性。下面以科學(xué)探究與創(chuàng)新意識維度為例（如表1 所示），說明現(xiàn)代教育技術(shù)與核心素養(yǎng)的融合關(guān)系。

表1 化學(xué)核心素養(yǎng)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識維度素養(yǎng)水平分析

王磊認(rèn)為化學(xué)學(xué)科的認(rèn)識活動和問題解決活動可以概括為：①知識和經(jīng)驗(yàn)的輸入——學(xué)習(xí)理解活動；②知識和經(jīng)驗(yàn)的輸出——應(yīng)用實(shí)踐活動；③知識和經(jīng)驗(yàn)的高級輸出——?jiǎng)?chuàng)新遷移活動。［6］以下結(jié)合當(dāng)前主流信息化技術(shù)資源，說明4 個(gè)素養(yǎng)水平下的現(xiàn)代教育技術(shù)與化學(xué)學(xué)科活動關(guān)系。

（1）在水平1 的素養(yǎng)要求下，涉及的是知識和經(jīng)驗(yàn)的輸入——學(xué)習(xí)理解活動，信息化資源的作用是情境帶入和輔助解釋，例如在必修階段認(rèn)識元素化合物時(shí)，通過常見的動畫、微課、視頻等素材的使用，幫助學(xué)生理解物質(zhì)變化過程，但信息內(nèi)容本身不提供交互實(shí)踐的場景，沒有數(shù)據(jù)支持，僅提供單方面的說明性信息輸出，屬于描述和示范性的信息資源，適合學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容已有知識經(jīng)驗(yàn)較少的情況。

（2）在水平2 的素養(yǎng)要求下，涉及知識和經(jīng)驗(yàn)的輸出——應(yīng)用實(shí)踐活動，現(xiàn)代教育技術(shù)的作用是提供互動實(shí)踐場景，成為知識遷移的工具，例如在必修階段整理提升對元素化合物的認(rèn)識時(shí)，通過具備交互功能的動畫、白板內(nèi)容，以及VR 虛擬技術(shù)，幫助學(xué)生實(shí)踐物質(zhì)性質(zhì)的應(yīng)用，信息內(nèi)容的交互功能直接影響學(xué)生對實(shí)踐應(yīng)用的感知，在操作上需要有足夠的自由度，虛擬的實(shí)驗(yàn)場景和現(xiàn)象反饋盡可能接近真實(shí)。

（3）在水平3 的素養(yǎng)要求下，涉及知識和經(jīng)驗(yàn)的高級輸出，現(xiàn)代教育技術(shù)需提供深度數(shù)據(jù)分析，搭建多元評價(jià)的平臺，例如在選修階段認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的原理過程中，通過具有更強(qiáng)組合性和擴(kuò)展性的DIS 手持技術(shù)、熱量傳感技術(shù)、帶數(shù)據(jù)收集的虛擬實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生深度認(rèn)識反應(yīng)過程搭建平臺，創(chuàng)設(shè)深度思考的信息資源，適合學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容已有知識經(jīng)驗(yàn)較多的情況。

可見，信息資源根據(jù)自身功能屬性，可以分為描述示范性資源、互動探究性資源、平臺合作資源?，F(xiàn)代教育技術(shù)應(yīng)用需要在課堂中有效整合信息資源，面對不同素養(yǎng)水平的教學(xué)目標(biāo)，需要教師進(jìn)一步的教學(xué)引導(dǎo)，發(fā)揮信息資源的功能屬性特點(diǎn)。為充分發(fā)揮現(xiàn)代教育技術(shù)的功能和信息資源的價(jià)值，教師在備課時(shí)應(yīng)根據(jù)化學(xué)學(xué)科自身教學(xué)特性，準(zhǔn)確定位現(xiàn)代教育技術(shù)使用的素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)，對于能達(dá)成至水平2、3 的信息資源，就不應(yīng)只停留在水平1 的層次。

四、現(xiàn)代教育技術(shù)支持下的化學(xué)教學(xué)研究

教師在使用現(xiàn)代教育技術(shù)輔助教學(xué)之前，首先應(yīng)考慮現(xiàn)代教育技術(shù)的融入是否有助于提升學(xué)科核心素養(yǎng)。例如，在化學(xué)教學(xué)中，元素化合物知識內(nèi)容是學(xué)生最感興趣的，能見識到多姿多彩的物質(zhì)世界和化學(xué)變化現(xiàn)象，課堂教學(xué)需要將這種興趣轉(zhuǎn)變成更深入的思考，因此這部分的教學(xué)中融入現(xiàn)代教育技術(shù)，可以引發(fā)學(xué)生更大的興趣，引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生更多的思考，實(shí)現(xiàn)從低階思維向高階思維的發(fā)展。

下面以濃硫酸的性質(zhì)教學(xué)為例，說明現(xiàn)代教育技術(shù)資源的選擇和對素養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成的影響。稀硫酸是中學(xué)階段的常用試劑，但是濃硫酸與稀硫酸的性質(zhì)差異很大，濃硫酸的吸水性、脫水性學(xué)生知道現(xiàn)象但分不清二者原理，而強(qiáng)氧化性是學(xué)生相對陌生的硫酸性質(zhì)，因此學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容已有的知識經(jīng)驗(yàn)較少，教學(xué)前期應(yīng)采用示范性和解釋性的教學(xué)策略和信息資源，教學(xué)中后期，學(xué)生的知識經(jīng)驗(yàn)增加，再增加互動性和探究性的教學(xué)策略和信息資源，如圖2 所示。［7］在不同教學(xué)環(huán)節(jié)中，引入合適的現(xiàn)代教育技術(shù)資源，意在增強(qiáng)該環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo)達(dá)成，如表2 所示。

表2 教學(xué)方式與現(xiàn)代教育技術(shù)資源應(yīng)用的關(guān)聯(lián)

圖2 濃硫酸教學(xué)過程示意圖

現(xiàn)代教育技術(shù)加持的目的是為了提高教學(xué)的效果，示范性和解釋性的資源應(yīng)注重視覺、聽覺、觸覺的效果，激發(fā)學(xué)生對知識的探索欲望，互動性和探究性資源應(yīng)將探究的角度和深度搭載在更多元的平臺上。例如，互動探究式信息資源應(yīng)具備足夠的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，支持不同裝置和試劑的組合以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的呈現(xiàn)。

五、現(xiàn)代教育技術(shù)融入化學(xué)教學(xué)面臨的問題

（一）數(shù)字化信息冗余

面對龐大的線上資源，首先要進(jìn)行有效資源的篩選和提??；其次，同樣的內(nèi)容，在更多的現(xiàn)代教育技術(shù)加持下，有時(shí)候會將簡單內(nèi)容復(fù)雜化，增加學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)時(shí)間。盲目選擇資源會造成學(xué)習(xí)時(shí)間成本的增加，反而降低課堂教學(xué)的效率。因此教師課前要進(jìn)行優(yōu)質(zhì)資源的甄別和整合，這對教師個(gè)人及教學(xué)團(tuán)隊(duì)的資源積累和選擇能力是一種考驗(yàn)。

圖3 濃硫酸吸水原理解釋示意圖

圖4 濃硫酸與碳反應(yīng)三維實(shí)驗(yàn)組裝示意圖

（二）技術(shù)對學(xué)習(xí)的影響

阿卜杜勒·拉蒂夫·賈米爾貧困行動實(shí)驗(yàn)室（JPAL）對126 項(xiàng)與教育技術(shù)用途的論文進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為擴(kuò)大計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的使用，并不能提高K12年級的學(xué)生的成績，但可以提高計(jì)算機(jī)的使用水平，同時(shí)，混合學(xué)習(xí)可能是一種經(jīng)濟(jì)高效的教學(xué)方法，但僅學(xué)習(xí)在線課程的學(xué)生的表現(xiàn)往往比僅接受面對面課程的學(xué)生差。［8］說明技術(shù)是一方面，技術(shù)的應(yīng)用又是一方面，好的技術(shù)未必帶來好的效果，現(xiàn)代教育技術(shù)與核心素養(yǎng)培養(yǎng)的融合還需要進(jìn)一步的探索和實(shí)踐。