周業(yè)虹 楊青

摘要：《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中明確提出要發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢，充分利用信息化教學資源，為學生創(chuàng)建線上線下、課上課下融合的“教、學、評一體化”的數(shù)字化學習環(huán)境。文章結(jié)合信息化教學相關(guān)的課題研究，針對高中化學中探究性實驗教學的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，圍繞實施中可能存在的問題和信息技術(shù)的應(yīng)用情況，在教師和學生中展開調(diào)研，以期通過調(diào)研了解高中化學探究性實驗教學對信息化資源和工具的具體需求，更精準地指導(dǎo)數(shù)字化教學資源的開發(fā)，為一線教學提供高效服務(wù)。

關(guān)鍵詞：高中化學;核心素養(yǎng);實驗探究;信息化資源。

文章編號：1008-0546（2022）03-0085-05???? 中圖分類號：G632.41???? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03.019

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標）提出了五個維度的學科核心素養(yǎng)，其中“科學探究與創(chuàng)新意識”從實踐層面激勵學生勇于創(chuàng)新，[1]強調(diào)學生應(yīng)借助已有的知識、原理、規(guī)律、方法對物質(zhì)及其變化進行探索，在獲得新知的同時建構(gòu)知識體系?；瘜W實驗是科學探究的重要途徑，如何引導(dǎo)教師在帶領(lǐng)學生進行探究性實驗的過程中，積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學實驗的深度融合，發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢，合理運用計算機模擬技術(shù)，達到落實并發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)的目的，真正實現(xiàn)“教、學、評”一體化呢？

正是基于此目的，我們圍繞高中化學探究性實驗的教學現(xiàn)狀及對相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用展開了調(diào)研，以期了解實施探究性實驗的過程中師生對信息技術(shù)的需求，探索在數(shù)字化資源工具的融合應(yīng)用中，更好地實現(xiàn)以學生為中心的自主、合作探究的教與學。

一、調(diào)研對象、內(nèi)容與方法

我們選擇具有一定信息化教學經(jīng)驗的化學教師及其所任教的學生為調(diào)研對象。調(diào)研內(nèi)容包括探究性實驗教學的實際情況、面臨困難、對相關(guān)信息技術(shù)的運用（需求）這三個方面展開，調(diào)研問題見圖1。

調(diào)研方式包括網(wǎng)絡(luò)問卷、課堂觀察、專題訪談，范圍覆蓋北京、上海、廣東、遼寧等14個省（市）的60所學校，收集教師有效問卷540份，學生有效問卷3022份，其中高一年級學生占比48%，高二年級學生占比27%，高三年級學生占比24%。

二、對探究性實驗教學的調(diào)研結(jié)果及分析

1.影響學生科學探究能力的關(guān)鍵因素和面臨的主要問題

（1）影響學生科學探究能力的關(guān)鍵因素

關(guān)于“探究興趣高的實驗內(nèi)容”，通過調(diào)研我們發(fā)現(xiàn)，學生對涉及化學反應(yīng)原理的探究性實驗興趣最高，緊接著是化學反應(yīng)規(guī)律、物質(zhì)性質(zhì)與檢驗等內(nèi)容，如表1所示。

通過我們對調(diào)研結(jié)果的分析及與學生的進一步交流了解到，一方面，這些實驗的現(xiàn)象明顯、容易被觀察，另一方面，教師在實驗前會進行相應(yīng)的方法指導(dǎo)，例如，引導(dǎo)學生關(guān)注如何控制變量、如何進行對照實驗、實驗中觀察哪些現(xiàn)象等，這些腳手架的搭建為學生獲取證據(jù)進行推理、最終得出科學結(jié)論指明了方向;同時，教師在實驗活動中為學生創(chuàng)設(shè)的自主、合作和交流的空間，也有助于促進學生對化學知識的理解和對科學探究方法的掌握。

因此，在探究性實驗中采取有效的措施，增強學生對科學探究的理解，使學生能在一定程度上自主把控探究過程，同時在不斷交流分享中能及時修正探究步驟、獲得教師的激勵，是影響學生科學探究能力的關(guān)鍵因素。

（2）學生在探究性實驗中遇到的主要問題

“科學探究與創(chuàng)新意識”這一學科核心素養(yǎng)包括能發(fā)現(xiàn)和提出有價值的問題;能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計探究方案，運用化學實驗、調(diào)查等方法進行實驗探究;勤于實踐，善于合作，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新[1]。我們依據(jù)《科學探究論》中“探究教學的主要障礙”[2]設(shè)計了相關(guān)問題，引導(dǎo)學生針對自己在探究性實驗中遇到的問題進行反思，調(diào)查結(jié)果如表2所示。

調(diào)查結(jié)果顯示，在探究性實驗基本步驟中都存在 著一些問題，尤其是“探究表面化，沒有深度和挑戰(zhàn)”“探究活動不自主，沒有自我發(fā)展空間”這兩個問題最 為嚴重。基于以上調(diào)研結(jié)果，我們對教師開展了有針 對性的訪談[2]，發(fā)現(xiàn)“對探究性實驗教學缺乏系統(tǒng)設(shè) 計”“擔心課堂秩序、時間不夠”“缺乏評價工具”是導(dǎo) 致學生出現(xiàn)以上問題的主要原因。因此，教師需要加 強對探究性教學的認識，積極采取有效辦法、利用合 理工具變革教學方式，提升學生在探究中的主體地 位。

鐘啟泉提出，學?？梢酝ㄟ^“軟環(huán)境”重構(gòu)學習環(huán)境，促進學生自主活動和發(fā)展的“能動化”、學習共同體組織的“協(xié)同化”，而網(wǎng)絡(luò)信息環(huán)境可為學生自主學習、知識構(gòu)建可視化、伴隨深層理解的反思提供支持[3]。為此，我們圍繞高中化學探究性實驗教學的目標與要素，針對信息化教學的實際情況和教師的需求進行了調(diào)研。

2.教師信息化教學的實際情況與需求的調(diào)研

（1）在實驗探究教學中運用信息技術(shù)的情況

調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，在高中化學探究性實驗教學中，認為不借助技術(shù)資源就可以基本達成目標的教師僅占 17%;認為需要借助一定技術(shù)資源和工具才能達成目標的教師占58%;因課時和條件的局限，在課下利用技術(shù)資源和工具為學生創(chuàng)設(shè)探究活動條件，彌補課內(nèi)探究不足的教師占25%。這表明教師對實驗探究教學中信息技術(shù)資源和工具的需求是較為強烈的。

（2）信息技術(shù)資源和工具在探究環(huán)節(jié)的運用情況

為了進一步了解教師是如何運用信息技術(shù)輔助課上教學、彌補課內(nèi)探究不足，我們圍繞實驗探究教學要素進行了梳理，如表3所示，以便了解教師對信息技術(shù)的具體需求。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隨著學生對科學探究理解的深入，高二年級的化學教師在課上利用信息技術(shù)輔助實驗探究的需求顯然高于高一年級的化學教師，尤其在“方法技能學習”“微觀抽象建模”這兩個教學環(huán)節(jié)中較為突出;高一年級的教師更多采用在課下借助技術(shù)資源來彌補課上探究的不足的方法，尤其在“實驗證據(jù)收集”“微觀抽象建?！杯h(huán)節(jié);高三年級的教師在課上利用技術(shù)資源和工具輔助實驗探究的需求起伏較大，但在“方案設(shè)計”“實驗證據(jù)收集”“總結(jié)與反思”環(huán)節(jié)的需求較高，究其原因，這與高考中的要求具有一致性，如圖2所示。

我們結(jié)合課堂觀察與訪談發(fā)現(xiàn)，隨著課程改革的推進和對培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)要求的不斷提升，在探究性實驗中，在促進學生基于實驗證據(jù)進行推理、根據(jù)結(jié)論做出判斷和解釋、對物質(zhì)的性質(zhì)和變化進行預(yù)測等高階思維形成和發(fā)展中，信息技術(shù)顯現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。

三、對技術(shù)資源和工具的應(yīng)用需求調(diào)研及結(jié)果分析

為有效利用信息技術(shù)為學生創(chuàng)建更加自主、合作、探究的學習環(huán)境，我們依據(jù)“數(shù)字學習”所具備的資源工具、協(xié)同合作、引導(dǎo)評價的環(huán)境要素[4] ，針對目前較為常見的教學資源工具——“虛擬實驗”技術(shù)、支持協(xié)同合作的“互動教學”技術(shù)、支持評價的“智能評測”技術(shù)在探究性實驗各個環(huán)節(jié)中的應(yīng)用和需求開展進一步調(diào)研，并對調(diào)研結(jié)果進行了分析。

1.虛擬實驗技術(shù)對教與學變革的影響和應(yīng)用需求

虛擬實驗是指依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，將實驗規(guī)律轉(zhuǎn)化為計算機語言，構(gòu)建仿真的虛擬實驗對象和環(huán)境。研究證明，虛擬實驗?zāi)茱@著提升學生對探究過程和要素的理解，有助于學生的知識構(gòu)建。[5]同時，虛擬實驗通過可視化實驗操作及現(xiàn)象、數(shù)據(jù)的直觀定量表征，一定程度上減少了學生學習的認知負荷[6]，并具有內(nèi)容多樣化、過程自主化、評價科學化、教學助智化等優(yōu)勢，是傳統(tǒng)實驗的有力補充。但是虛擬實驗不能代替動手實驗，要虛實結(jié)合，以虛促實來開展探究性實驗教學。

從目前常見的技術(shù)類型上，虛擬實驗可分為“微觀動態(tài)模擬”“開放性操作模擬”“模擬操作+智能反饋”三種類型。圍繞這三類虛擬實驗技術(shù)，調(diào)研中我們發(fā)現(xiàn)，在實驗方案設(shè)計、實驗操作技能學習環(huán)節(jié)，凸顯了對“虛擬開放操作”技術(shù)的需求;在抽象建模環(huán)節(jié)，對“模擬呈現(xiàn)”技術(shù)和資源的需求較高;在實驗操作技能學習和數(shù)據(jù)歸納處理環(huán)節(jié)中，對“虛擬操作+智能反饋”的功能呈現(xiàn)出明顯需求，如圖3所示。

虛擬實驗在提升學生認知、發(fā)展技能和提升學科核心素養(yǎng)方面有明顯的優(yōu)勢，教學中教師可以根據(jù)具體內(nèi)容特點，與學生親自動手實驗結(jié)合，進行合理安排。例如，涉及污染性強的實驗、有害物質(zhì)的實驗及組裝儀器較為復(fù)雜的實驗時，可在動手操作前，讓學生利用虛擬實驗進行操作練習;涉及化學反應(yīng)微觀過程的探究內(nèi)容，如強弱電解質(zhì)的電離、離子反應(yīng)的發(fā)生條件、有效碰撞理論等，利用軟件直觀呈現(xiàn)反應(yīng)的微觀過程或物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)合實驗內(nèi)容及目的合理運用虛擬技術(shù)，才能使其真正發(fā)揮引導(dǎo)學生理解知識、掌握方法、發(fā)展學科核心素養(yǎng)的作用。

2.實驗探究對互動教學與智能評測技術(shù)的應(yīng)用需求

新課標鼓勵教師運用信息技術(shù)提高課堂教學效率和質(zhì)量，強化信息技術(shù)與化學教學的深度融合，為教師提供交互式多媒體教學設(shè)備、常用軟件、多媒體制作軟件和即時通訊軟件等工具，提供以大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和虛擬技術(shù)為代表的個性化學習與評價系統(tǒng)[1]。為此，我們針對常見的互動教學系統(tǒng)和智能評價技術(shù)，在高中三個年級的教師中展開了調(diào)研。

（1）實驗探究對互動教學技術(shù)的應(yīng)用需求

互動教學技術(shù)指借助網(wǎng)絡(luò)學習或互動教學平臺，輔助實現(xiàn)教與學中的師生同步或異步的交流、展示、協(xié)作。從目前的技術(shù)類型上一般包括互動論壇、成果展示分享、知識建構(gòu)工具三個類型。圖4所示是教師在實驗探究教學環(huán)節(jié)中對這三類技術(shù)的應(yīng)用需求情況。

調(diào)研結(jié)果顯示，教師在引導(dǎo)學生探究過程中對 “成果展示分享”的需求最高;在了解學前認知、學習 結(jié)束后的整理與提升這兩個環(huán)節(jié)中，教師對利用“互 動論壇”來支持交流、聚焦核心問題的需求較高;隨著 探究和對知識加工的深入，各環(huán)節(jié)對“知識建構(gòu)工具”的需求伴隨始終。教師普遍反映，這些信息技術(shù)的應(yīng) 用，為學生創(chuàng)建了更加自主的合作探究環(huán)境，有利于 學生自主建構(gòu)知識。

（2）實驗探究對智能評測技術(shù)的應(yīng)用需求

新課標高度關(guān)注評價在促進學生化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展中的功能，注重過程性評價和結(jié)果性評價相結(jié)合，活動表現(xiàn)、測驗和學習檔案評價等多樣化評價相結(jié)合，學生自評、同伴互評與教師評價相結(jié)合[1]。借助智能題庫評測、學習行為數(shù)據(jù)跟蹤與管理等手段的智能評測技術(shù)，可以實現(xiàn)個人與班級、學習過程與成果的自評、互評等多種評價，其“在線習題測評”“成果展示互評”“學習數(shù)據(jù)跟蹤”三類技術(shù)有力地支持了新課標所倡導(dǎo)的評價方式。圖5顯示了調(diào)研中我們收集到的教師在實驗探究教學各環(huán)節(jié)中對這三類技術(shù)的需求。

通過調(diào)研與訪談我們了解到，教師對采用“成果展示互評”技術(shù)支持探究過程的需求最高，尤其在實驗證據(jù)收集、推理與解釋、總結(jié)與反思這幾個環(huán)節(jié)較為突出;在了解學前認知、整理與提升環(huán)節(jié)中對采用“在線習題測試”來實現(xiàn)即時評價的需求較為強烈;在整理與提升、總結(jié)與反思環(huán)節(jié)，凸顯了利用“學習行為數(shù)據(jù)跟蹤”來輔助過程性評價和結(jié)果性評價有機結(jié)合的需求。

互動教學技術(shù)、智能測評技術(shù)的應(yīng)用要與具體探究內(nèi)容和環(huán)節(jié)科學有效地結(jié)合。例如，在方案設(shè)計、實驗證據(jù)收集、推理與解釋這些環(huán)節(jié)，互動教學技術(shù)使得學生在課堂上的交流與表達成為了可能，因此，可以更有效地引導(dǎo)學生發(fā)現(xiàn)問題、建構(gòu)知識;而在此過程中，要想全面、實時了解學生的動態(tài)，關(guān)注每一位學生的學習參與度、對知識和方法的掌握程度，智能測評技術(shù)則顯示了極大的優(yōu)勢。

四、結(jié)語

立足于化學學科教學，探索與新課標、新教材深度融合的信息化教學，迫切需要與之相匹配的信息化教學資源和工具。我們通過調(diào)研，深入了解了廣大師生在探究性實驗教學中面臨的具體問題和需求，啟發(fā)我們進一步結(jié)合學科特點和學生認知特點，發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢，精準開發(fā)更加貼近一線教學實際、提升化學探究性實驗教學質(zhì)量的資源，讓信息技術(shù)真正成為落實并發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)的助推器。

參考文獻

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