信息技術(shù)與化學(xué)課堂的整合策略

一、引言

傳統(tǒng)化學(xué)課堂常受限于抽象概念表述與實(shí)驗(yàn)條件不足，學(xué)生難以直觀理解微觀粒子運(yùn)動(dòng)，無(wú)法體驗(yàn)完整的探究過(guò)程。隨著教育信息化的發(fā)展，三維建模、虛擬實(shí)驗(yàn)等技術(shù)為化學(xué)教學(xué)注人了新的活力。例如，動(dòng)態(tài)晶胞模型使金剛石結(jié)構(gòu)可視化，云端平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)跨校數(shù)據(jù)共享，AR技術(shù)能夠?qū)⒔饘倩顒?dòng)性教學(xué)轉(zhuǎn)化為互動(dòng)游戲式教學(xué)等，從而為初中化學(xué)教學(xué)效率的提升創(chuàng)造了條件]。本文探討信息技術(shù)在優(yōu)化初中化學(xué)教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)、驅(qū)動(dòng)個(gè)性化教學(xué)，以及構(gòu)建協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)踐路徑，并通過(guò)真實(shí)案例分析基于信息技術(shù)的課堂模式革新，為化學(xué)教學(xué)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型與創(chuàng)新提供參考。

二、信息技術(shù)與化學(xué)課堂教學(xué)的整合意義

（一）信息技術(shù)讓化學(xué)課堂煥發(fā)新活力

在科技飛速發(fā)展的背景下，信息技術(shù)為化學(xué)課堂教學(xué)帶來(lái)了革命性的改變。在傳統(tǒng)課堂中，學(xué)生常常對(duì)著課本上的分子式發(fā)呆，面對(duì)抽象的原子結(jié)構(gòu)一籌莫展。而信息技術(shù)的融入，讓這些難題迎刃而解。

例如，教師運(yùn)用三維動(dòng)畫(huà)展示水分子的“V”形結(jié)構(gòu)時(shí)，學(xué)生可以通過(guò)屏幕旋轉(zhuǎn)模型，觀察氧原子與兩個(gè)氫原子之間的微妙角度變化。這種動(dòng)態(tài)演示遠(yuǎn)比課本上的平面示意圖更具沖擊力，原本抽象的分子世界頓時(shí)變得觸手可及。再如，在酸堿中和反應(yīng)課堂上，教師可以調(diào)取火山噴發(fā)的實(shí)景視頻。這種虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式，讓化學(xué)反應(yīng)原理不再停留在方程式層面。同時(shí)，通過(guò)教學(xué)軟件即時(shí)生成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，學(xué)生能像科研人員一樣分析反應(yīng)進(jìn)程。這種“沉浸式學(xué)習(xí)”體驗(yàn)極大激發(fā)了他們的探究欲。

（二）豐富教學(xué)資源，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程

信息技術(shù)就像一把萬(wàn)能鑰匙，為化學(xué)課堂打開(kāi)了豐富的資源寶庫(kù)。當(dāng)傳統(tǒng)教學(xué)受限于課本插圖與實(shí)驗(yàn)室器材時(shí)，云端資源庫(kù)里的微課視頻、動(dòng)態(tài)元素周期表、化學(xué)反應(yīng)慢鏡頭等，讓枯燥的化學(xué)知識(shí)以鮮活的方式躍入學(xué)生視野。信息技術(shù)還讓教師的備課不再局限于紙質(zhì)材料與教參。教師可以通過(guò)教育云平臺(tái)迅速調(diào)取金屬腐蝕的延時(shí)攝影、合金冶煉的工廠實(shí)錄，以及諾貝爾獎(jiǎng)得主的實(shí)驗(yàn)演示。這些立體化的資源不但能在一定程度上豐富化學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，也能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生深入學(xué)習(xí)，獲取新知。例如，在“常見(jiàn)金屬的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可以利用虛擬的實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，讓學(xué)生在不具備實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件的情況下也能真實(shí)地、直觀地觀察實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，并準(zhǔn)確地通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)分析過(guò)程、發(fā)現(xiàn)知識(shí)、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從而掌握實(shí)驗(yàn)技能，提高學(xué)習(xí)效率。

（三）培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力

信息技術(shù)與化學(xué)課堂的整合，能夠在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)解決學(xué)習(xí)難題、搜索學(xué)習(xí)資源等方面的技巧與方法，從而培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。當(dāng)學(xué)生被“為什么金離子能輕松搶走電子，而鉀離子卻總在‘慷慨解囊’”這類(lèi)問(wèn)題難住時(shí)，信息技術(shù)便化身為隨叫隨到的化學(xué)導(dǎo)師。學(xué)生只要點(diǎn)開(kāi)教學(xué)平臺(tái)上的動(dòng)態(tài)元素周期表，發(fā)現(xiàn)金原子像守財(cái)奴般緊抓電子，而鉀原子則是電子界的“散財(cái)童子”。再通過(guò)3D模型觀察兩者的電子層差異，便使原本晦澀的氧化性概念變得易于理解。由此可見(jiàn)，信息技術(shù)有助于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

三、信息技術(shù)在化學(xué)課堂中的具體應(yīng)用

（一）可視化技術(shù)呈現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)

在教學(xué)中，教師可以使用動(dòng)態(tài)晶胞模型展示碳的兩種同素異形體，讓學(xué)生通過(guò)3D建模軟件旋轉(zhuǎn)觀察石墨的層狀結(jié)構(gòu)和金剛石的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。學(xué)生在平板電腦上用手指縮放甲烷分子模型，軟件會(huì)實(shí)時(shí)顯示鍵長(zhǎng)、鍵角等參數(shù)變化。這種直觀操作能幫助學(xué)生更好地理解抽象的雜化軌道理論，使原本復(fù)雜的空間構(gòu)型變得清晰可辨。另外，備課系統(tǒng)還整合了大量數(shù)字資源，如當(dāng)教師輸入“電鍍?cè)怼睍r(shí)，可快速獲取實(shí)驗(yàn)視頻、工業(yè)流程動(dòng)畫(huà)和習(xí)題庫(kù)。教師能靈活組合素材制作課件，如將鍍鋅鐵片腐蝕對(duì)比實(shí)驗(yàn)與電子遷移動(dòng)態(tài)圖結(jié)合，能讓學(xué)生直觀比較不同金屬的防護(hù)效果，提高學(xué)習(xí)效率。

（二）云端平臺(tái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)互動(dòng)

在溶液酸堿度教學(xué)中，學(xué)生可以用智能設(shè)備檢測(cè)液體的 pH 值，數(shù)據(jù)自動(dòng)匯總生成酸堿度分布圖。教師只要選取典型數(shù)據(jù)就能設(shè)計(jì)課堂例題，如利用某位同學(xué)檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)后汗液 pH 值5.3與食醋的 pH 值進(jìn)行對(duì)比分析等。這種由真實(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)，讓理論知識(shí)與生活實(shí)際緊密結(jié)合，有助于深化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。此外，在信息時(shí)代，跨區(qū)域教學(xué)協(xié)作成為新常態(tài)。山區(qū)學(xué)生拍攝的雨水凈化過(guò)程視頻，能與城市學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)在云端同步整合。通過(guò)遠(yuǎn)程操作平臺(tái)，學(xué)生還能控制異地實(shí)驗(yàn)室的智能設(shè)備進(jìn)行溶液配制、實(shí)時(shí)觀察電子天平讀數(shù)變化等。這能夠極大地方便學(xué)生的學(xué)習(xí)。

（三）虛擬仿真保障實(shí)驗(yàn)安全

在信息技術(shù)的支持下，在金屬鈉與水反應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以自由調(diào)節(jié)鈉塊的質(zhì)量、水溫等參數(shù)。當(dāng)操作超出安全范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)暫停實(shí)驗(yàn)并彈出標(biāo)準(zhǔn)操作指南視頻。學(xué)生可通過(guò)慢放功能觀察反應(yīng)細(xì)節(jié)，并能清晰看到鈉熔化形成銀球、氫氣氣泡生成等關(guān)鍵現(xiàn)象。還有電解水虛擬實(shí)驗(yàn)支持學(xué)生在不同反應(yīng)條件下反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可自主調(diào)節(jié)電壓強(qiáng)度，系統(tǒng)即可即時(shí)生成氣體體積變化曲線。當(dāng)氣體比例偏離理論值時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)提示考慮氣體溶解度的溫度影響。此外，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可以提供標(biāo)準(zhǔn)化的操作評(píng)估，對(duì)電極安裝、溶液配制等步驟進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)。

很顯然，這些技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠解決傳統(tǒng)教學(xué)中的設(shè)備限制問(wèn)題，還可通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)的多次試錯(cuò)、云端數(shù)據(jù)的即時(shí)分析、微觀結(jié)構(gòu)的可視化觀察等，使學(xué)生逐步建立科學(xué)的思維方式，并培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。

四、信息技術(shù)與化學(xué)課堂的整合策略

（一）優(yōu)化內(nèi)容呈現(xiàn)

1.多媒體課件的巧妙運(yùn)用

在“碳單質(zhì)與氧氣反應(yīng)”課程教學(xué)時(shí)，教師可以運(yùn)用PPT動(dòng)畫(huà)功能分步展示反應(yīng)過(guò)程。課件可以設(shè)置三個(gè)可操作模塊：點(diǎn)擊碳原子模型觸發(fā)電子層變化動(dòng)畫(huà)，拖動(dòng)溫度調(diào)節(jié)條觀察燃燒速率差異，旋轉(zhuǎn)視角查看不同形態(tài)碳的燃燒特性對(duì)比，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的[2]。

例如，教師可利用ChemDraw軟件繪制分子結(jié)構(gòu)并嵌入課件，以便在教學(xué)時(shí)為學(xué)生進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示。當(dāng)講解完全燃燒與不完全燃燒時(shí)，教師可以讓學(xué)生通過(guò)觸控屏調(diào)節(jié)氧氣供給量，如氧氣充足時(shí)碳原子與氧分子1：1結(jié)合生成 CO₂ 的球棍模型；氧氣不足時(shí)則生成CO的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。課件也支持重點(diǎn)標(biāo)注功能，如用紅色閃爍提示關(guān)鍵化學(xué)鍵斷裂位置等，方便學(xué)生學(xué)習(xí)。在進(jìn)階應(yīng)用中，教師可接人實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)。在探究燃燒條件時(shí)，課件同步顯示酒精燈加熱區(qū)域的溫度變化曲線，當(dāng)溫度達(dá)到碳的燃點(diǎn)時(shí)自動(dòng)觸發(fā)燃燒。這種虛實(shí)結(jié)合的方式，能將抽象反應(yīng)條件轉(zhuǎn)化為可視化參數(shù)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)。

2.專(zhuān)業(yè)軟件強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)認(rèn)知

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，教師可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展探究式教學(xué)。以“二氧化碳制取”實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生可先在軟件中搭建三維實(shí)驗(yàn)裝置：通過(guò)拖拽分液漏斗調(diào)節(jié)鹽酸滴加速度，并選擇不同粒徑的大理石碎片。在此過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)顯示氣壓變化曲線。當(dāng)收集氣體超過(guò)集氣瓶容積時(shí)自動(dòng)觸發(fā)警示提示。此時(shí)，教師可調(diào)取學(xué)生的操作日志，針對(duì)常見(jiàn)問(wèn)題設(shè)計(jì)專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練。比如，教師在學(xué)生的操作日志中發(fā)現(xiàn)，有小部分學(xué)生未掌握驗(yàn)滿方法，這時(shí)候，教師便可利用系統(tǒng)向?qū)W生推送“燃著木條放置位置”的微課視頻。而對(duì)于學(xué)有余力者，軟件也會(huì)開(kāi)放拓展模塊，如對(duì)比實(shí)驗(yàn)室制法與工業(yè)煅燒石灰石的流程，通過(guò)能耗數(shù)據(jù)分析以引導(dǎo)學(xué)生理解綠色化學(xué)理念，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（二）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)個(gè)性化教學(xué)

在金屬活動(dòng)性順序探究實(shí)驗(yàn)中，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)會(huì)全程記錄學(xué)生的操作數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能夠精確統(tǒng)計(jì)每位學(xué)生完成“金屬與酸反應(yīng)”模塊的用時(shí)、錯(cuò)誤操作次數(shù)、參數(shù)調(diào)節(jié)頻率等多項(xiàng)指標(biāo)。教師端可以實(shí)時(shí)生成可視化學(xué)情表：用熱力地圖呈現(xiàn)班級(jí)對(duì)“金屬置換反應(yīng)條件”的理解盲區(qū)，發(fā)現(xiàn)有將近半數(shù)的學(xué)生混淆了濃度對(duì)反應(yīng)速率與產(chǎn)物類(lèi)型的影響。

基于此，教師可以實(shí)施三級(jí)分組指導(dǎo)，如對(duì)于學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)、操作熟練的學(xué)生，教師可為其開(kāi)啟進(jìn)階性任務(wù)：讓學(xué)生通過(guò)虛擬傳感器采集鎂與稀硫酸反應(yīng)的溫度、氣壓數(shù)據(jù)，計(jì)算反應(yīng)速率公式 ΔV/Δt ，并探究表面積對(duì)反應(yīng)進(jìn)程的影響規(guī)律；對(duì)于中間層學(xué)生，教師可以在“鐵與硫酸銅反應(yīng)”環(huán)節(jié)，讓系統(tǒng)自動(dòng)插入分步操作提示動(dòng)畫(huà)，為學(xué)生重點(diǎn)演示如何用電子天平稱量反應(yīng)前后的質(zhì)量差；對(duì)于學(xué)困組學(xué)生，可以觸發(fā)補(bǔ)救方案：為學(xué)生推送“金屬活動(dòng)性階梯”AR模型。學(xué)生可以用手機(jī)掃描課本插圖，即可查看金屬失去電子的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并通過(guò)將金屬塊拖拽到虛擬酸液中觀察是否產(chǎn)生氣泡。

事實(shí)證明，在“溶液導(dǎo)電性”教學(xué)中，智能診斷系統(tǒng)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當(dāng)某生在連續(xù)三次測(cè)試中誤判蔗糖溶液為導(dǎo)體，平臺(tái)即會(huì)立即啟動(dòng)干預(yù)機(jī)制：第一階段推送對(duì)比實(shí)驗(yàn)視頻：展示 0.1mol/LNaCl 溶液使燈泡發(fā)亮，而同濃度蔗糖溶液會(huì)使燈泡保持熄滅；第二階段解鎖離子遷移模擬器：學(xué)生手動(dòng)拖動(dòng) Na+ 和Cl-通過(guò)虛擬溶液，觀察導(dǎo)電率隨離子濃度變化的實(shí)時(shí)曲線；第三階段開(kāi)啟診斷測(cè)驗(yàn)：用交互式流程圖辨析“電解質(zhì)-電離－導(dǎo)電”的邏輯關(guān)系，錯(cuò)誤選項(xiàng)自動(dòng)關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)微課片段等。

教師可通過(guò)云端平臺(tái)設(shè)置能力進(jìn)階關(guān)卡。以“酸堿中和”為例，學(xué)生需依次完成如下關(guān)卡：1.基礎(chǔ)關(guān)：觀看中和反應(yīng)可視化演示；2.實(shí)驗(yàn)關(guān)：在虛擬實(shí)驗(yàn)室，用pH傳感器完成滴定操作；3.拓展關(guān)：分析胃藥中氫氧化鋁含量的真實(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

學(xué)生每通過(guò)一關(guān)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)解鎖新權(quán)限，如掌握中和熱計(jì)算后可訪問(wèn)工業(yè)廢水處理仿真系統(tǒng)等。平臺(tái)累計(jì)數(shù)據(jù)顯示，采用該模式后，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力有了很大的提升，對(duì)原理的理解水平和遷移應(yīng)用能力也有了相應(yīng)的提高。

（三）構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)協(xié)作式教學(xué)

1.跨區(qū)域?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)共享

在“溶液的濃度”教學(xué)中，教師可以依托國(guó)家中小學(xué)智慧教育平臺(tái)發(fā)起“中國(guó)甜度地圖”項(xiàng)目。讓各地學(xué)生用糖度計(jì)檢測(cè)本地常見(jiàn)的飲品，如北京組測(cè)量北冰洋汽水（含糖量 9.6g/100mL ），海南組測(cè)試椰子水（含糖量 4.2g/100m ）等。學(xué)生將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳即可生成可視化分布圖。通過(guò)對(duì)比分析，學(xué)生可以自主發(fā)現(xiàn)“含糖量與地域飲食習(xí)慣”的關(guān)聯(lián)性，從而將溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算融入真實(shí)情境。

在“粗鹽提純”跨校協(xié)作中，山區(qū)學(xué)生上傳自己用紗布制作的過(guò)濾裝置視頻，城市學(xué)生回傳實(shí)驗(yàn)室精密過(guò)濾數(shù)據(jù)。云端平臺(tái)會(huì)自動(dòng)生成對(duì)比報(bào)告。在此過(guò)程中，教師可引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。最終，兩地學(xué)生合作開(kāi)發(fā)“竹炭 + 棉布”的簡(jiǎn)易高效過(guò)濾法。這種方法不但能使雜質(zhì)率降低，也有助于提升學(xué)生的動(dòng)手能力。

2.實(shí)時(shí)互動(dòng)式實(shí)驗(yàn)診斷

在教學(xué)過(guò)程中，教師可以借助ClassIn虛擬教室開(kāi)展“酸堿鹽”專(zhuān)題教學(xué)。當(dāng)講解中和反應(yīng)時(shí)，教師可以發(fā)起實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)：三組學(xué)生分別操控虛擬滴定管，如A組用鹽酸滴定 ΔNaOH ，B組用醋酸滴定 Ca（OH）₂ ，C組用硫酸滴定氨水。大屏同步顯示三組的pH變化曲線：當(dāng)C組曲線出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)，教師立即凍結(jié)畫(huà)面，并用激光筆標(biāo)注突躍點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)弱電解質(zhì)對(duì)滴定終點(diǎn)的影響，從而促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)。

3.社會(huì)化學(xué)習(xí)社區(qū)建設(shè)

教師在教學(xué)時(shí)可以圍繞“碳中和”課題，在智慧樹(shù)平臺(tái)創(chuàng)建專(zhuān)題社區(qū)。如在“燃料及其利用”這一單元教學(xué)中，教師可以讓學(xué)生分組完成如下課題：調(diào)查組用問(wèn)卷星收集家庭燃料使用數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)組通過(guò)虛擬燃燒室模擬不同燃料的 CO₂ 排放量；研發(fā)組設(shè)計(jì)生物質(zhì)燃料制備方案。這種方式能夠通過(guò)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)生活的有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用意識(shí)和能力，從而進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

五、結(jié)束語(yǔ)

總之，信息技術(shù)與化學(xué)課堂的整合已從工具輔助邁向深度重構(gòu)。例如，微觀結(jié)構(gòu)的可視化呈現(xiàn)能夠化解學(xué)生的認(rèn)知難點(diǎn)，虛擬實(shí)驗(yàn)的安全試錯(cuò)有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，云端協(xié)作網(wǎng)絡(luò)能夠拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)邊界，從而使學(xué)生的學(xué)習(xí)效率得到顯著提升。未來(lái)，隨著AI與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度應(yīng)用，化學(xué)課堂將進(jìn)一步走向“虛實(shí)共生”，如通過(guò)智能手環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)，或借助元宇宙平臺(tái)開(kāi)展分子結(jié)構(gòu)協(xié)同建模，從而為提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)能力、提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)創(chuàng)造有利的條件。

作者單位：周世強(qiáng)甘肅省定西市臨洮縣程家鋪初級(jí)中學(xué)

參考文獻(xiàn)

[1]趙妍，任紅艷.近10年《化學(xué)教育》有關(guān)信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的文獻(xiàn)分析[J].化學(xué)教育（中英文），2017，38（23）：43-46.

[2]王曉東，郭能，錢(qián)琬燕.信息技術(shù)與中學(xué)化學(xué)課堂教學(xué)整合策略的案例研究[J].課程教育研究，2018，（19）：149.