UbD理念指導下虛擬仿真實驗賦能化學教學的課例研究

宋小宏

摘要：以UbD理論為支撐，對“化學反應速率”一課進行教學設計。研究表明：基于UbD理論的教學設計有助于達成“教、學、評”一致性，融合PhET虛擬仿真實驗平臺模擬的化學反應，能讓學生更主動地融入學習，提高學生聯(lián)系和分析宏觀現(xiàn)象與微觀可視化的能力，促進學科核心素養(yǎng)的落地。

關鍵詞：虛擬仿真實驗；PhET；逆向設計；高中化學

文章編號：10056629（2023）06003506中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

1 引言

化學反應的快慢和進行的程度是研究化學反應的兩個重要方面，化學反應速率對深入認識化學反應、指導化工生產(chǎn)實踐有著重要的價值。從微觀層面理解化學反應速率一直是教學難點，為了解決這一難題，需要教師在教學過程中運用適當?shù)慕虒W方法、教學手段促進學生理解，實現(xiàn)信息技術與實驗教學的深度融合。為此，作者基于PhET虛擬仿真實驗平臺，直觀、形象地展示化學變化的特點^［1］。對信息技術支持下的教學過程，學生往往會表現(xiàn)出較高的學習興趣，但若單純?yōu)檎故炯夹g而采用仿真實驗并不能促進學生對問題的理解以及核心素養(yǎng)的發(fā)展。為使仿真實驗在化學教學中獲得較好的學習效果，本研究結合UbD理論進行教學設計與探索實踐，重視“理解為先”，通過重構教學流程，促進“教學評一體化”；增強操作性，促進學科素養(yǎng)落地；加強連續(xù)性和整體性，利于學生學習理解。

2 理論概述

2.1 UbD理論概述

UbD全稱為Understanding by Design，即追求理解的教學設計，也叫逆向設計法，由教育專家格蘭特·威金斯（Grant Wiggins）和杰伊·麥克泰（Jay McTighe）提出。UbD逆向設計法分為三個階段：確定預期結果、確定合適的評估證據(jù)、設計學習體驗和教學。該教學研究從經(jīng)驗型轉向實證型，從知識為本轉向核心素養(yǎng)為本，旨在促使學生參與探究活動，提升學習遷移能力。

UbD理論目前在我國化學教學中已經(jīng)有了一定的研究應用。例如以九年級“化學方程式”為例進行逆向、整體、可操作的單元教學設計^［2］，以及基于UbD理論的評價工具研制和學習任務單的設計研究^{［3，4］}。有關研究發(fā)現(xiàn)，基于UbD理論設計教學、研制評價量表能形成良好學習氛圍，拓寬內(nèi)容深廣度，促成學生高效自主學習。

2.2 基于虛擬平臺的化學教學相關研究

虛擬平臺能夠將化學抽象知識可視化、情境化的工具，幫助學生從宏觀、微觀等多層面認識化學^［5］。目前國內(nèi)常將NOBOOK虛擬仿真實驗結合試誤教學法融入中學化學教學中，以提高化學實驗教學質量^［6］；有些教育研究者以POE教學策略為支撐，融合PhET虛擬仿真實驗幫助學生從定性和定量相結合的視角認知飽和溶液的概念^［7］；還有一些高等化學教育研究工作者通過把虛擬現(xiàn)實（VR）技術和分子動力學方法結合到一起，開發(fā)了交互式分子結構可視化工具Manta，生動形象地展示微觀納米結構，讓學生直接與分子結構交互作用，帶領學生走進真正的分子世界^［8］?？傊?，虛擬平臺在化學實驗教學、遠程教學、技術或系統(tǒng)的開發(fā)及設計等方面均有一定的應用（見表1）。

PhET（Physics Education Technology）是諾貝爾獎獲得者卡爾·威曼創(chuàng)立、由科羅拉多大學團隊運營的互動仿真平臺，它能提供一個開放的探究環(huán)境，擁有豐富的課程資源（包括主題模擬實驗、教學案例、使用說明），與化學學科有較高的契合度，目前已經(jīng)被廣泛應用于不同化學主題的教學^［9］。PhET提供的主題模擬實驗均經(jīng)過專家的測試與評估，可通過html在線使用或下載java程序包至電腦，確保教學的有效性及實用性，現(xiàn)正逐步融入到學校的教學實踐中。

目前，PhET上的化學資源適用于高中生及其以上層次的學生和化學教育研究工作者，其中教學資源分為普通化學和量子化學兩個領域，能夠實現(xiàn)化學基本原理、化學抽象概念等模塊知識的可視化^［10］。

3 教學活動設計

基于圖1所示的UbD逆向設計三個階段，我們的研究結合PhET虛擬仿真實驗平臺，對上科版高中化學教材中“化學反應速率”這一課時進行了設計探索與實踐。

3.1 梳理課標要求，確定預期結果

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中關于“化學反應速率”的內(nèi)容要求為：知道化學反應速率的表示方法，了解測定化學反應速率的簡單方法。通過實驗探究，了解溫度、濃度、壓強和催化劑對化學反應速率的影響。知道化學反應是有歷程的，認識基元反應活化能對化學反應速率的影響。

化學反應的快慢和進行的程度是研究化學反應的兩個重要方面，化學反應速率與化學平衡理論對深入認識化學反應、指導化工生產(chǎn)實踐有著重要的價值。表2所示即為“化學反應速率”一課的逆向設計階段1。

3.2 確定評估證據(jù)，檢測學習效果

有效的評估不應僅在教學結束時一考了之，而是在教學過程中使用各種方法和形式收集大量的證據(jù)，不同評估類型為不同的課程目標提供證據(jù)，如圖2所示。收集的證據(jù)既包含傳統(tǒng)的測驗和考試、表現(xiàn)性任務和項目、觀察和對話，也包括不同時間內(nèi)的學生自我評估。

本研究使用表現(xiàn)性任務和小測試作為主要評估證據(jù)。其中表現(xiàn)性任務以化學實驗報告和基于虛擬仿真平臺為教學載體，設計表現(xiàn)性任務；另外又設計課堂問答和隨堂測驗，收集學生自我評價和反饋，如主要學到了什么知識、還有什么疑惑或者不能解決的問題等，此謂逆向設計階段2，如表3所示。

3.3 預期學習體驗，確定學習環(huán)節(jié)

只有我們明確了預期結果和評估證據(jù)，才能真正做好教學計劃的細節(jié)——包括教學方法、教學順序，以及資源材料的選擇。教學是達到目標的一種手段，一個清晰的目標能夠幫助我們在設計時有所聚焦，并能指導我們有目的地朝預期結果發(fā)展。

學習環(huán)節(jié)的設計應該基于預期結果和評估證據(jù)這兩個階段來進行。新課改背景下，教師應轉變傳統(tǒng)的教學思路，以學生為中心，從學生角度出發(fā)，思考以什么方式更能促進學生對知識的理解，達到預期的結果目標。表4為逆向設計階段3。

4 教學活動實施

在我們的研究中，教學活動實施對象為高中二年級學生，建議3課時。教學實施選取“基于PhET虛擬仿真平臺構建的碰撞理論”片段教學為例，活動目標旨在：能夠有效建構碰撞理論模型，理解活化能與碰撞角度對化學反應的影響；能夠運用碰撞理論從微觀角度來解釋宏觀條件對化學反應速率影響的原理，提高從宏觀與微觀的角度對化學反應本質的認識。

4.1 “化學反應的速率”學習路線圖

學習路線圖如圖3所示。

4.2 基于PhET碰撞理論的教學活動設計與實施

本研究采用PhET平臺提供的虛擬仿真實驗“Reactions & Rates”模型進行探究。模型由單一碰撞、很多碰撞和反應速率實驗三個界面構成，單一碰撞界面如圖4所示，可以選擇反應類型及發(fā)射條件等，如直接撞擊或偏向射入、選擇4種反應類型或自行設計反應、反應歷程中的變化對標原子分離情況和反應界面的能量變化。

活動1 建構碰撞理論

教師：在微觀層面上是什么促成了成功的反應？

學生：在虛擬仿真實驗中選擇“Reactions & Rates”實驗模型，或使用java打開“rates-and-rates-zh-CN”即中文版“化學反應速率”虛擬仿真實驗模型。

教師：以第一組化學反應為例，選擇不同的發(fā)射條件，可能會發(fā)生什么現(xiàn)象？

學生：在“Single Collision”即單一碰撞界面分別使用不同的發(fā)射力度和發(fā)射角度發(fā)射反應物分子進行碰撞實驗，觀察不同發(fā)射力度和角度的反應情況和能量變化，填寫活動任務單（見表5）。

活動2 微觀探析影響化學反應速率的因素

教師：參照反應坐標描述是什么使反應進行或減緩其進展？

學生：在“Many Collision”即多次碰撞界面先自行探究影響反應快慢的因素。

教師：反應物分子數(shù)量相同的情況下，以下哪種反應可能會是最快的（見圖5）？

學生：測試以上四個反應，分析反應不同快慢的原因。

教師：如果活化能較低，反應可以在較低溫度下進行，在真實反應中，這是通過添加催化劑來完成的。

學生：通過自行設計反應降低或提高活化能，觀察反應的變化。

教師：在反應中，使用加熱器加熱會有什么影響？

A. 增加

B. 增加

C. 沒有影響

學生：自行設計多次實驗，控制變量觀察使用加熱器的影響，填寫任務單。

教師：對于沒有足夠能量進行反應的，可以通過增加溫度來增加碰撞概率使反應發(fā)生。

4.3 教學反思

“化學反應速率”一課基于UbD理論確定了學習目標、評估證據(jù)和學習活動，將學習目標聚焦轉化成相應的評估證據(jù)，如化學實驗報告體現(xiàn)實驗過程；碰撞理論建構活動任務單體現(xiàn)學生的表現(xiàn)；相關測試題、自評表等使學習活動的針對性更強，有利于促進教、學、評的一致性。

由于化學反應的不可視性，使用碰撞理論解釋影響化學反應速率因素的原因一直是教學難點，基于此，選用了PhET虛擬仿真平臺中的“Reactions & Rates”實驗模型，學生使用此模型能夠直觀地觀察模擬分子碰撞現(xiàn)象，有效建構碰撞理論。知道反應物分子間的相互碰撞是反應發(fā)生的前提條件。碰撞的速度（能量）和角度決定碰撞是否會生成產(chǎn)物，大大降低學生對化學微觀視角的認知負荷。

5 總結與展望

本研究以UbD理論為支撐，融合PhET平臺提供的虛擬仿真實驗進行教學設計和實踐，促進了學生從微觀到宏觀的角度對化學反應速率概念及影響因素的認識。UbD逆向設計使預期結果、關鍵表現(xiàn)以及教與學體驗之間產(chǎn)生更大的一致性，從而使學生有更深刻的理解。PhET作為一個開源平臺，擁有豐富的主題模擬實驗、教學案例，在化學教學中有較高的適配性、有效性和實用性。經(jīng)教學實踐，學生基于PhET虛擬仿真平臺利用碰撞理論解釋影響化學反應速率因素的原理比傳統(tǒng)課堂教學效果更佳，對學習目標的達成起到了正向作用。

筆者使用PhET虛擬仿真平臺中的“Reactions & Rates”模型融入“化學反應速率”課堂教學，旨在建構碰撞理論并運用該理論解釋影響化學反應速率的因素，因此在教學設計時采用了模型中的一部分交互內(nèi)容。學生在使用“Reactions & Rates”模型時可能會發(fā)現(xiàn)反應是可逆的，產(chǎn)物可能會通過碰撞生成反應物，這與本活動的學習目標未能達成一致性，作為后續(xù)研究，擬在此基礎上針對化學平衡做深入的研究和探討。

通過初步研究和總結，認為基于PhET平臺設計學習活動有下列經(jīng)驗：

（1） 融合虛擬仿真實驗模型的活動設計最好是一個相對開放的探索活動。

（2） 要求設計的活動簡短、開放、靈活且?guī)в虚_放性的問題。

（3） 在學生體驗主題模擬實驗時，可以提供簡單的支架說明，如設計觀察表格、記錄數(shù)據(jù)等。

參考文獻：

［1］Nuraida O.，Akbar G. S.，F(xiàn)arida I.，et al.. Using PhET simulation to learning the concept of acid-base ［J］. Journal of Physics：Conference Series，2021，1869（1）： 1742.

［2］倪勝軍，付紹武，艾進達. 逆向、整體、可操作： UbD理論視角下化學單元教學設計——以九年級“化學方程式”為例［J］. 化學教學，2021，（12）： 48～51，64.

［3］周潔. 基于UbD理論的初中化學教學設計初探——以“燃燒與滅火”為例［J］. 化學教與學，2020，（6）： 60～63.

［4］周才萍. UbD導引下的自主學習任務單設計——以滬教版九年級化學教學為例［J］. 化學教與學，2021，（9）： 24～26，32.

［5］陳嘉欣，占小紅，楊笑. 國內(nèi)外VR/AR技術在化學教育的應用研究述評——基于可視化的共詞分析［J］. 化學教學，2022，（1）： 8～13，20.

［6］鄭倩，撒安娜，李慧艷，李冰. 試誤技能在NOBOOK虛擬實驗中的應用——以“高錳酸鉀制取氧氣”為例［J］. 中國教育技術裝備，2020，（17）： 32～33，36.

［7］胡博凱，胡寶川，薛松，趙雷洪. 基于PhET虛擬仿真實驗的中學化學教學設計——以“飽和溶液”為例［J］. 化學教育（中英文），2022，43（17）： 114～118.

［8］趙蕊，陳東平，初慶釗. 虛擬現(xiàn)實技術在高等化學教育中的應用和探索［J］. 大學化學，2022，37（4）： 145～151.

［9］Moore E. B.，Chamberlain J. M.，Parson R.，et al. Role-Playing meets Polymer Chemistry： An engaging way to teach macromolecules ［J］. Journal of Chemical Education，2014，91（8）： 1191～1197.

［10］顧瑩，陳凱，孫紅淼. PhET在化學教學中的應用述評［J］. 化學教學，2018，（3）： 24～29，46.