莊建德 黃倩瑩 李偉溪

摘要：本研究基于數(shù)字化實驗，根據(jù)現(xiàn)有教材、新課標(biāo)要求及學(xué)生情況，開發(fā)“四學(xué)段六環(huán)節(jié)”模式的高中化學(xué)數(shù)字化實驗校本課程。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，從高一到高二共四學(xué)期有梯度地進行理論學(xué)習(xí)與數(shù)字化實驗實踐，進而達到所設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)。通過課堂觀察、量表評價及開放式問卷等多種途徑收集反饋，發(fā)現(xiàn)該模式下的化學(xué)校本課程能幫助學(xué)生樹立定量意識，提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗；化學(xué)校本課程

文章編號：1008-0546（ 2022）12x-0054-06

中圖分類號：C632.41

文獻標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022. 12x.013

一、問題的提出

隨著信息時代的到來，教育教學(xué)與信息技術(shù)的融合成為了新一輪課程改革的重點。[1]數(shù)字化實驗是信息技術(shù)與教學(xué)融合的重要手段和工具之一，它具有定量化和可視化特點，可作為認(rèn)知工具幫助學(xué)生克服一些概念學(xué)習(xí)中的“認(rèn)知難點”，[2]科學(xué)感知與建構(gòu)抽象化學(xué)概念。已有實證研究表明，手持技術(shù)對概念學(xué)習(xí)的確有促進作用。3]2017版普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)提出“應(yīng)鼓勵教師運用信息技術(shù)提高課堂教學(xué)效率和質(zhì)量，強化信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的深度融合”[4]，在“教材編寫建議”中要求“化學(xué)教材應(yīng)精心設(shè)計學(xué)生必做實驗，適當(dāng)增加微型實驗、家庭小實驗、數(shù)字化實驗、定量實驗和創(chuàng)新實踐活動等”[4]。新教材中也已經(jīng)添加了一些數(shù)字化實驗，如必修一中介紹了驗證次氯酸光照分解產(chǎn)物的數(shù)字化實驗。[5]

但目前數(shù)字化實驗用于常規(guī)教學(xué)還是相對較少的，更多的是在公開課中的展示。而開設(shè)數(shù)字化實驗校本課程的學(xué)校就更少了。目前在中國知網(wǎng)能檢索到的，將數(shù)字化實驗運用到校本課程的研究僅有29篇，其中僅有5篇是與化學(xué)學(xué)科相關(guān)。仔細閱讀后可知，很多老師沒有將校本課程形成一個體系，更多的是一次或多次的規(guī)定實驗或探究實驗，不能讓學(xué)生的定量思維和信息素養(yǎng)有系統(tǒng)性地鍛煉和長期性地培養(yǎng)。其中做得最系統(tǒng)最成熟的是徐惠和馬宏佳，[6]但仍存在三個問題：第一，課程內(nèi)容集中在教材必修模塊；第二，教學(xué)對象僅限高一學(xué)生，不能持續(xù)培養(yǎng)學(xué)生思維；第三，課程目標(biāo)較為簡單，不能提升學(xué)生更高階的思維和能力，如實驗創(chuàng)新和遷移應(yīng)用。

因此，作為廣東省廣州市番禺區(qū)的龍頭學(xué)校，我們課題組著力于如何開發(fā)出一個系統(tǒng)、可行的數(shù)字化實驗高中化學(xué)校本課程體系，旨在培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)及信息素養(yǎng)，同時實現(xiàn)學(xué)生、教師、學(xué)校共同成長的目標(biāo)。

二、基于數(shù)字化實驗的高中化學(xué)校本課程的開發(fā)

本校本課程的開發(fā)著重于三大模塊：課程目標(biāo)的確定、課程內(nèi)容的設(shè)計與課程規(guī)劃的設(shè)計，其中，課程內(nèi)容應(yīng)基于課程目標(biāo)來設(shè)計，而具體的課程內(nèi)容則決定了課程安排的規(guī)劃，具體的研究過程及內(nèi)容如圖1所示。

1．確定課程目標(biāo)

基于文獻綜述與新教材、新課標(biāo)的分析結(jié)果，本系列化學(xué)校本課程的總目標(biāo)有以下四點，分別對應(yīng)不同學(xué)段：第一，熟悉數(shù)字化實驗設(shè)備操作，樹立定量分析意識，培養(yǎng)選擇數(shù)據(jù)和理解證據(jù)能力；第二，融合教材與數(shù)字化實驗，樹立證據(jù)推理意識，培養(yǎng)采集數(shù)據(jù)和尋找證據(jù)的能力；第三，自選化學(xué)研究課題，樹立科學(xué)探究意識，提高分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論能力，第四，合作撰寫研究報告，樹立學(xué)科融合意識，提高實驗創(chuàng)新能力與信息素養(yǎng)。

2．設(shè)計課程內(nèi)容

基于已有的數(shù)字化實驗研究成果進行挑選，選擇能夠發(fā)揮數(shù)字化實驗優(yōu)勢的實驗并進行重整，設(shè)計成課程；要求考慮學(xué)生的現(xiàn)有水平及隨著課程的進行其水平的提升，故選取的內(nèi)容應(yīng)具有一定梯度，符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的規(guī)律。下表1列出選取的部分供學(xué)生選擇的實驗內(nèi)容。

挑選出合適的內(nèi)容后，還需要將數(shù)字化實驗與課本知識整合，設(shè)計成課程。在課程中，主要采用“問題解決”的模式進行授課，整合的主要思路主要為：先提出實際問題，然后考慮使用怎樣的教學(xué)策略來解決問題，再設(shè)計使用該教學(xué)策略的教學(xué)過程來解決實際問題，最后選擇適合的評價方式來評估問題解決的效果。按照這樣的思路，將挑選出來的知識與數(shù)字化實驗整合，設(shè)計成課程，撰寫教案及學(xué)案。

3．設(shè)計課程規(guī)劃

課程初步確定為每學(xué)期14課時，每課時約1個小時，上課地點為數(shù)字化實驗室。其次，考慮到課程目標(biāo)及學(xué)生對數(shù)字化實驗的認(rèn)識會隨著課程的進程而不斷發(fā)展，故將整個系列的校本課程規(guī)劃為四學(xué)段六環(huán)節(jié)的課程體系，圖2即為四學(xué)段六環(huán)節(jié)課程體系的整體規(guī)劃圖。

由圖2可見，整套課程共分為四個學(xué)段，分別為：初步感受數(shù)字化實驗、改進創(chuàng)新教材實驗、基于數(shù)字化實驗的研究性學(xué)習(xí)、基于數(shù)字化實驗的項目式學(xué)習(xí)。在學(xué)段1中，學(xué)生對數(shù)字化實驗設(shè)備還尚未熟悉，故本階段設(shè)計的實驗難度偏低，課程目標(biāo)主要是讓學(xué)生熟悉實驗設(shè)備的操作與用途，學(xué)會定量分析實驗數(shù)據(jù)，為后續(xù)深入的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。在學(xué)段2中，學(xué)生需自行改進教材中的實驗，這對其創(chuàng)新能力提出挑戰(zhàn)。而在學(xué)段3與學(xué)段4的研究性學(xué)習(xí)、項目式學(xué)習(xí)中，對學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)要求更高，甚至在學(xué)段4中進行學(xué)科交融方式的學(xué)習(xí)。四個學(xué)段整體呈梯度設(shè)計，符合學(xué)生認(rèn)知水平與實驗技能的發(fā)展，學(xué)生經(jīng)歷“了解→模仿→創(chuàng)新”的認(rèn)知階段，逐步完成課程目標(biāo)。

在四個學(xué)段的基礎(chǔ)上，每學(xué)段的教學(xué)過程又細分為六個環(huán)節(jié)，分別為：學(xué)段簡介、開題報告、實驗操作、結(jié)題報告、撰寫論文、學(xué)段評價。

三、基于數(shù)字化實驗的高中化學(xué)校本課程的實踐

該課程目前已經(jīng)完整實施了一輪，授課對象為2020級選課學(xué)生，共30人，授課時間從2020年9月的高一上學(xué)期持續(xù)至2022年6月的高二下學(xué)期，共四個學(xué)期。第二輪也已經(jīng)在進行中，授課對象為2021級選課的30名學(xué)生，同樣進行四個學(xué)期的校本課程學(xué)習(xí)。在課程實施時，需要學(xué)校支持校本課程的設(shè)立、課題組成員與學(xué)生的參與、實驗室在實驗準(zhǔn)備上的保障等。

1.初步感受數(shù)字化實驗階段

2020年9月16日，該校本課程正式第一輪開課，我們遵循著六環(huán)節(jié)中的學(xué)段簡介、開題報告、實驗操作、結(jié)題報告、撰寫論文、學(xué)段評價，先由本校的三名主講老師開展學(xué)段介紹，并著重介紹了實驗設(shè)計流程及數(shù)字化實驗儀器。然后華南師范大學(xué)錢揚義教授給學(xué)生上了精彩的指導(dǎo)課。接著學(xué)生在老師的指導(dǎo)下開始進行小組討論選題，經(jīng)過兩課時的討論和老師的指導(dǎo)．在第五次課時，學(xué)生初步設(shè)計了實驗方案并展示匯報。本學(xué)段沒有要求學(xué)生撰寫論文，僅提供實驗報告即可。

2．改進創(chuàng)新教材實驗階段

2020年3月3日，校本課程已經(jīng)來到了第二階段。在寒假期間，老師要求學(xué)生在上學(xué)期課程的基礎(chǔ)上，思考改進創(chuàng)新教材實驗，在本學(xué)段的第一次課上，進行匯報展示。屆時，各組都自信地匯報自己的實驗設(shè)計，其他小組同學(xué)和老師對其做出評價和建議。從課堂的展示和學(xué)生做出的點評可以看出，學(xué)生的信息檢索能力、實驗設(shè)計能力及實驗改進能力有所提高，但仍缺乏控制變量意識及實驗設(shè)計的嚴(yán)密性，有時候理不清數(shù)據(jù)與概念間的關(guān)聯(lián)（如圖3、圖4所示）。

在老師的指導(dǎo)下，學(xué)生最終定出了如表2的五組方案。在第一輪預(yù)實驗中，很多學(xué)生發(fā)現(xiàn)了方案的不足之處，并遇到與自己預(yù)測不符的實驗結(jié)果。這時，老師便抓典型，為學(xué)生講解如何采集理想數(shù)據(jù)并尋找到合適的證據(jù)，進而完成證據(jù)推理，做到理論與實際相符。在老師的講解后，各組學(xué)生再次調(diào)整自己的實驗方案，并開展了第二輪的正式實驗，對實驗結(jié)果沒有問題的小組，則可開始撰寫實驗報告，對實驗結(jié)果仍有問題的小組，則需指導(dǎo)其重做實驗，直到數(shù)據(jù)合理，證據(jù)鏈條完善。由于學(xué)生的能力在逐漸提高，在本學(xué)段的最后，老師講解了如何將實驗報告改寫為學(xué)術(shù)論文，并鼓勵學(xué)生嘗試。

3．基于數(shù)字化實驗的研究性學(xué)習(xí)階段

該學(xué)段前半段由于疫情原因，沒有辦法集中上課，但由于有了前面的基礎(chǔ)，在華南師范大學(xué)王輝教授和曾卓教授團隊的指導(dǎo)與建議下，選擇了讓學(xué)生分組探究數(shù)字化實驗在陽離子瓜爾膠取代度分析中的應(yīng)用。瓜爾膠是重要的化學(xué)用品，但目前對其定性與定量表征的方法較為復(fù)雜。因此我們嘗試使用數(shù)字化實驗作為快速、準(zhǔn)確、操作簡便的表征方法。在水溶液中，陽離子瓜爾膠取代度越高其溶液離子濃度越大。溶液導(dǎo)電能力隨離子濃度增大而增強，故可利用導(dǎo)電率傳感器測試陽離子瓜爾膠溶液的導(dǎo)電率，來表征陽離子瓜爾膠的取代度。在教師講解并提供研究方向后，學(xué)生自主選一個研究因素進行探究性實驗，最終各組實驗如表3所示。

本階段非常考驗并鍛煉學(xué)生的信息素養(yǎng)能力，他們首先要自己收集資料，了解其中的反應(yīng)原理，繼而設(shè)計可行的實驗方案。在做實驗后，還需要分析曲線圖帶來的信息，學(xué)會多次實驗，排除干擾，進而得出最終的結(jié)論，在過程中提高了分析數(shù)據(jù)和得出證據(jù)能力。最終在歷時2個月后，兩個大組內(nèi)均能得到一致的實驗結(jié)果，可以將數(shù)字化實驗作為表征手段并驗證了大學(xué)中的實驗室制法可行，且陽離子瓜爾膠的取代度隨著反應(yīng)時間延長而增大。

本學(xué)段雖受疫情影響不能過多地進行集中授課與展示評價，但學(xué)生在自主動手實驗及教師的指導(dǎo)下，得到很多思維鍛煉，整個過程苦并快樂著（圖5、圖6所示）。

4．基于數(shù)字化實驗的項目式學(xué)習(xí)階段

最后一個學(xué)段老師和學(xué)生一致決定圍繞仲元中學(xué)的環(huán)境進行展開，由于校園內(nèi)有與外界連同的湖，因此選擇了五個小組共同合作研究校內(nèi)小微水體的水質(zhì)。在本學(xué)段中，學(xué)生需要綜合所有學(xué)科知識，可以從物理、化學(xué)、生物等角度對水質(zhì)進行研究。每個小組根據(jù)所查資料討論后，得到了表征水質(zhì)的幾大指標(biāo)，如含氧量、渾濁度、氮磷含量、硬度、微生物種類（供氧還是耗氧）與數(shù)目等。之后，每個小組選擇了其中一到幾個指標(biāo)進行研究，最后再討論合寫一份實驗檢測報告。在開題的過程中，學(xué)生己經(jīng)能互相點評且一針見血，全面到位，老師只需要稍加補充即可。最終，各組學(xué)生的題目如表4所示。

在實踐過程中，從采樣、測量、分析、得出結(jié)論等環(huán)節(jié)均能明顯感受到學(xué)生的熟練，但在最后的撰寫研究報告及研究論文方面還有所欠缺，主要體現(xiàn)在文字表達的完整性及嚴(yán)謹(jǐn)性。在最終的總結(jié)反思階段，很多學(xué)生都表達了在本課程中學(xué)習(xí)到了很多課本內(nèi)外的知識，且在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，其實學(xué)以致用是有難度的，尤其很多實驗設(shè)計都要在實踐中才知道是否可行，但明顯能看到自己的進步（如圖7、圖8所示）。

四、基于數(shù)字化實驗的高中化學(xué)校本課程的評價

課程評價可以較客觀地反映校本課程的目標(biāo)是否達成，并可根據(jù)評價結(jié)果對課程的設(shè)計與實施進行調(diào)整，故課程評價在課程開發(fā)過程中起著不可替代的作用。課題組在每個學(xué)段授課結(jié)束后對學(xué)生進行問卷調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容主要由兩部分組成，第一部分是5點量表及總結(jié)感想，主要了解學(xué)生在經(jīng)過本學(xué)段的學(xué)習(xí)后，是否可以達成課程目標(biāo)；第二部分是開放性問題，主要了解學(xué)生對課程的意見與建議。從2020年9月至2022年6月，第一期課程的學(xué)生共接受了4次調(diào)查，調(diào)查問卷的內(nèi)容會根據(jù)每個學(xué)段的課程目標(biāo)進行調(diào)整。

1．課程目標(biāo)達成度

學(xué)生的自我評價數(shù)據(jù)表明，每個學(xué)段的課程目標(biāo)均基本實現(xiàn)，且學(xué)生認(rèn)為校本課程在逐漸改進與完善，為他們提供了豐富且有深度的科學(xué)探究。從學(xué)生的感想中（如圖9所示），我們可以感受到學(xué)生對本課程非常喜愛，并提到了在第二學(xué)段中“通過小組討論可以解決一些問題”，并反思了小組實驗中最突出的問題，進而改進了實驗，獲得了成就感。學(xué)生的話語可側(cè)面說明他們在第二學(xué)段能樹立證據(jù)推理意識，通過采集數(shù)據(jù)和尋找證據(jù)來改進實驗，基本能達成本學(xué)段的目標(biāo)。

2．對校本課程的意見與建議

在被問及“對校本課程的建議”時，學(xué)生給出了一些實質(zhì)性的建議，而根據(jù)建議，我們也對課程進行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。如學(xué)生提及“傳感器如果能多一點更好，有時候會不夠用”，課題組積極與儀器供應(yīng)商協(xié)商，爭取在學(xué)段二的課程中增加傳感器的種類與常用傳感器的數(shù)量，做好硬件保障，保證在分組實驗過程中，學(xué)生能有充足的傳感器進行探究?！安皇呛軙憣嶒瀳蟾?，希望老師能再多指導(dǎo)或者給一些模板”等類似的建議也是我們關(guān)注的重點，在此建議下，授課教師馬上增加對實驗報告撰寫的指導(dǎo)（如圖10所示），并增加對學(xué)生所提交的實驗報告的生生互評與教師指導(dǎo)。

五、總結(jié)與反思

在本輪校本課程實踐中，我們凝練了一小批成果如公眾號推送、每階段的簡報及學(xué)生實驗報告等，也總結(jié)出了一定的實踐經(jīng)驗。第一，校本課程的順利開展離不開創(chuàng)建一支全面且分工明確的團隊。本研究中，我們充分發(fā)掘了錢揚義教授提出的U-G-E-S的教研模式優(yōu)勢，即結(jié)合師范大學(xué)（University，華南師范大學(xué)）一地方政府教研機構(gòu)（Government，廣州市教育學(xué)會立項）一儀器公司（Enterprise，廣東江風(fēng)光學(xué)儀器有限公司）一中學(xué)（School，廣東仲元中學(xué)）四者的力量，組成一支強大的團隊，保證校本課程順利地開發(fā)與實施。第二，課程的設(shè)置一定要有梯度，理論與實踐相結(jié)合。本校本課程采用了四學(xué)段六環(huán)節(jié)的教學(xué)模式，根據(jù)學(xué)生的具體情況及課程目標(biāo)，有梯度地設(shè)置不同難度的理論與實踐內(nèi)容，由評價可知該模式效果較好。第三，仍需加強學(xué)生的寫作指導(dǎo)與能力培養(yǎng)，從實驗報告、最終的小論文及學(xué)生評價中可以看出，學(xué)生的寫作能力仍有很大的提升空間，如寫作的規(guī)范性、詳略、嚴(yán)謹(jǐn)性等各個方面，都是下一輪課程要突破的重難點。

同時，我們在實踐過程中也遇到了如疫情不能開課，儀器供應(yīng)不足等情況。因此我們思考了本課題以后的兩個發(fā)展方向。第一，將課程資源網(wǎng)絡(luò)化。目前課題組在組織學(xué)生拍攝數(shù)字化實驗操作視頻，并將此制作成微課傳至公眾號，這樣就可以形成一個網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源庫，使學(xué)習(xí)不受時空和疫情的影響。第二，將課程區(qū)域化推廣。本校本體系經(jīng)過第一輪實踐后，達到了不錯的效果，因此在下一步要將其推廣至其他兄弟學(xué)校，以擴大該成果的影響，形成區(qū)域教研合力。

參考文獻

[1]錢揚義，王立新，林惠梅．手持技術(shù)數(shù)字化實驗教學(xué)研究：理論構(gòu)建與創(chuàng)新實踐[M]．北京：科學(xué)出版社，2021，3．

[2]錢揚義．手持技術(shù)在研究性學(xué)習(xí)中的應(yīng)用及其心理學(xué)基礎(chǔ)[M]．北京：科學(xué)出版社，2006．

[3] 王立新，錢揚義，蘇華虹，陳博殷，梁宏宇，手持技術(shù)數(shù)字化實驗與化學(xué)教學(xué)的深度融合：從“研究案例”到“認(rèn)知模型”——TQVC概念認(rèn)知模型的建構(gòu)[J]．遠程教育雜志，2018，36（04）：104-112．

[4] 中華人民共和國教育部．普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[s]．北京：人民教育出版社，2017．

[5]人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心．普通高中教科書（化學(xué)必修第一冊）[M]．北京：人民教育出版社，2019．

[6]徐惠，馬宏佳，“數(shù)字化實驗”校本課程的開發(fā)與實施[J].化學(xué)教育，2017，38（7）：5-12．