信息技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中學(xué)生模型認(rèn)知培養(yǎng)的應(yīng)用

一、引言

隨著教育改革的深人推進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)成為教育教學(xué)的重要目標(biāo)。在高中化學(xué)學(xué)科中，模型認(rèn)知作為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵組成部分，要求學(xué)生能夠通過(guò)分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。傳統(tǒng)教學(xué)模式受限于抽象概念的呈現(xiàn)方式，學(xué)生常面臨“宏觀現(xiàn)象難關(guān)聯(lián)微觀本質(zhì)”的認(rèn)知障礙。以虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的信息技術(shù)快速發(fā)展，為教育教學(xué)帶來(lái)了新的機(jī)遇與變革。信息技術(shù)憑借其直觀性、交互性、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，能夠?qū)⒊橄蟮幕瘜W(xué)知識(shí)以更加生動(dòng)、形象的方式呈現(xiàn)，為學(xué)生模型認(rèn)知能力的培養(yǎng)提供了有力支持。在此背景下，探索信息技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中對(duì)學(xué)生模型認(rèn)知能力培養(yǎng)中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、信息技術(shù)與模型認(rèn)知的理論基礎(chǔ)

建構(gòu)主義認(rèn)為，知識(shí)是在學(xué)習(xí)者與環(huán)境的互動(dòng)中主動(dòng)建構(gòu)的。在化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生通過(guò)信息技術(shù)工具（如虛擬實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)模擬）主動(dòng)探索化學(xué)模型能夠更直觀地理解抽象概念。例如，在學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)時(shí)，學(xué)生可以通過(guò)三維模型動(dòng)態(tài)觀察電子云分布，而非僅依賴(lài)靜態(tài)圖示。通過(guò)主動(dòng)建構(gòu)過(guò)程不僅提升了知識(shí)留存率，還增強(qiáng)了學(xué)生的探究能力[1。認(rèn)知發(fā)展理論強(qiáng)調(diào)個(gè)體認(rèn)知結(jié)構(gòu)的逐步完善。信息技術(shù)通過(guò)分層次、漸進(jìn)式的教學(xué)設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生從簡(jiǎn)單模型（如分子結(jié)構(gòu)模型）過(guò)渡到復(fù)雜模型（如化學(xué)平衡模型）。例如，利用動(dòng)畫(huà)演示化學(xué)反應(yīng)的微觀過(guò)程，有助于學(xué)生逐步建立對(duì)反應(yīng)機(jī)理的系統(tǒng)性認(rèn)知，從而深化其對(duì)化學(xué)規(guī)律的理解。情境認(rèn)知理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)應(yīng)發(fā)生在真實(shí)或模擬的真實(shí)情境中[2。信息技術(shù)通過(guò)創(chuàng)設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室、情境化教學(xué)資源（如GIS地理輔助系統(tǒng)），將化學(xué)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合。例如，在學(xué)習(xí)電解池原理時(shí)，學(xué)生可以通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)觀察電流方向與離子遷移的關(guān)系，從而將理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)，從而提升模型認(rèn)知的實(shí)用性。

三、高中化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用信息技術(shù)培養(yǎng)模型認(rèn)知的實(shí)踐分析

（一）“化學(xué)能與電能”教學(xué)

1.案例背景

以“化學(xué)能與電能”教學(xué)內(nèi)容為例，其在高中化學(xué)知識(shí)體系里占據(jù)重要地位。此部分內(nèi)容深度涉及原電池與電解池的原理，包括電極反應(yīng)的發(fā)生機(jī)制、離子的移動(dòng)方向等；結(jié)構(gòu)方面涵蓋電極材料的選擇、電解質(zhì)溶液的特性、電池的整體構(gòu)造及其在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用，如手機(jī)電池、電動(dòng)汽車(chē)電池等。[3]在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生普遍面臨理解困境。原電池和電解池微觀層面的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程、離子的定向移動(dòng)，以及能量轉(zhuǎn)化機(jī)制等抽象概念對(duì)于學(xué)生而言理解難度較大，導(dǎo)致模型認(rèn)知的培養(yǎng)效果差強(qiáng)人意。課前調(diào)研顯示，72% 的學(xué)生認(rèn)為原電池工作原理“抽象難懂”，僅 35% 能將原理應(yīng)用于分析鋰電池等實(shí)際問(wèn)題。如何通過(guò)信息技術(shù)將微觀過(guò)程可視化、復(fù)雜變量結(jié)構(gòu)化，成為突破教學(xué)瓶頸的關(guān)鍵。

2.教學(xué)過(guò)程

（1）情境創(chuàng)設(shè)與模型引入

教師借助多媒體手段向?qū)W生展示一系列常見(jiàn)的電池圖片與視頻，如生活中常見(jiàn)的干電池、廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的鋰電池，以及環(huán)保且可持續(xù)的太陽(yáng)能電池等。學(xué)生使用“ChemAR”App掃描干電池、鋰電池實(shí)物，觸發(fā)三維模型動(dòng)態(tài)拆解，直觀觀察電極材料（如干電池的鋅筒負(fù)極、碳棒正極）與電解質(zhì)分布4。教師通過(guò)這些直觀的展示，自然地引出原電池的概念。隨后運(yùn)用專(zhuān)業(yè)的化學(xué)模擬軟件生動(dòng)形象地模擬原電池的工作過(guò)程。軟件畫(huà)面中清晰地呈現(xiàn)電子從負(fù)極流出，經(jīng)過(guò)導(dǎo)線流向正極的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程，同時(shí)展現(xiàn)氣泡的產(chǎn)生、金屬的溶解等電極表面發(fā)生的氧化還原反應(yīng)現(xiàn)象。幫助學(xué)生初步構(gòu)建原電池的模型框架，在腦海中形成對(duì)原電池工作過(guò)程的初步認(rèn)知。

（2）虛擬實(shí)驗(yàn)探究與模型深化

學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，利用化學(xué)模擬軟件展開(kāi)虛擬實(shí)驗(yàn)探究。學(xué)生能夠自主改變?cè)姵氐年P(guān)鍵條件，如更換不同的電極材料（如鋅、銅、鐵等），以及選用不同成分的電解質(zhì)溶液（如硫酸溶液、硫酸銅溶液等）[5]。固定電解質(zhì)為稀硫酸，依次測(cè)試 Z_n-Cu 、Fe-C、Al-C等電極組合的電流強(qiáng)度（數(shù)據(jù)儀表盤(pán)實(shí)時(shí)顯示： Z_n-Cu 組 2.3A 、Fe-C組1.8A、Al-C組2.7A），結(jié)合電極電勢(shì)差理論，歸納“電極活性差越大，電流強(qiáng)度越高”的模型規(guī)律。在改變條件后仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象隨之產(chǎn)生的變化，如電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)幅度、電極表面的反應(yīng)劇烈程度等。教師可以嘗試用Mg-石墨電極搭配酒精溶液組成原電池，觀察到電流始終為0，反向驗(yàn)證“電解質(zhì)需含自由移動(dòng)離子”的模型必要條件。在此過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，從數(shù)據(jù)中總結(jié)出原電池的構(gòu)成條件，如電極材料的活性差異、電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性能等；明確電極反應(yīng)類(lèi)型，區(qū)分氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別發(fā)生的電極；梳理能量轉(zhuǎn)化規(guī)律，理解化學(xué)能如何高效地轉(zhuǎn)化為電能。

（3）在線協(xié)作與模型應(yīng)用

學(xué)生按照一定的分組方式，在在線協(xié)作平臺(tái)上展開(kāi)關(guān)于原電池實(shí)際應(yīng)用的討論。各小組的任務(wù)包括設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可行的原電池裝置，從電極材料的選擇、電解質(zhì)溶液的配置，到電路的連接方式等都要進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃；分析常見(jiàn)電池在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，如鋰電池具有高能量密度但存在安全性問(wèn)題、干電池方便攜帶但續(xù)航能力有限等。小組圍繞“鋰電池工作原理”“氫氧燃料電池環(huán)保性”等主題繪制思維導(dǎo)圖，嵌人虛擬實(shí)驗(yàn)中的電壓數(shù)據(jù)（如鋰電池電壓3.7V源于 Li⁺ 遷移效率）、能量轉(zhuǎn)化圖表（氫氧燃料電池效率 80% 以上），并鏈接生活案例（如手機(jī)電池續(xù)航衰減原因分析）。每個(gè)小組將精心設(shè)計(jì)的方案和全面深入的分析結(jié)果上傳至平臺(tái)。其他小組則針對(duì)該內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)和反饋，并提出建設(shè)性的意見(jiàn)和建議。最后，教師組織學(xué)生對(duì)各小組的成果進(jìn)行全面總結(jié)和客觀評(píng)價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生將所構(gòu)建的原電池模型靈活運(yùn)用到實(shí)際問(wèn)題的解決中，切實(shí)提高學(xué)生運(yùn)用模型解決實(shí)際化學(xué)問(wèn)題的能力，讓學(xué)生深刻體會(huì)到化學(xué)知識(shí)的實(shí)用性和價(jià)值。

3.教學(xué)效果

通過(guò)將信息技術(shù)深度應(yīng)用于“化學(xué)能與電能”的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)于原電池和電解池的模型認(rèn)知有了顯著提升。學(xué)生能夠更加透徹地理解原電池和電解池復(fù)雜的工作原理，從微觀層面清晰把握能量轉(zhuǎn)化機(jī)制等抽象知識(shí)。學(xué)生能用“電極電勢(shì)差-離子遷移-能量轉(zhuǎn)化”原理（如 Zn²⁺ 泄漏對(duì)土壤的危害）。在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠熟練且靈活地運(yùn)用所構(gòu)建的模型展開(kāi)深入探究與細(xì)致分析，展現(xiàn)出較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)和探索能力。同時(shí)，學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的模型知識(shí)成功遷移并應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題場(chǎng)景中，有效解決相關(guān)的化學(xué)問(wèn)題，真正做到學(xué)以致用。同時(shí)，在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生的科學(xué)思維能力得到了鍛煉，能夠從不同角度思考和分析問(wèn)題；合作交流能力得到培養(yǎng)，在小組協(xié)作和平臺(tái)互動(dòng)中提升溝通與協(xié)作技巧；創(chuàng)新意識(shí)也得到激發(fā)，在設(shè)計(jì)原電池裝置和分析電池優(yōu)缺點(diǎn)等任務(wù)中不斷提出新穎的想法和獨(dú)特的見(jiàn)解。

（二）“有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”課程教學(xué)

1.課前引導(dǎo)

在“有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”課程教學(xué)中，教師利用VR技術(shù)構(gòu)建了沉浸式的有機(jī)分子微觀世界場(chǎng)景。學(xué)生佩戴高分辨率VR設(shè)備后仿佛置身于分子級(jí)別的實(shí)驗(yàn)室，能夠以納米級(jí)視角近距離觀察甲烷的正四面體、乙烯的平面結(jié)構(gòu)、苯的共軛大 π 鍵等經(jīng)典有機(jī)化合物的分子構(gòu)型。學(xué)生通過(guò)手勢(shì)識(shí)別交互系統(tǒng)可隨意旋轉(zhuǎn)、放大分子模型，清晰捕捉C-H鍵的空間取向、官能團(tuán)的立體效應(yīng)，甚至能夠觀察到范德華力作用下分子間的微弱相互作用。系統(tǒng)還引入了量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果可視化功能，以彩色云圖形式呈現(xiàn)分子軌道能級(jí)分布，幫助學(xué)生直觀理解電子云分布與化學(xué)鍵本質(zhì)。例如，在乙炔分子觀察中，學(xué)生能看到 π 鍵電子云在碳碳三鍵兩側(cè)形成對(duì)稱(chēng)分布的啞鈴狀結(jié)構(gòu)，這種可視化呈現(xiàn)有效突破了傳統(tǒng)二維圖示難以傳達(dá)的立體化學(xué)概念。

2.課堂教學(xué)

為深化對(duì)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的理解，教師運(yùn)用高精度仿真模擬軟件，以慢動(dòng)作、多視角的方式動(dòng)態(tài)展示乙醇催化氧化反應(yīng)中化學(xué)鍵的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程：首先，銅催化劑表面的活性位點(diǎn)吸引乙醇分子，使得 α∝-H 與羥基上的H逐漸遠(yuǎn)離，C-O鍵與O-H鍵開(kāi)始松弛；隨著反應(yīng)進(jìn)程推進(jìn)化學(xué)鍵發(fā)生斷裂重組，乙醛分子的 C=0 雙鍵逐步形成，水分子脫離的全過(guò)程被清晰呈現(xiàn)。學(xué)生通過(guò)反復(fù)觀摩、暫停解析直觀感受到反應(yīng)中電子云的遷移規(guī)律與空間位阻的影響機(jī)制。在模擬過(guò)程中，系統(tǒng)能夠同步顯示反應(yīng)焓變曲線與過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，以幫助學(xué)生建立熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的綜合認(rèn)知。例如，當(dāng)模擬溫度參數(shù)調(diào)整時(shí)，學(xué)生能實(shí)時(shí)觀察到反應(yīng)速率的變化，結(jié)合Arrhenius方程理解活化能對(duì)反應(yīng)進(jìn)程的調(diào)控作用。

在深度觀察的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合教材理論知識(shí)，利用思維導(dǎo)圖工具自主構(gòu)建有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系模型。從“官能團(tuán)決定化學(xué)性質(zhì)”的核心理論出發(fā)，逐步延伸出電子效應(yīng)、空間效應(yīng)等影響因素，將抽象的化學(xué)規(guī)律轉(zhuǎn)化為可視化的邏輯框架。各學(xué)習(xí)小組通過(guò)線上協(xié)作平臺(tái)開(kāi)展討論，借助實(shí)時(shí)批注、模型對(duì)比等功能完善模型細(xì)節(jié)，最終形成兼具共性規(guī)律與個(gè)性特征的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。部分小組還創(chuàng)新性地將思維導(dǎo)圖與分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果相結(jié)合。例如，在分析鹵代烴親核取代反應(yīng)時(shí)，通過(guò)模擬不同溶劑環(huán)境下的反應(yīng)路徑，補(bǔ)充溶劑化效應(yīng)、離子對(duì)中間體等細(xì)節(jié)使模型更具實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。教師通過(guò)平臺(tái)后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控各小組的討論進(jìn)程，及時(shí)推送文獻(xiàn)案例和引導(dǎo)性問(wèn)題，從而促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

3.課后拓展

在課后環(huán)節(jié)，學(xué)生依托人工智能學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行分層練習(xí)。平臺(tái)通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法精準(zhǔn)分析學(xué)生在有機(jī)結(jié)構(gòu)推斷、反應(yīng)機(jī)理書(shū)寫(xiě)等題型中的薄弱點(diǎn)，并針對(duì)性地推送反應(yīng)實(shí)例解析視頻、3D分子互動(dòng)練習(xí)、文獻(xiàn)拓展閱讀等資源。例如，針對(duì)空間構(gòu)型認(rèn)知模糊的學(xué)生，系統(tǒng)會(huì)推送螺旋烷烴等復(fù)雜分子的動(dòng)態(tài)拆解視頻；針對(duì)反應(yīng)機(jī)理理解不足的學(xué)生，系統(tǒng)可提供同位素標(biāo)記法追蹤反應(yīng)路徑的虛擬實(shí)驗(yàn)。平臺(tái)還引入了虛擬實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成功能。學(xué)生完成虛擬實(shí)驗(yàn)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)匯總實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)分析結(jié)果和誤差討論，并生成規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告框架，以塑造學(xué)生科學(xué)探究的完整思維鏈條。同時(shí)，智能推薦系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)生的練習(xí)進(jìn)度和知識(shí)掌握情況，推送諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)中有機(jī)化學(xué)相關(guān)成果的科普視頻，如2021年不對(duì)稱(chēng)有機(jī)催化的研究進(jìn)展，以激發(fā)學(xué)生的科研興趣。

4.教學(xué)效果

一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐數(shù)據(jù)顯示，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在有機(jī)化學(xué)單元測(cè)試中涉及分子結(jié)構(gòu)分析、反應(yīng)機(jī)理推導(dǎo)的題目正確率較對(duì)照班提升 27% ；在模型構(gòu)建能力測(cè)評(píng)中能夠獨(dú)立完成復(fù)雜有機(jī)分子結(jié)構(gòu)解析的學(xué)生比例從 35% 提升至 72% 。課堂觀察與問(wèn)卷調(diào)查表明， 91% 的學(xué)生表示，VR與AI技術(shù)顯著提升了化學(xué)學(xué)習(xí)的趣味性； 83% 的學(xué)生主動(dòng)參與課外有機(jī)化學(xué)拓展學(xué)習(xí)。后續(xù)追蹤發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在高考選考有機(jī)化學(xué)模塊中，涉及空間結(jié)構(gòu)分析和反應(yīng)機(jī)理創(chuàng)新題型的得分率高出全市平均水平 15% 。這些數(shù)據(jù)均印證了信息技術(shù)在培養(yǎng)模型認(rèn)知能力方面的長(zhǎng)效性。

四、結(jié)束語(yǔ)

信息技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中為學(xué)生模型認(rèn)知能力的培養(yǎng)提供了全新路徑。通過(guò)多媒體資源、虛擬實(shí)驗(yàn)、互動(dòng)平臺(tái)和情境化教學(xué)，學(xué)生能夠更直觀地理解化學(xué)模型，提升科學(xué)思維與實(shí)踐能力。然而，技術(shù)的應(yīng)用需與教學(xué)目標(biāo)深度融合，避免形式化傾向。教師也需要不斷探索和創(chuàng)新教學(xué)方法，充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)注重與傳統(tǒng)教學(xué)手段的有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更好的教學(xué)效果。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，信息技術(shù)將在化學(xué)教學(xué)中發(fā)揮更大作用，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供有力支撐。

作者單位：黃新福建省南平第一中學(xué)

參考文獻(xiàn)

[1]王成槐.高中信息技術(shù)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的策略[J].學(xué)周刊，2025（12）：131-133.

[2]賈志寶.信息技術(shù)在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)新通信 ，2025，27（4）：221-223+226. （20號(hào)

[3]趙霞.現(xiàn)代信息技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用探究[J].中國(guó)科技經(jīng)濟(jì)新聞數(shù)據(jù)庫(kù)教育，2025（1）：097-100.

[4]黃永祥.信息化技術(shù)在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用[J].中國(guó)科技經(jīng)濟(jì)新聞數(shù)據(jù)庫(kù)教育，2025（5）：209-212.

[5]張?jiān)骑w.多媒體信息技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2025（S1）：107-108.