信息技術(shù)與高中化學(xué)教學(xué)深度融合的路徑

馬雪梅?柳威?高美琪?龍世佳

摘要： 在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，研究團(tuán)隊基于高中化學(xué)教學(xué)實踐設(shè)計出了“明確教學(xué)要求—科學(xué)設(shè)計教學(xué)思路—精準(zhǔn)設(shè)計教學(xué)過程—反饋教學(xué)效果”的數(shù)字化教學(xué)融合路徑。以“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”為例，教師按照新的融合路徑教學(xué)，在創(chuàng)新課堂教學(xué)模式、豐富教學(xué)手段及發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)方面取得實效。實踐證明，加強硬件建設(shè)，轉(zhuǎn)變教師教學(xué)理念，提升教師信息素養(yǎng)，合理利用信息技術(shù)工具，豐富教學(xué)資源，創(chuàng)設(shè)多元的學(xué)習(xí)方式，加強學(xué)情管理，推進(jìn)精準(zhǔn)教學(xué)，是高中化學(xué)教學(xué)與信息技術(shù)深度融合的有效舉措。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；高中化學(xué)；深度融合；晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

隨著科技不斷發(fā)展，教育數(shù)字化已成為必然趨勢?！督逃畔⒒?.0行動計劃》明確提出堅持將信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的理念，整合數(shù)字化教育資源，有效促進(jìn)教育發(fā)展的公平性、全面性、終身性，助力教育體系的現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化^[1]。在高中化學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)將信息技術(shù)和課程資源深度融合，設(shè)置真實情境和具有挑戰(zhàn)性的問題或任務(wù)，創(chuàng)設(shè)積極探索、多重交互、互相合作、資源共享的學(xué)習(xí)環(huán)境。這有助于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維和高階能力。下面，以“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”為例，探究信息技術(shù)與高中化學(xué)教學(xué)深度融合的有效路徑，以優(yōu)化高中化學(xué)教學(xué)。

一、明確教學(xué)要求

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》強調(diào)“借助實物模型、計算機(jī)軟件模型、視頻等多種直觀手段，充分發(fā)揮學(xué)生搭建分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)模型等活動的作用，降低教學(xué)內(nèi)容的抽象性，促進(jìn)對相關(guān)內(nèi)容的理解和認(rèn)識”。一些學(xué)者將信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)深度融合，開展了虛擬現(xiàn)實（VR）積件的應(yīng)用。它是關(guān)于化學(xué)理論或微觀結(jié)構(gòu)的最小化的知識單元，是應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的三維積件^[2]。學(xué)生可以使用手機(jī)掃描二維碼，直觀地認(rèn)識晶體的三維模型，這凸顯了VR積件的直觀性、科學(xué)性、獨立性、交互性和通用性等特點。教師充分合理地將VR積件運用在教學(xué)中，將抽象的化學(xué)理論具體化、可視化、形象化，幫助學(xué)生建立“宏觀性質(zhì)—微觀結(jié)構(gòu)—三維模型”三者之間的有機(jī)聯(lián)系。

隨著信息技術(shù)手段不斷創(chuàng)新，高中化學(xué)教師的教學(xué)手段和方法更具有創(chuàng)新性、多樣性。高中化學(xué)教師有效利用信息技術(shù)可以優(yōu)化教學(xué)過程，降低教學(xué)內(nèi)容的抽象性，幫助學(xué)生深度理解并建立結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的聯(lián)系，增強學(xué)生的體驗，提高學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”和“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)水平。

二、科學(xué)設(shè)計教學(xué)思路

教師巧妙整合數(shù)字化資源，設(shè)計多元化的化學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容，按照“引其趣—啟其思—激其情—奮其志—導(dǎo)其勢—凝其智”的思路（如圖1），各環(huán)節(jié)充分合理利用信息技術(shù)，讓學(xué)生寓學(xué)于樂、樂中求學(xué)，真正踐行“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念。教師將高中化學(xué)和信息技術(shù)深度融合，力求提高學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，幫助他們從低階能力向高階能力轉(zhuǎn)變，有效提升核心素養(yǎng)。

數(shù)字時代，深度融合將使傳統(tǒng)教學(xué)發(fā)生根本性變革，而其中的變量不應(yīng)只有信息技術(shù)，還應(yīng)有不同學(xué)科特性的教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容。為實現(xiàn)深度融合，教師需要把握學(xué)科特性，對學(xué)科內(nèi)容與教學(xué)方式等進(jìn)行深度解剖，以系統(tǒng)的、整體的眼光看待相互聯(lián)系的要素。建設(shè)科學(xué)高效的協(xié)同機(jī)制是促進(jìn)信息技術(shù)與教學(xué)深度融合的有力保障?；诖私處熢O(shè)計了教學(xué)流程（如圖2）。從操作層面看，教學(xué)設(shè)計縱向有教師活動、學(xué)生活動、技術(shù)支持三大要素，橫向分“課前——以學(xué)定教”“課中——教學(xué)互動”“課后——以學(xué)促教”三個維度。教師在充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺和信息技術(shù)工具的基礎(chǔ)上，支持學(xué)生高效地開展自主、合作、探究性學(xué)習(xí)，為學(xué)生個性化、創(chuàng)造性學(xué)習(xí)提供條件。

三、精準(zhǔn)設(shè)計教學(xué)過程

（一）課前以學(xué)定教

學(xué)生任務(wù)：查閱資料并搭建“石墨烯、金剛石、二氧化碳、氯化鈉”的球棍模型，比較幾種晶體物理性質(zhì)間的差異，并完成導(dǎo)學(xué)案任務(wù)；用手機(jī)掃描VR積件二維碼，觀察各晶體三維模型，完成教師在釘釘App上布置的作業(yè)任務(wù)。

教師任務(wù)：基于對釘釘App上學(xué)生預(yù)習(xí)結(jié)果的分析，針對性整合教學(xué)內(nèi)容，以保證精準(zhǔn)教學(xué)。

設(shè)計意圖：教師明確教學(xué)目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生在鞏固舊知的基礎(chǔ)上探索新知，讓學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中有的放矢主動學(xué)習(xí)，獨立思考自主完成模型搭建任務(wù)，掃碼觀看三維模型，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，以此促進(jìn)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的發(fā)展，充分體現(xiàn)以學(xué)生為本的教學(xué)理念。教師分析學(xué)生預(yù)習(xí)的反饋結(jié)果，“以學(xué)定教”，助力課上高效教學(xué)。

（二）課中教學(xué)互動

教師創(chuàng)設(shè)情境：認(rèn)識黑金之王——石墨烯。“手機(jī)充滿電真的只需幾秒鐘嗎？史上最薄電燈泡薄到什么程度？存在光驅(qū)動飛行器嗎？大家相信嗎？科學(xué)家找到了一種只需借助鉛筆中蘊含的單一化合物——石墨烯。自此，關(guān)于石墨烯非凡應(yīng)用的新聞不斷出現(xiàn)在人們的視野中，石墨烯似乎已經(jīng)成為無所不能的超級材料。石墨烯到底是什么？到底有什么特性讓它備受推崇？下面，我們一起打開‘黑金之王——石墨烯的神奇大門?！?/p>

教師用?PPT 講解碳納米材料的發(fā)展和石墨烯的發(fā)現(xiàn)過程，讓學(xué)生認(rèn)識到為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來革命性進(jìn)展的發(fā)現(xiàn)——使用撕透明膠帶的方法從石墨中分離出單層的石墨烯。為了讓學(xué)生更直觀地理解石墨烯的非凡特性，教師播放了一段關(guān)于石墨烯的性質(zhì)的視頻。

學(xué)生小結(jié)：石墨烯是現(xiàn)有材料中厚度最薄、強度最高、導(dǎo)熱性最好的新型二維材料，是重要的戰(zhàn)略新興材料；石墨烯具有強導(dǎo)電、高柔韌、高硬度、低密度等特性。

1.分析石墨烯結(jié)構(gòu)（任務(wù)1）

第一項活動：基于構(gòu)成微粒認(rèn)識石墨烯。在模型展示環(huán)節(jié)，教師搭建石墨烯的球棍模型并展示其空間結(jié)構(gòu)。然后，教師讓學(xué)生根據(jù)石墨烯的空間結(jié)構(gòu)和構(gòu)成原子結(jié)構(gòu)的特點分組探討石墨烯中碳原子的成鍵情況。

學(xué)生1：石墨烯為平面型結(jié)構(gòu)，每個碳原子與周圍三個碳原子形成平面三角形結(jié)構(gòu)，所以石墨烯中碳原子為sp²雜化。

學(xué)生2：雜化后，每個碳原子剩余的一個單電子在未雜化的軌道里，每個未參與雜化的p軌道互相平行重疊形成了大π鍵。

第二項活動：基于微?？臻g排布認(rèn)識石墨烯。教師讓學(xué)生用ChemDraw軟件畫出石墨烯晶體的一個晶胞，分組討論并解釋。學(xué)生分組匯報，展示作品（如圖3）。

教師提示：對于晶胞來講其頂點環(huán)境必須完全相同；晶胞在相應(yīng)的各軸向上應(yīng)具平穩(wěn)性，整塊晶體可以看成無數(shù)晶胞無隙并置而成的。

在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生最終確定石墨烯晶體的一個晶胞圖示應(yīng)是作品2或作品3。

2.基于結(jié)構(gòu)解釋和預(yù)測石墨烯性質(zhì)（任務(wù)2）

第一項活動：解釋石墨烯的導(dǎo)電性。教師用PPT資料展示：石墨烯具有強導(dǎo)電性，其導(dǎo)電效率是硅的100倍左右。因此人們期待用它來制作更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代晶體管。學(xué)生討論后得出結(jié)論：石墨烯中C原子采用sp²雜化形成平面結(jié)構(gòu)，未雜化的p軌道含有一個單電子，且互相平行，可以形成大π鍵，電子具有較好的流動性，故石墨烯具有超強的導(dǎo)電性。

第二項活動：預(yù)測石墨烯的性質(zhì)——熔點高低（見表1）。

教師引導(dǎo)學(xué)生基于晶體類型，構(gòu)建物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系（見表2）。

3.基于結(jié)構(gòu)與性質(zhì)實現(xiàn)石墨烯功能化應(yīng)用（任務(wù)3）

活動：石墨烯的非共價鍵改性。學(xué)生討論后認(rèn)為：由于π-π堆積、氫鍵、靜電等作用，氧化石墨烯有優(yōu)異的吸附性，有助于提取分離純化中藥有效成分，有助于提高提取分離效率，增強選擇性，使得其在生物醫(yī)藥方面有重要應(yīng)用。

設(shè)計意圖：教師以社會熱點為切入點，創(chuàng)設(shè)情境幫助學(xué)生了解石墨烯，以激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。通過結(jié)合信息技術(shù)和搭建球棍模型的實踐活動，教師引導(dǎo)學(xué)生分組探究，使他們能夠從宏觀和微觀兩個層面深入認(rèn)識石墨烯。這種教學(xué)方式不僅可以促進(jìn)學(xué)生對晶體的全面理解，而且能幫助他們內(nèi)化了思維建模知識，增強其概念意識和抽象思維能力。這一過程可以有效促進(jìn)學(xué)生在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)方面的提升，特別是在“宏觀辨識與微觀探析”以及“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”方面的發(fā)展。

（三）課后以學(xué)促教

教師給學(xué)生布置了三項任務(wù)：用Xmind軟件繪制思維導(dǎo)圖，分別歸納共價晶體、離子晶體、分子晶體的主要特點；嘗試用ChemDraw軟件繪制氯化鈉、水分子的結(jié)構(gòu)；完成釘釘App中相應(yīng)的習(xí)題，并填寫課后反饋單。

設(shè)計意圖：學(xué)生在課后有效利用信息技術(shù)自主繪制思維導(dǎo)圖并拓展延伸，有利于提升其探究精神和創(chuàng)新能力。教師借助課后作業(yè)鞏固強化，實現(xiàn)對課堂知識的有效內(nèi)化，促進(jìn)學(xué)生由“低階能力”向“高階能力”的轉(zhuǎn)變；對課后反饋情況進(jìn)行分析，進(jìn)一步了解學(xué)生對本節(jié)內(nèi)容的掌握情況，完善教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)效率。

四、反饋教學(xué)效果

教師利用三維模型VR積件教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生深入理解概念本質(zhì)。同時，教師注重滲透思維方法的培養(yǎng)，實時監(jiān)控學(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，并建立起“宏觀性質(zhì)—微觀結(jié)構(gòu)—三維模型”三者之間的聯(lián)系（如圖4）。學(xué)生學(xué)會在學(xué)習(xí)過程中不斷建立并應(yīng)用思維模型解決問題，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^[2]，發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)。

基于以上的思考和探索，筆者將高中化學(xué)教學(xué)與信息技術(shù)深度融合的經(jīng)驗總結(jié)為如下三點。

其一，提供豐富的教學(xué)資源，促進(jìn)教學(xué)數(shù)字化。在“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊中，學(xué)生對立體分子感知及具體形象思維的認(rèn)知能力不強，對復(fù)雜知識的邏輯體系了解不夠透徹，且有些知識本身非常抽象和繁雜，所以教師用傳統(tǒng)方式教學(xué)效果不理想。針對化學(xué)學(xué)科的特性，教師利用信息技術(shù)突破原本難以研究的問題，可以使難以理解的抽象問題顯性化、可視化^[3]。教師應(yīng)用中小學(xué)智慧教育云平臺等數(shù)字化工具提供豐富的教學(xué)資源，拓展了教學(xué)時空，促進(jìn)課堂教學(xué)的改革創(chuàng)新。例如，“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”教學(xué)過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)晶體的結(jié)構(gòu)比較困難，因二維模型無法提供更形象具體的信息，利用三維模型VR積件教學(xué)，能讓學(xué)生從多個角度進(jìn)行分析理解，實現(xiàn)從二維到三維的轉(zhuǎn)變，并構(gòu)建“宏觀性質(zhì)—微觀結(jié)構(gòu)—三維模型”矩陣模型。在教學(xué)過程中，教師還讓學(xué)生利用信息技術(shù)協(xié)同互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展學(xué)習(xí)活動，參與在線閱讀、在線溝通、在線學(xué)習(xí)、線上模擬實驗等活動，由此拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)渠道，幫助他們積累經(jīng)驗，掌握更多的學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)效率，最大限度體現(xiàn)信息技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的功效，將抽象的化學(xué)知識具體化、形象化，為教學(xué)賦能，為學(xué)生賦能。

其二，創(chuàng)設(shè)多元的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)高效學(xué)習(xí)。數(shù)字時代，教師如何利用信息技術(shù)來創(chuàng)造多元的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)學(xué)生高效學(xué)習(xí)？教師可從以下幾方面著手。第一，教師積極利用多媒體課堂、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺等方式開展教學(xué)活動，讓學(xué)生更好地了解化學(xué)前沿知識在不同行業(yè)的應(yīng)用。第二，教師充分利用信息技術(shù)開展小組數(shù)字化實驗，培養(yǎng)學(xué)生之間的合作精神，解決現(xiàn)象不明顯、危險系數(shù)高等實際問題，設(shè)置沉浸式的虛擬實驗場景、三維可視化的效果，以及實操、評分等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生以數(shù)字化學(xué)習(xí)方式學(xué)習(xí)實驗知識，提高實驗技能。第三，在教學(xué)過程中，教師要結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)情況針對性教學(xué)，在課前利用微課向?qū)W生展示具體案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；課堂上充分利用信息技術(shù)融合化學(xué)實驗和虛擬實驗，讓學(xué)生感受化學(xué)魅力；課后，教師利用思維導(dǎo)圖，對知識進(jìn)行全面梳理，幫助學(xué)生構(gòu)建完善的知識體系^[4]，實現(xiàn)學(xué)生能力由“低階”向“高階”的轉(zhuǎn)變。

其三，加強學(xué)情管理，推進(jìn)精準(zhǔn)教學(xué)。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)建立數(shù)字化的質(zhì)量評價和管理機(jī)制，對學(xué)生進(jìn)行差異化管理，進(jìn)一步完善精準(zhǔn)化課堂教學(xué)體系。教師可利用信息技術(shù)“按需定教”，針對學(xué)生個性化發(fā)展需求，精準(zhǔn)判斷學(xué)情，精準(zhǔn)設(shè)計目標(biāo)，精準(zhǔn)設(shè)計教學(xué)資源，精準(zhǔn)干預(yù)^[5]，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，教師可適當(dāng)調(diào)整教學(xué)方法，利用信息技術(shù)與化學(xué)知識各個層面的聯(lián)系，促進(jìn)數(shù)字化教學(xué)的有效開展，實現(xiàn)對學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)和成果的精準(zhǔn)把握。因此，高中化學(xué)教師應(yīng)積極踐行數(shù)字化教學(xué)理念，要有意識地借助信息技術(shù)改善課堂環(huán)境，挖掘與彰顯化學(xué)魅力，而使課堂教學(xué)更具吸引力和趣味性，更能吸引學(xué)生和調(diào)動學(xué)生的積極性^[6]。

綜上所述，合理利用信息技術(shù)開展高中化學(xué)數(shù)字化教學(xué)是大勢所趨。構(gòu)建現(xiàn)代化高效、高質(zhì)量的高中化學(xué)課堂是新課改發(fā)展的目標(biāo)。教師借助數(shù)字化手段提升學(xué)生自主探究能力，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力，激發(fā)學(xué)生化學(xué)思維，幫助學(xué)生構(gòu)建完整的化學(xué)知識結(jié)構(gòu)體系，促進(jìn)學(xué)生的模型認(rèn)知與模型建構(gòu)^[7]，有效提升綜合能力?；瘜W(xué)教師應(yīng)合理使用信息技術(shù)，在實踐中摸索出更高效、更合理的融合策略，避免信息技術(shù)應(yīng)用表面化、復(fù)雜化，這對化學(xué)課程革新與發(fā)展有重要意義。

注：本文系2023年天水師范學(xué)院人才培養(yǎng)質(zhì)量提升項目、2023年天水市科技計劃項目（編號：2023-FZJHK-8287）、2022年秦州區(qū)科技局項目（編號：2022-SHFZG-2112）、2024年天水師范學(xué)院研究生指導(dǎo)教師教育研究項目（編號：TYXM2406）的結(jié)題成果。

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（作者馬雪梅、柳威、高美琪系天水師范學(xué)院研究生；龍世佳系天水師范學(xué)院教授，通訊作者）

責(zé)任編輯：祝元志