淺談信息技術(shù)在化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)建模教學(xué)中的應(yīng)用

楊佳祎，孫可平

摘要： 化學(xué)研究的重要對象之一是復(fù)雜抽象的微觀世界，抽象的微觀事物常難以用語言表述?，F(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展提供了更深入理解復(fù)雜概念、復(fù)雜思維過程的可能性，有助于提高學(xué)生模型認(rèn)知與建構(gòu)水平?；诮?0年Journal of Chemical Education中相關(guān)文獻(xiàn)的分析，探討了3D打印技術(shù)、VR技術(shù)以及AR技術(shù)在中學(xué)化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)建模教學(xué)中的運(yùn)用。研究顯示，這些技術(shù)方法適用于復(fù)雜概念的理解、模型要素與關(guān)系的動態(tài)表征、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維空間可視化等模型的認(rèn)知過程，以及思考探索過程與思維結(jié)果的表征、指導(dǎo)物質(zhì)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)關(guān)系的探究、提煉蘊(yùn)含動態(tài)特征的觀念等模型的建構(gòu)過程。它們作為認(rèn)知工具、交流工具和探究工具，在我國的化學(xué)教學(xué)中具有較廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 信息技術(shù)； 模型建構(gòu)； 物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)

文章編號： 1005-6629（2023）02-0026-07? ??中圖分類號： G633.8? ??文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

化學(xué)教學(xué)過程中，如何讓學(xué)生在掌握學(xué)科核心知識的同時建立起解決問題的思維框架，離不開模型建構(gòu)這一重要方法。模型作為一種認(rèn)識手段和思維方式，是將復(fù)雜原型進(jìn)行抽象、簡化，并反映其本質(zhì)特征的一種表征方式?！澳Ｐ驼J(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中強(qiáng)調(diào)科學(xué)思維的焦點(diǎn)之一，為科學(xué)地描述、解釋和預(yù)測物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的核心要素及其相互作用提供思想方法。信息技術(shù)的興起與進(jìn)步為學(xué)生發(fā)展模型認(rèn)知素養(yǎng)創(chuàng)造了條件。3D打印、虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實等技術(shù)的誕生，使“模型”得以呈現(xiàn)出真實的三維對象和操作體驗，可以作為重要的表征工具，表示出原子分子間的復(fù)雜關(guān)系。但信息技術(shù)在學(xué)生模型認(rèn)知與建構(gòu)的過程中發(fā)揮了怎樣的作用，究竟如何支持思考過程和思維結(jié)果的可視化與可操作化呢？因此，關(guān)注與研究信息技術(shù)視角下化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的教育功能便成為值得我們深入思考的問題。

1? 基于信息技術(shù)的模型建構(gòu)方法

當(dāng)下，模型及建模是信息化進(jìn)程中教育技術(shù)發(fā)展研究的一個重要方向?！澳Ｐ驼J(rèn)知”打破了機(jī)械、被動的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式和以識記、領(lǐng)會為主要目標(biāo)的傳統(tǒng)思維模式，進(jìn)而獲得對概念中本質(zhì)特征與彼此聯(lián)系的深刻理解。考慮到思維方法的滲透亦是科學(xué)概念教學(xué)的必備環(huán)節(jié)，因此在探討現(xiàn)代信息技術(shù)功能時，將從觀念模型的認(rèn)知和建構(gòu)過程兩個方面來考察涉及物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息化教學(xué)。從模型認(rèn)知來看，信息技術(shù)能搭建微觀結(jié)構(gòu)與宏觀世界的認(rèn)知橋梁，體現(xiàn)出事物及事物之間關(guān)系的本質(zhì)；從模型建構(gòu)來看，在模型要素識別和生成的基礎(chǔ)上，信息技術(shù)有助于表征學(xué)習(xí)者對事物及事物之間關(guān)系的思考探索過程。

為了解國外信息技術(shù)在物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)教學(xué)的實施情況，本研究聚焦于美國化學(xué)會雜志Journal of Chemical Education（以下簡稱JCE），以“結(jié)構(gòu)模型”“信息技術(shù)”和“教育”（structure model， information technology and education）為關(guān)鍵詞，時間范圍設(shè)為“2012—2022”，共檢索到文獻(xiàn)537篇，剔除與物質(zhì)結(jié)構(gòu)無關(guān)或是偏向科研等知識難度過大的文獻(xiàn)，篩選出適合中學(xué)化學(xué)教學(xué)的文獻(xiàn)32篇。其中16篇為運(yùn)用3D打印技術(shù)制作模型、5篇為運(yùn)用虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)感知和變動模型、11篇為運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實AR技術(shù)觀察和操作模型。

2? 凸顯復(fù)雜概念的模型理解和表征——3D打印技術(shù)

2.1? 3D打印技術(shù)與化學(xué)粒子的微觀模型

3D打印是通過逐層添加材料來構(gòu)建3D物體的技術(shù)。以掃描實物獲取3D數(shù)據(jù)后生成的或計算機(jī)輔助軟件設(shè)計的或開放數(shù)據(jù)庫中可直接調(diào)用的數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，由3D打印機(jī)將耗材逐層噴涂或熔結(jié)至三維空間中，從而獲得實物模型。3D打印實現(xiàn)了“設(shè)計即生產(chǎn)”的創(chuàng)想，具有快速成型的優(yōu)點(diǎn)，在解決實物模型復(fù)雜性和多樣性的同時，支持更有創(chuàng)意的設(shè)計與生成。

從物質(zhì)結(jié)構(gòu)類型上看，3D打印技術(shù)可用于制作原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、粒子間作用力及晶體結(jié)構(gòu)的模型?；诖?，筆者對JCE中有關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行整理歸類，得到常見的3D打印模型見表1。這類模型既可以一體成型，也可以由打印的零件組裝而成，如泡克斯特利斯（Paukstelis）［1］開發(fā)MolPrint3D插件，用于將分子分裂成片段，并在片段間添加銷和孔以進(jìn)行組裝。

2.2? 應(yīng)用于理解復(fù)雜概念的3D打印模型

化學(xué)概念是將化學(xué)事實經(jīng)過分析與概括后得到的理論知識，屬于一種抽象的高級思維形式?！拔镔|(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊強(qiáng)調(diào)微觀和抽象的概念知識的認(rèn)識過程，其大多學(xué)習(xí)內(nèi)容無法用肉眼直接獲取感性知識，也難以從宏觀現(xiàn)象判斷出其內(nèi)在的本質(zhì)特性。作為一種可視化工具，3D打印模型能幫助學(xué)生抓住概念中的構(gòu)成要素及各種關(guān)系，將肉眼無法看到的微粒構(gòu)成、空間結(jié)構(gòu)、相互作用等視覺化地表現(xiàn)出來，促進(jìn)了學(xué)生對模型的認(rèn)知。

借助3D打印模型認(rèn)識玻爾原子結(jié)構(gòu)，將從微觀層面完善對原子核與核外電子的認(rèn)識，從宏觀層面明晰要素的符號表征方式，豐富概念的內(nèi)涵和外延。斯米爾（Karen Smiar）等人打印了由紅色原子核、白色軌道與藍(lán)色電子三部分組成的原子結(jié)構(gòu)模型［17］，讓學(xué)生直觀感受到概念中各要素與結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，如圓圈代表原子核，弧線代表電子層等。教師也能通過學(xué)生的作品或作業(yè)評判其模型認(rèn)知的程度，識別易犯的錯誤并及時根據(jù)學(xué)生的操作狀況調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。

對鍵極性及其對電子密度的影響的學(xué)習(xí)是一個極為抽象的過程。電負(fù)性的存在使原子顯示出不同的半徑，為了說明這種效應(yīng)，斯米爾（Karen Smiar）制作了圖1所示的分子模型［18］。由于兩種原子大小相差不大，打印時尺寸幾乎相同，但由于3D打印能通過參數(shù)設(shè)定，進(jìn)而改變材料密度，學(xué)生很容易識別出重量的差異，豐富了視覺與觸覺等多種感官知覺體驗。

使用3D打印模型來表示原子分子間的復(fù)雜關(guān)系，突破化學(xué)表征與認(rèn)知障礙，促進(jìn)抽象的化學(xué)概念的感知與理解。通過操作模型，學(xué)生在掌握相關(guān)理論知識的基礎(chǔ)上，充分調(diào)動設(shè)計思維與創(chuàng)新意識，對理解微觀世界中微粒之間的關(guān)系大有裨益。

2.3? 應(yīng)用于表征思考過程的3D打印模型

化學(xué)是建立在微觀抽象的原子、分子水平上的一門中心學(xué)科，只有從分子原子層面去理解化學(xué)，才能深入理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，體會微粒間的復(fù)雜關(guān)系，但將模型作為結(jié)果直接呈現(xiàn)，容易忽視科學(xué)發(fā)展過程中蘊(yùn)含的思維過程和思想方法，同樣不利于深入理解概念的特性及其相互關(guān)系。而3D打印技術(shù)離不開參數(shù)設(shè)計，輸入的參數(shù)又來源于模型的本質(zhì)特征，可見這一技術(shù)強(qiáng)調(diào)對于模型核心要素及相互關(guān)系的把握，并通過打印的手段將思考過程表征出來。

為了在化學(xué)課堂中實現(xiàn)思考過程的表征，研究者們進(jìn)行了廣泛的探索，從學(xué)生思維活動和師生相互作用兩方面為落實建模教學(xué)提供了抓手與參考。下面以“雜化軌道（HO）理論”與“價層電子對互斥（VSEPR）理論”為例闡述基于3D打印技術(shù)的建模教學(xué)。

雜化軌道理論的學(xué)習(xí)對于理解分子的立體空間結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，但教材圖片或傳統(tǒng)模型未進(jìn)行充分描述。斯米爾（Karen Smiar）引導(dǎo)學(xué)生從丙烯模型出發(fā)，識別其成鍵方式和碳原子的雜化類型，鼓勵學(xué)生用傳統(tǒng)模型和顯示雜化的新套件制作對應(yīng)結(jié)構(gòu)［19］，這一過程涉及演繹與類比等思維活動，有利于快速認(rèn)識理論要點(diǎn)，允許學(xué)生將想法進(jìn)行“試誤”。但此時學(xué)生的模型認(rèn)知素養(yǎng)發(fā)展更傾向于課標(biāo)的前兩個水平。狄恩（Dean）提出的基于3D打印筆的VSEPR理論教學(xué)方法（圖2）［20］，學(xué)生據(jù)此設(shè)計并組裝VSEPR模型，從而識別模型中孤對與成鍵電子數(shù)目、分子類型、電子對構(gòu)型、分子構(gòu)型等要素，這一過程涉及歸納與概括等思維活動，任務(wù)具有挑戰(zhàn)性。模型不單為講解而設(shè)計，更是幫助學(xué)生形成分子空間構(gòu)型判斷的一般思路和方法，借此體驗化學(xué)抽象內(nèi)容的“模型化”建構(gòu)過程。

可以看出，3D打印在帶來科學(xué)可視化的同時，也使思考過程“可視化”，呈現(xiàn)出解決問題的思維路徑。教師有意識地使用模型，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)家們的思考過程，在認(rèn)識模型中所蘊(yùn)含的本質(zhì)特性及相互作用的基礎(chǔ)上，嘗試建立模型來解決問題。

3? 增強(qiáng)沉浸感與動態(tài)理解力——VR技術(shù)

3.1? 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality， VR）也稱人工環(huán)境，是借助計算機(jī)系統(tǒng)及顯示器、傳感器等手段模擬虛擬環(huán)境，給人以近乎真實情境的感受。常見VR系統(tǒng)可分為頭戴式及洞穴式兩類［21］。以觸覺輸入為核心，使用者通過頭盔、手柄等實現(xiàn)與虛擬世界中物體的交互，同時結(jié)合多通道視景同步技術(shù)和立體顯示技術(shù)，使學(xué)生獲得多感官的直觀且真實的感知，在豐富學(xué)習(xí)方式的同時，滿足個性化的學(xué)習(xí)偏好。從VR系統(tǒng)的適用范圍角度看，學(xué)者的相關(guān)研究不僅限于構(gòu)建和操作分子原子的結(jié)構(gòu)模型［22］，還可用于模擬原子電子云的形成［23］、微粒間的相互作用［24］、化學(xué)反應(yīng)［25］等基于交互式分子動力學(xué)的動態(tài)過程。

3.2? VR模型體現(xiàn)要素與關(guān)系的動態(tài)變化

物質(zhì)結(jié)構(gòu)往往缺少直觀的展示途徑，靜態(tài)的圖片、板書等無法展示物質(zhì)的空間立體構(gòu)型，也難以借助實驗手段說明反應(yīng)過程，加上學(xué)生的知識水平與空間想象能力的不足，難以理解微觀世界的各種變化。沉浸式VR技術(shù)可為解決上述教學(xué)難點(diǎn)提供突破途徑：其一是支持逼真的動態(tài)反饋功能，呈現(xiàn)模型要素與關(guān)系的動態(tài)變化；其二是將原子結(jié)構(gòu)與化學(xué)語言表征聯(lián)系起來，明晰特定的表達(dá)形式與要素的關(guān)系。

涉及“原子核外電子運(yùn)動狀態(tài)”內(nèi)容的化學(xué)課堂中，傳統(tǒng)教學(xué)采用剖面示意圖介紹電子云形狀，學(xué)生容易誤認(rèn)為小黑點(diǎn)即為核外電子；又可能在概念學(xué)習(xí)后，仍無法正確書寫元素原子的核外電子排布式和軌道表示式，這是因為還未形成電子的能量和軌道與運(yùn)動狀態(tài)之間的關(guān)系。

因此，識別并表述模型要素及要素間的關(guān)系顯得尤為重要。MEL Chemistry VR系統(tǒng)提供了構(gòu)建原子結(jié)構(gòu)模型的機(jī)會［26］，以氧原子為例（圖3），學(xué)生依次組裝原子核、添加電子數(shù)，并觀察電子出現(xiàn)的空間。與此同時，

屏幕右側(cè)將同步顯示電子所處軌道與自旋方向，有助于學(xué)生認(rèn)識軌道的不同大小、形狀和能量。

具體而言，學(xué)生模擬和觀察要素變化時，同步顯示對應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化與電子軌道，VR模型起到了解釋和預(yù)測的作用。我國學(xué)者李嘉［27］設(shè)計了VR動畫幫助學(xué)生沉浸式探索NH3分子與CH4分子中鍵角差異的原因。VR系統(tǒng)又展現(xiàn)出分子原子水平的強(qiáng)大交互性，支持學(xué)生探索微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而拓展他們的微觀認(rèn)知。

3.3? VR模型有助于提煉觀念模型

何為建模，科學(xué)教育領(lǐng)域普遍認(rèn)同建模是產(chǎn)生科學(xué)模型的一個動態(tài)過程［28］，旨在培養(yǎng)科學(xué)、系統(tǒng)的思維方法。構(gòu)建物質(zhì)結(jié)構(gòu)的觀念模型要貫穿“變”和“動”的思想，體現(xiàn)變化規(guī)律和動態(tài)特征。VR系統(tǒng)將學(xué)生置于真實與沉浸的學(xué)習(xí)環(huán)境中，清晰地表征出動態(tài)的化學(xué)反應(yīng)體系，將微粒的變化過程或元素存在形式的轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行可視化呈現(xiàn)［29］，便于深入理解化學(xué)抽象概念與反應(yīng)的微觀實質(zhì)。

復(fù)雜抽象知識的學(xué)習(xí)要注重提煉觀念模型。虛擬現(xiàn)實情境提供微觀表征等證據(jù)素材，支持學(xué)生形成依據(jù)證據(jù)信息建構(gòu)模型的能力，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架。軟件Manta［30］中嵌入的MD模擬器（molecular dynamics）允許學(xué)生通過手柄探索原子級別的化學(xué)反應(yīng)，為燃燒反應(yīng)提供更好的動力學(xué)感知和學(xué)習(xí)體驗，包括探究溫度如何影響化學(xué)反應(yīng)速率（圖4）、分子間碰撞與新鍵形成的關(guān)系（圖5），等等。前者說明了化學(xué)鍵的斷裂與化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系，后者從空間因素與能量因素對分子間的有效碰撞作了很好的解釋。再者，如何在新情境下分析“碰撞”的發(fā)生是教學(xué)難點(diǎn)，而VR系統(tǒng)有助于提煉出有效分析此類問題的認(rèn)知模型。最后，模型建構(gòu)的過程中強(qiáng)調(diào)手腦結(jié)合。VR用戶使用手柄與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，肢體運(yùn)動會激發(fā)大腦的內(nèi)在反應(yīng)［31］，也進(jìn)一步增強(qiáng)了學(xué)習(xí)者的動態(tài)理解力。

4? 用于空間結(jié)構(gòu)的表征與探究——AR技術(shù)

4.1? 增強(qiáng)現(xiàn)實AR技術(shù)與物質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的三維表征

增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality， AR）是一種將虛擬信息用科學(xué)技術(shù)手段投射到真實場景中，以達(dá)到虛實結(jié)合甚至超越現(xiàn)實感受目的的一項技術(shù)。與VR雖名稱相近，但虛擬現(xiàn)實強(qiáng)調(diào)虛擬世界的創(chuàng)建與現(xiàn)實中人的投射，而增強(qiáng)現(xiàn)實是把計算機(jī)生成的虛擬3D對象集成并無縫疊加到真實環(huán)境中，虛與實相互補(bǔ)充、有機(jī)融合。AR的工作原理包含“設(shè)計—關(guān)聯(lián)—識別—疊加”四個步驟［32］，以虛擬3D對象與現(xiàn)實圖像標(biāo)記的關(guān)聯(lián)為核心，實現(xiàn)虛擬3D對象在移動設(shè)備上的顯示。

國外研究者們基于模型建構(gòu)軟件，開發(fā)出許多AR應(yīng)用程序，梳理JCE中的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，利用AR技術(shù)構(gòu)建的物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，既可以呈現(xiàn)物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，如原子結(jié)構(gòu)模型［33］、雜化軌道模型［34］、鍵長模型（圖6a）［35］、晶體結(jié)構(gòu)模型［36］，也可以呈現(xiàn)逐個原子的變化過程，如質(zhì)子的傳遞過程（圖6b）［37］、鈷晶胞的逐步構(gòu)建［38］等。同時，AR技術(shù)無需特殊設(shè)備，不受使用時間、場合和規(guī)模的限制，更能走出課堂幫助學(xué)生認(rèn)識食品和家具中的化學(xué)成分［39］，“接觸”并探索元素合成物質(zhì)的可能性［40］。

4.2? AR技術(shù)促進(jìn)空間結(jié)構(gòu)與分子概念的可視化

化學(xué)概念的學(xué)習(xí)離不開對空間結(jié)構(gòu)的理解。化學(xué)存在各種復(fù)雜的空間關(guān)系，尤其如鍵長與鍵角、共線與共面等關(guān)系都與空間認(rèn)知能力聯(lián)系緊密［41］。在實際化學(xué)教學(xué)中，僅借助二維平面表征物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)者難以把握分子的特征結(jié)構(gòu)與特定行為，導(dǎo)致空間關(guān)系的認(rèn)知困難，不利于提高三維認(rèn)知能力。

借助AR技術(shù)所呈現(xiàn)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型可交互可操作，學(xué)習(xí)者在觀察中獲得視覺線索，加深對三維空間關(guān)系的感知。在交互中充分發(fā)揮空間想象，促進(jìn)抽象分子概念的理解。交互方式包括改變設(shè)備朝向，實現(xiàn)分子的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放［42］；也可以操作標(biāo)記，進(jìn)而豐富分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)的觀察視角；又或者操作軟件界面，如使用NuPOV系統(tǒng)［43］時，用手指“發(fā)射”親核試劑模擬對分子的親核攻擊。學(xué)習(xí)過程中學(xué)生獲得感性材料，降低了思維難度，大大提高了教學(xué)效益。

科學(xué)學(xué)習(xí)的意義在于將科學(xué)概念與自身體驗建立聯(lián)系。AR模型特有的虛實結(jié)合情境與現(xiàn)實有更強(qiáng)的聯(lián)結(jié)，有力引發(fā)學(xué)生在泛在情境下獲得全方位的操作體驗?，F(xiàn)有AR軟件主要以兩種方式聯(lián)系現(xiàn)實，分別是基于標(biāo)記（Marker）的識別和無標(biāo)記的識別。前者使用預(yù)定義的2D圖像或二維碼作為“標(biāo)記”來識別虛擬對象的位置，如臺灣學(xué)者邱美虹［44］等開發(fā)了含特定標(biāo)識的AR撲克牌，用以輔助觀察有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)特征，深入認(rèn)識3D物質(zhì)與2D表征的相互轉(zhuǎn)化。而無標(biāo)記的識別程序?qū)⑻摂M對象錨定于真實世界中，消除了用戶提前打印標(biāo)記的需要，學(xué)生甚至可以在模型周圍走動以全方位查看分子結(jié)構(gòu)［45］，更具真實感。

4.3? AR技術(shù)指導(dǎo)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)關(guān)系的探究

有效的信息技術(shù)應(yīng)注重與理論模型的有機(jī)整合，幫助學(xué)習(xí)者從方法論角度建構(gòu)理解、描述和表示核心概念的認(rèn)識思路。AR技術(shù)能將結(jié)構(gòu)中的隱性數(shù)據(jù)直觀化，將微觀模型與宏觀行為聯(lián)系起來，教師利用這一特性，引導(dǎo)學(xué)生分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系。如晶體的學(xué)習(xí)可以由物理性質(zhì)入手，再借助AR程序［46］探索不同晶體的堆積方式、堆積過程、配位數(shù)、空間利用率等問題，實現(xiàn)宏微表征的有機(jī)融合。我國李新義等人［47］也在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中，運(yùn)用AR技術(shù)幫助學(xué)生辨別乙烯與甲烷、乙烷的立體結(jié)構(gòu)，促進(jìn)理解和解釋化學(xué)實驗現(xiàn)象。這些AR技術(shù)的使用不僅利于學(xué)生結(jié)構(gòu)知識的內(nèi)化，提升對概念及其要素的理解程度，而且對學(xué)習(xí)者建立“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的化學(xué)觀念也大有裨益。

當(dāng)下的化學(xué)教學(xué)關(guān)注學(xué)生思維過程的外顯。不難發(fā)現(xiàn)，AR模型是一種很好的交流與探究工具，也成為了學(xué)生開展與傳達(dá)思維活動的基本單位。黃嘉麗（Carrie H.S. Wong）等人設(shè)計的有機(jī)物AR卡［48］是表達(dá)觀點(diǎn)的有效方法，卡中可嵌入的信息不僅僅限于IUPAC名稱、官能團(tuán)、實例、結(jié)構(gòu)動畫等。由于學(xué)生要確定有機(jī)物的官能團(tuán)或建構(gòu)指定化學(xué)式的結(jié)構(gòu)，在交流學(xué)習(xí)的機(jī)會中包括向同伴闡述自己的想法、闡述難以用言語表達(dá)的想法或拓展觀點(diǎn)想法等等，皆與“主動探索”的育人目標(biāo)相契合。

5? 總結(jié)與展望

信息技術(shù)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的融合為化學(xué)教學(xué)未來的發(fā)展方向開辟了新的思路，將一種新型教育理念融入化學(xué)教學(xué)中，契合指向“模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)的化學(xué)教學(xué)實踐，有效促進(jìn)模型認(rèn)知與模型建構(gòu)過程。

對于學(xué)生而言，學(xué)會從復(fù)雜概念中把握特性及相互關(guān)系至關(guān)重要。信息技術(shù)增強(qiáng)型的學(xué)習(xí)環(huán)境提供了模型要素識別與理解的腳手架，滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)的需要，在這一模式中教師既是“引導(dǎo)者”和“顧問”，也是學(xué)生情感的“激發(fā)者”和“保持者”。在教師的引導(dǎo)下，技術(shù)將作為教學(xué)工具，在幫助學(xué)生深入理解概念本質(zhì)的同時滲透思維方法的培養(yǎng)，實時反映學(xué)生在模型建構(gòu)與應(yīng)用中的思維過程，幫助他們動態(tài)把握要素與關(guān)系的變化，學(xué)會在學(xué)習(xí)過程中不斷建立并應(yīng)用思考模型解決問題，在結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相關(guān)聯(lián)的探究活動中進(jìn)一步深化物質(zhì)的結(jié)構(gòu)觀。

目前這些技術(shù)的普及率不是很高，且需要一定的設(shè)備支持，在沒有先決知識的情況下，學(xué)術(shù)界開發(fā)的技術(shù)工具不適合直接作為教育工具。但隨著《中國教育現(xiàn)代化2035》等文件的頒布，加快落實信息化教育變革、實現(xiàn)“信息技術(shù)+教育”模式已成為戰(zhàn)略任務(wù)之一，國內(nèi)研究者們也開始更多地重視技術(shù)與教學(xué)的整合［49］，強(qiáng)調(diào)顯性信息技術(shù)下潛隱的技術(shù)思想。不可否認(rèn)，這些信息技術(shù)手段具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢，憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢將為化學(xué)教育提供多種可能性，不僅促進(jìn)學(xué)生模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)、學(xué)科核心素養(yǎng)的提升，還將在促進(jìn)概念理解、思維可視化、增強(qiáng)動態(tài)理解、促進(jìn)三維認(rèn)知等方面發(fā)揮積極作用。

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