借助信息技術(shù)提高化學(xué)課堂學(xué)生參與度的實(shí)踐研究

梅芳 周業(yè)虹

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出了“鼓勵(lì)教師運(yùn)用信息技術(shù)提高課堂教學(xué)效率和質(zhì)量，強(qiáng)化信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的深度融合，促進(jìn)教師教學(xué)方式和學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變”的建議。信息技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)化學(xué)教學(xué)改革與創(chuàng)新產(chǎn)生了重大的推動(dòng)作用[1]。信息技術(shù)的應(yīng)用使高中化學(xué)教學(xué)更加多元化，為學(xué)生帶來(lái)更加豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有助于提高學(xué)生的課堂參與度，多維度強(qiáng)化教學(xué)效果。筆者以高中化學(xué)“電解原理的應(yīng)用”為例，從教學(xué)的不同維度，探討如何利用信息技術(shù)提高學(xué)生課堂參與度。

一、科學(xué)應(yīng)用信息技術(shù)，設(shè)計(jì)教學(xué)流程

教師充分發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有助于在課堂上開(kāi)展旨在提高學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的教學(xué)，為學(xué)生呈現(xiàn)化學(xué)的豐富內(nèi)涵，讓學(xué)生更加積極地參與到化學(xué)課堂活動(dòng)中，發(fā)揮學(xué)生的主體作用，引導(dǎo)他們自主建構(gòu)思維模型并應(yīng)用模型解決實(shí)際問(wèn)題，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。化學(xué)教師在教學(xué)中應(yīng)用信息技術(shù)，將改變傳統(tǒng)教學(xué)模式、學(xué)生學(xué)習(xí)模式、化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)形式，以及師生、生生互動(dòng)方式。教師在講解電解原理時(shí)要注重模型的構(gòu)建和應(yīng)用，但模型的構(gòu)建過(guò)程比較抽象，且模型應(yīng)用情境復(fù)雜多變，這對(duì)學(xué)生的思維能力提出了較高要求。為此，教師嘗試?yán)枚喾N技術(shù)手段豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提高參與度，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，進(jìn)而多維度提高教學(xué)效率。筆者將結(jié)合信息技術(shù)在“電解原理的應(yīng)用”教學(xué)中的應(yīng)用情況，多視角、多維度說(shuō)明科學(xué)應(yīng)用信息技術(shù)提高學(xué)生課堂參與度的必要性和可行性?；谶@些理論和設(shè)想，筆者設(shè)計(jì)了融合信息技術(shù)的“電解原理的應(yīng)用”教學(xué)流程（如圖1）。

二、創(chuàng)設(shè)有效的問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)問(wèn)題情境教學(xué)，有助于培育學(xué)生科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任感，信息技術(shù)的融入可提供多樣化的視頻動(dòng)態(tài)情境[2]，比單純的教師講授更加生動(dòng)。學(xué)生接受數(shù)字化視聽(tīng)刺激，學(xué)習(xí)興趣變濃，學(xué)科核心素養(yǎng)得以提高?！半娊庠淼膽?yīng)用”是《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020年修訂）》中“化學(xué)反應(yīng)與能量”主題下的內(nèi)容，其教學(xué)目標(biāo)是幫助學(xué)生深入了解化學(xué)在物質(zhì)轉(zhuǎn)化方面功能，建立能量轉(zhuǎn)化觀念，認(rèn)識(shí)化學(xué)在能量轉(zhuǎn)化方面的價(jià)值，以及電化學(xué)對(duì)人類(lèi)社會(huì)的重要作用。

在“化學(xué)反應(yīng)與能量”教學(xué)中，教師在引入環(huán)節(jié)選用了戴維電解法發(fā)現(xiàn)金屬和中國(guó)第一個(gè)電化廠兩個(gè)素材。教師利用第一個(gè)素材，強(qiáng)化學(xué)生關(guān)聯(lián)氧化還原原理分析電化學(xué)微觀放電順序的思維路徑，讓學(xué)生感受電解作為特殊的氧化還原手段的獨(dú)特功能和價(jià)值，同時(shí)學(xué)習(xí)科學(xué)家的科學(xué)探究精神。教師利用第二個(gè)素材（中國(guó)第一個(gè)電化學(xué)工廠——天原電化廠的歷史），讓學(xué)生感受我國(guó)化學(xué)家的責(zé)任和擔(dān)當(dāng)（如圖2），激發(fā)學(xué)生的民族自信心和自豪感。這兩個(gè)素材在后續(xù)的教學(xué)中則作為真實(shí)的問(wèn)題情境使用。教師提出問(wèn)題：“為什么制備金屬鈉等需要電解法冶煉？冶煉金屬鈉和氯堿工業(yè)都是以NaCl為原料，得到的產(chǎn)品有什么差別？”學(xué)生回顧分析電解池裝置的一般思路與方法，進(jìn)一步熟悉模型。教師帶領(lǐng)學(xué)生比較兩電解池差異，強(qiáng)化微粒觀，證明氧化還原與電解原理的相關(guān)性，進(jìn)一步完善知識(shí)體系，提高解決復(fù)雜電化學(xué)問(wèn)題的能力。

在教學(xué)過(guò)程中，筆者借助電鍍工廠生產(chǎn)過(guò)程視頻和粗銅精煉的視頻，創(chuàng)設(shè)復(fù)雜情境，引導(dǎo)學(xué)生基于實(shí)際電解裝置提出電解池一般模型，培養(yǎng)學(xué)生的逆向思維能力，讓他們加深對(duì)電化學(xué)模型的理解，明確應(yīng)用思路。真實(shí)情境的展現(xiàn)，增強(qiáng)了理論的可信度，有利于學(xué)生理解電解原理的應(yīng)用價(jià)值。學(xué)生覺(jué)得自己所學(xué)并非紙上談兵，實(shí)驗(yàn)熱情高漲，這有利于后續(xù)教學(xué)的展開(kāi)。

三、虛實(shí)結(jié)合開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高實(shí)驗(yàn)探究的有效性

實(shí)驗(yàn)探究是“電解原理的應(yīng)用”教學(xué)的重點(diǎn)且貫穿始終，教師只有充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)探究的功效，才能真正提高學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)探究并不僅僅是動(dòng)手操作那么簡(jiǎn)單。學(xué)生需要了解“原理分析→實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”等基本步驟并深度參與實(shí)踐。完整的實(shí)驗(yàn)探究對(duì)提高學(xué)生思維能力至關(guān)重要。在以往的教學(xué)中，受條件限制，往往是教師引導(dǎo)討論并給出實(shí)驗(yàn)方案，很難做到全員參與，難以讓每個(gè)學(xué)生充分表達(dá)想法，同時(shí)也無(wú)法診斷學(xué)生的思維情況。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師有時(shí)過(guò)于強(qiáng)調(diào)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。很多學(xué)生也僅僅照方抓藥，等著看現(xiàn)象，沒(méi)有自己的思考。一些學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中思維參與度都不高，他們的化學(xué)知識(shí)建構(gòu)有賴(lài)于教師后續(xù)不斷講解，甚至是死記實(shí)驗(yàn)結(jié)論來(lái)完成。如此，學(xué)生自然不能較好地理解、應(yīng)用知識(shí)，實(shí)驗(yàn)探究也失去了本來(lái)的意義。

為解決上述問(wèn)題，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值，筆者在氯堿工業(yè)、電鍍銅和粗銅精煉的實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)，均采用了虛擬實(shí)驗(yàn)與學(xué)生實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)策略。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為每個(gè)學(xué)生提供獨(dú)立的操作界面。每個(gè)學(xué)生是獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施個(gè)體，須獨(dú)立完成任務(wù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生只有充分調(diào)用已學(xué)電解池模型相關(guān)原理等知識(shí)，進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，才能完成任務(wù)。在這樣的技術(shù)環(huán)境和文化氛圍中，學(xué)生全員參與，積極思考，都希望自己設(shè)計(jì)的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。教師將虛擬實(shí)驗(yàn)融入教學(xué)中，大大提高了學(xué)生的思維參與程度。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是學(xué)生對(duì)原理進(jìn)行內(nèi)化的重要途徑，勝過(guò)教師千言萬(wàn)語(yǔ)講解，避免出現(xiàn)“別人想，我照做”的無(wú)效實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。筆者關(guān)注學(xué)生思維能力發(fā)展，課堂教學(xué)有效性得到大大提高。

虛擬實(shí)驗(yàn)與學(xué)生實(shí)驗(yàn)的結(jié)合的第一種方式：先實(shí)驗(yàn)，再通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)于氯堿工業(yè)裝置的改進(jìn)就是采取這一方式教學(xué)，學(xué)生先做實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著電解的進(jìn)行滴有酚酞溶液的試紙變紅的范圍越來(lái)越大，說(shuō)明OH-發(fā)生了遷移。學(xué)生討論后發(fā)現(xiàn)OH-的遷移會(huì)影響氯氣的產(chǎn)量和氫氧化鈉的純度，應(yīng)該避免?；趯?shí)驗(yàn)事實(shí)，學(xué)生以防止OH-的遷移至陽(yáng)極為改進(jìn)目標(biāo)，利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)裝置。這樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，目標(biāo)明確，降低了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的難度，在不拖堂的情況下，讓學(xué)生專(zhuān)注于解決關(guān)鍵問(wèn)題。這種方法適用于比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)體系的分析和改進(jìn)，也解決了大部分學(xué)校不具備學(xué)生進(jìn)行具膜電解條件的實(shí)際問(wèn)題。

虛擬實(shí)驗(yàn)與學(xué)生實(shí)驗(yàn)的結(jié)合的第二種方式：先設(shè)計(jì)再實(shí)施，例如粗銅精煉即是在教師完成理論設(shè)計(jì)，在班級(jí)內(nèi)分享設(shè)計(jì)思路，讓學(xué)生積極反思，討論并優(yōu)化設(shè)計(jì)思路后，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的。學(xué)生經(jīng)歷過(guò)完整設(shè)計(jì)過(guò)程，思維鏈條完整，原理充分內(nèi)化，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，對(duì)明確每步操作的目的非常明確，可以把控實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)，對(duì)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的各種問(wèn)題，也能及時(shí)提出改進(jìn)方案給予解決。這種方法適用于比較簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)體系。這樣教學(xué)也有利于提高學(xué)生的“證據(jù)推理”素養(yǎng)。

四、宏微結(jié)合、思維外顯，自主構(gòu)建模型

教師在課堂教學(xué)中，需注重模型構(gòu)建，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)觀察，推斷問(wèn)題成因，最終通過(guò)推理獲得知識(shí)產(chǎn)生，形成應(yīng)用化學(xué)知識(shí)解決化學(xué)問(wèn)題的能力[3]。原理較抽象，特別是電解原理，模型要素多。電解原理教學(xué)涉及氧化還原原理、電子和離子的動(dòng)態(tài)遷移、電極種類(lèi)判斷和離子交換膜分析等，思維容量較大。教師如果能在教學(xué)中采用一定的技術(shù)手段，化抽象為具體，將思維過(guò)程完整地外顯出來(lái)，可顯著降低學(xué)習(xí)難度，有利于學(xué)生理解和應(yīng)用原理，自主構(gòu)建模型。

本節(jié)課，在預(yù)習(xí)階段教師應(yīng)用具有拖曳功能的交互平臺(tái)引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)。這種模式操作簡(jiǎn)單，相較于傳統(tǒng)的單一圖示更加生動(dòng)。教師可以快速幫助學(xué)生梳理電解模型要素，讓學(xué)生通過(guò)拖曳觀察電解動(dòng)態(tài)過(guò)程。

每次實(shí)驗(yàn)后，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)會(huì)顯示電解的動(dòng)態(tài)過(guò)程，包括電極發(fā)生的化學(xué)變化、離子導(dǎo)體中離子的遷移情況、電子導(dǎo)體中電子的遷移情況以及對(duì)應(yīng)的宏觀現(xiàn)象。這樣一來(lái)，從設(shè)計(jì)到實(shí)施、從宏觀到微觀，學(xué)生實(shí)驗(yàn)形成完整、連續(xù)的閉環(huán)。整個(gè)思維構(gòu)成的外顯使得實(shí)驗(yàn)具有了可操作性，支持學(xué)生自主構(gòu)建知識(shí)和模型，而不是被動(dòng)接受。

此外，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上各物質(zhì)的性質(zhì)是貫通的，如在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)會(huì)按照當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)給出宏觀現(xiàn)象和微觀動(dòng)態(tài)演示，幫助學(xué)生快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，這是傳統(tǒng)討論式教學(xué)難以達(dá)成的。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不僅每個(gè)學(xué)生積極參與設(shè)計(jì)（如圖3），而且在動(dòng)畫(huà)演示時(shí)會(huì)跟著自己的認(rèn)知思路和節(jié)奏去觀看動(dòng)畫(huà)，充分消化吸收后再進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)頭腦中梳理各要素在電解過(guò)程中的變化原理。與教師用電子白板集中演示相比，新模式下學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中思考和參與更主動(dòng)，注意力更集中，思維投入度更高，所形成的感性認(rèn)識(shí)更加深刻，更容易上升為理性認(rèn)識(shí)[4][5]。

五、實(shí)施多元評(píng)價(jià)，實(shí)時(shí)反饋

課堂反饋是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)有效反饋，教師可以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的不足，隨時(shí)調(diào)整教學(xué)節(jié)奏和內(nèi)容，充分發(fā)揮教師的指導(dǎo)作用，高效教學(xué)。在傳統(tǒng)課堂上，教師通過(guò)回答問(wèn)題或課堂練習(xí)來(lái)了解學(xué)生情況，其實(shí)通過(guò)這種方式反饋的問(wèn)題往往不夠全面或不具有普遍性。

在不同的教學(xué)階段，筆者采用不同信息技術(shù)手段進(jìn)行評(píng)價(jià)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，學(xué)生使用的工具是虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程是全部外顯的，是過(guò)程型反饋非結(jié)果型反饋，這有利于教師全面發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。筆者觀察學(xué)生在虛擬平臺(tái)上的設(shè)計(jì)進(jìn)展情況，及時(shí)了解每個(gè)學(xué)生對(duì)電解模型的掌握及應(yīng)用情況，注意到不同的學(xué)生對(duì)模型中不同要素的理解、應(yīng)用程度是有偏差的，及時(shí)進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)，或在后續(xù)的集體點(diǎn)評(píng)中及時(shí)強(qiáng)化指導(dǎo)。

課堂上，教師可隨時(shí)采用問(wèn)卷評(píng)價(jià)形式，應(yīng)用信息技術(shù)平臺(tái)收集、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確量化分析學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，實(shí)施精準(zhǔn)教學(xué)。這種問(wèn)卷評(píng)價(jià)，快速準(zhǔn)確，大有裨益，不僅能提高學(xué)生的參與度，而且能幫助學(xué)生了解自身在班級(jí)中的水平。

當(dāng)然，數(shù)字化問(wèn)卷互動(dòng)不可能完全取代課堂問(wèn)答，特別是對(duì)于教師提出的層層遞進(jìn)的問(wèn)題，需要深度互動(dòng)，在推進(jìn)中解答。此外，需要學(xué)生準(zhǔn)確表達(dá)的問(wèn)題也不適合課堂問(wèn)卷，因?yàn)榇蜃直瓤谑雎?，且信息技術(shù)也很難做到準(zhǔn)確判定這類(lèi)表述型問(wèn)題。

整體來(lái)說(shuō)，信息技術(shù)的發(fā)展為課堂評(píng)價(jià)注入了新活力，如何更有效評(píng)價(jià)學(xué)生的思維發(fā)展程度，及時(shí)反饋，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)的多樣化、豐富化，是教師需要不斷探索的問(wèn)題。

六、借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)延伸化學(xué)課堂

思維模型的構(gòu)建是為了遷移應(yīng)用。課后，教師需為學(xué)生布置個(gè)性化的學(xué)習(xí)任務(wù)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)鞏固和遷移。教師用傳統(tǒng)方式布置練習(xí)作業(yè)，雖然也會(huì)選擇不同的電解池讓學(xué)生訓(xùn)練，但是因?yàn)殡娊獬氐脑砗碗娊膺^(guò)程被切割成一個(gè)個(gè)選項(xiàng)或填空，對(duì)學(xué)生的知識(shí)考查不夠完整，且學(xué)生的思維鏈條也是不完整、不連續(xù)的。因此，學(xué)生通過(guò)書(shū)面作業(yè)所能得到的提升非常有限。

本節(jié)課，筆者采用虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和練習(xí)相結(jié)合模式布置作業(yè)，讓學(xué)生開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)。筆者充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)素材豐富的優(yōu)點(diǎn)，突破客觀條件對(duì)實(shí)驗(yàn)探究的限制，課后布置了用電解法制備硫酸銅的任務(wù)，讓學(xué)生完成后上傳平臺(tái)進(jìn)行交流展示。筆者選擇這一體系讓學(xué)生操作，硫酸銅不能通過(guò)銅單質(zhì)與稀硫酸反應(yīng)直接得到，充分體現(xiàn)了電解方法的實(shí)用性。對(duì)于電解池的各要素，筆者均讓學(xué)生進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選擇，這些都是有意為之的。電極的選擇關(guān)系到銅的化合價(jià)的轉(zhuǎn)化。學(xué)生選擇離子導(dǎo)體，要保證物質(zhì)組成中硫酸根的供應(yīng)，更重要的是在整個(gè)裝置中要防止生成的銅離子再次在陰極放電，這涉及離子交換膜的選擇。學(xué)生要完成這些活動(dòng)，需要調(diào)動(dòng)課堂上所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用，這是課堂內(nèi)容的有效延伸，是對(duì)學(xué)生能力的深度訓(xùn)練和全面考查。

教師借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)活動(dòng)與作業(yè)，為學(xué)生創(chuàng)建了在新穎、復(fù)雜情境中運(yùn)用思維模型解決問(wèn)題的機(jī)會(huì)和開(kāi)放自主的探究空間。此外，學(xué)生的設(shè)計(jì)結(jié)果可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行交流，有利于學(xué)生在評(píng)價(jià)他人設(shè)計(jì)作品的過(guò)程中反思修正自己的設(shè)計(jì)，提高分析、解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

注：本文系國(guó)家新聞出版署出版融合發(fā)展（人教社）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)課題“信息化教學(xué)環(huán)境下基于虛擬實(shí)驗(yàn)的化學(xué)學(xué)科工具對(duì)學(xué)生科學(xué)能力提升的研究”（編號(hào)：RJA0121011）的研究成果。

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（作者梅芳系北京市第五十五中學(xué)教師；周業(yè)虹系人民教育出版社化學(xué)編輯室編審）

責(zé)任編輯：祝元志