宋小宏

摘要：以UbD理論為支撐，對“化學(xué)反應(yīng)速率”一課進行教學(xué)設(shè)計。研究表明：基于UbD理論的教學(xué)設(shè)計有助于達成“教、學(xué)、評”一致性，融合PhET虛擬仿真實驗平臺模擬的化學(xué)反應(yīng)，能讓學(xué)生更主動地融入學(xué)習(xí)，提高學(xué)生聯(lián)系和分析宏觀現(xiàn)象與微觀可視化的能力，促進學(xué)科核心素養(yǎng)的落地。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗；PhET；逆向設(shè)計；高中化學(xué)

文章編號：10056629（2023）06003506中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

1 引言

化學(xué)反應(yīng)的快慢和進行的程度是研究化學(xué)反應(yīng)的兩個重要方面，化學(xué)反應(yīng)速率對深入認識化學(xué)反應(yīng)、指導(dǎo)化工生產(chǎn)實踐有著重要的價值。從微觀層面理解化學(xué)反應(yīng)速率一直是教學(xué)難點，為了解決這一難題，需要教師在教學(xué)過程中運用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法、教學(xué)手段促進學(xué)生理解，實現(xiàn)信息技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合。為此，作者基于PhET虛擬仿真實驗平臺，直觀、形象地展示化學(xué)變化的特點^［1］。對信息技術(shù)支持下的教學(xué)過程，學(xué)生往往會表現(xiàn)出較高的學(xué)習(xí)興趣，但若單純?yōu)檎故炯夹g(shù)而采用仿真實驗并不能促進學(xué)生對問題的理解以及核心素養(yǎng)的發(fā)展。為使仿真實驗在化學(xué)教學(xué)中獲得較好的學(xué)習(xí)效果，本研究結(jié)合UbD理論進行教學(xué)設(shè)計與探索實踐，重視“理解為先”，通過重構(gòu)教學(xué)流程，促進“教學(xué)評一體化”；增強操作性，促進學(xué)科素養(yǎng)落地；加強連續(xù)性和整體性，利于學(xué)生學(xué)習(xí)理解。

2 理論概述

2.1 UbD理論概述

UbD全稱為Understanding by Design，即追求理解的教學(xué)設(shè)計，也叫逆向設(shè)計法，由教育專家格蘭特·威金斯（Grant Wiggins）和杰伊·麥克泰（Jay McTighe）提出。UbD逆向設(shè)計法分為三個階段：確定預(yù)期結(jié)果、確定合適的評估證據(jù)、設(shè)計學(xué)習(xí)體驗和教學(xué)。該教學(xué)研究從經(jīng)驗型轉(zhuǎn)向?qū)嵶C型，從知識為本轉(zhuǎn)向核心素養(yǎng)為本，旨在促使學(xué)生參與探究活動，提升學(xué)習(xí)遷移能力。

UbD理論目前在我國化學(xué)教學(xué)中已經(jīng)有了一定的研究應(yīng)用。例如以九年級“化學(xué)方程式”為例進行逆向、整體、可操作的單元教學(xué)設(shè)計^［2］，以及基于UbD理論的評價工具研制和學(xué)習(xí)任務(wù)單的設(shè)計研究^［3，4］。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，基于UbD理論設(shè)計教學(xué)、研制評價量表能形成良好學(xué)習(xí)氛圍，拓寬內(nèi)容深廣度，促成學(xué)生高效自主學(xué)習(xí)。

2.2 基于虛擬平臺的化學(xué)教學(xué)相關(guān)研究

虛擬平臺能夠?qū)⒒瘜W(xué)抽象知識可視化、情境化的工具，幫助學(xué)生從宏觀、微觀等多層面認識化學(xué)^［5］。目前國內(nèi)常將NOBOOK虛擬仿真實驗結(jié)合試誤教學(xué)法融入中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，以提高化學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量^［6］；有些教育研究者以POE教學(xué)策略為支撐，融合PhET虛擬仿真實驗幫助學(xué)生從定性和定量相結(jié)合的視角認知飽和溶液的概念^［7］；還有一些高等化學(xué)教育研究工作者通過把虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)和分子動力學(xué)方法結(jié)合到一起，開發(fā)了交互式分子結(jié)構(gòu)可視化工具Manta，生動形象地展示微觀納米結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生直接與分子結(jié)構(gòu)交互作用，帶領(lǐng)學(xué)生走進真正的分子世界^［8］?？傊?，虛擬平臺在化學(xué)實驗教學(xué)、遠程教學(xué)、技術(shù)或系統(tǒng)的開發(fā)及設(shè)計等方面均有一定的應(yīng)用（見表1）。

PhET（Physics Education Technology）是諾貝爾獎獲得者卡爾·威曼創(chuàng)立、由科羅拉多大學(xué)團隊運營的互動仿真平臺，它能提供一個開放的探究環(huán)境，擁有豐富的課程資源（包括主題模擬實驗、教學(xué)案例、使用說明），與化學(xué)學(xué)科有較高的契合度，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于不同化學(xué)主題的教學(xué)^［9］。PhET提供的主題模擬實驗均經(jīng)過專家的測試與評估，可通過html在線使用或下載java程序包至電腦，確保教學(xué)的有效性及實用性，現(xiàn)正逐步融入到學(xué)校的教學(xué)實踐中。

目前，PhET上的化學(xué)資源適用于高中生及其以上層次的學(xué)生和化學(xué)教育研究工作者，其中教學(xué)資源分為普通化學(xué)和量子化學(xué)兩個領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)基本原理、化學(xué)抽象概念等模塊知識的可視化^［10］。

3 教學(xué)活動設(shè)計

基于圖1所示的UbD逆向設(shè)計三個階段，我們的研究結(jié)合PhET虛擬仿真實驗平臺，對上科版高中化學(xué)教材中“化學(xué)反應(yīng)速率”這一課時進行了設(shè)計探索與實踐。

3.1 梳理課標要求，確定預(yù)期結(jié)果

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》中關(guān)于“化學(xué)反應(yīng)速率”的內(nèi)容要求為：知道化學(xué)反應(yīng)速率的表示方法，了解測定化學(xué)反應(yīng)速率的簡單方法。通過實驗探究，了解溫度、濃度、壓強和催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響。知道化學(xué)反應(yīng)是有歷程的，認識基元反應(yīng)活化能對化學(xué)反應(yīng)速率的影響。

化學(xué)反應(yīng)的快慢和進行的程度是研究化學(xué)反應(yīng)的兩個重要方面，化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡理論對深入認識化學(xué)反應(yīng)、指導(dǎo)化工生產(chǎn)實踐有著重要的價值。表2所示即為“化學(xué)反應(yīng)速率”一課的逆向設(shè)計階段1。

3.2 確定評估證據(jù)，檢測學(xué)習(xí)效果

有效的評估不應(yīng)僅在教學(xué)結(jié)束時一考了之，而是在教學(xué)過程中使用各種方法和形式收集大量的證據(jù)，不同評估類型為不同的課程目標提供證據(jù)，如圖2所示。收集的證據(jù)既包含傳統(tǒng)的測驗和考試、表現(xiàn)性任務(wù)和項目、觀察和對話，也包括不同時間內(nèi)的學(xué)生自我評估。

本研究使用表現(xiàn)性任務(wù)和小測試作為主要評估證據(jù)。其中表現(xiàn)性任務(wù)以化學(xué)實驗報告和基于虛擬仿真平臺為教學(xué)載體，設(shè)計表現(xiàn)性任務(wù)；另外又設(shè)計課堂問答和隨堂測驗，收集學(xué)生自我評價和反饋，如主要學(xué)到了什么知識、還有什么疑惑或者不能解決的問題等，此謂逆向設(shè)計階段2，如表3所示。

3.3 預(yù)期學(xué)習(xí)體驗，確定學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)

只有我們明確了預(yù)期結(jié)果和評估證據(jù)，才能真正做好教學(xué)計劃的細節(jié)——包括教學(xué)方法、教學(xué)順序，以及資源材料的選擇。教學(xué)是達到目標的一種手段，一個清晰的目標能夠幫助我們在設(shè)計時有所聚焦，并能指導(dǎo)我們有目的地朝預(yù)期結(jié)果發(fā)展。

學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的設(shè)計應(yīng)該基于預(yù)期結(jié)果和評估證據(jù)這兩個階段來進行。新課改背景下，教師應(yīng)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)思路，以學(xué)生為中心，從學(xué)生角度出發(fā)，思考以什么方式更能促進學(xué)生對知識的理解，達到預(yù)期的結(jié)果目標。表4為逆向設(shè)計階段3。

4 教學(xué)活動實施

在我們的研究中，教學(xué)活動實施對象為高中二年級學(xué)生，建議3課時。教學(xué)實施選取“基于PhET虛擬仿真平臺構(gòu)建的碰撞理論”片段教學(xué)為例，活動目標旨在：能夠有效建構(gòu)碰撞理論模型，理解活化能與碰撞角度對化學(xué)反應(yīng)的影響；能夠運用碰撞理論從微觀角度來解釋宏觀條件對化學(xué)反應(yīng)速率影響的原理，提高從宏觀與微觀的角度對化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的認識。

4.1 “化學(xué)反應(yīng)的速率”學(xué)習(xí)路線圖

學(xué)習(xí)路線圖如圖3所示。

4.2 基于PhET碰撞理論的教學(xué)活動設(shè)計與實施

本研究采用PhET平臺提供的虛擬仿真實驗“Reactions & Rates”模型進行探究。模型由單一碰撞、很多碰撞和反應(yīng)速率實驗三個界面構(gòu)成，單一碰撞界面如圖4所示，可以選擇反應(yīng)類型及發(fā)射條件等，如直接撞擊或偏向射入、選擇4種反應(yīng)類型或自行設(shè)計反應(yīng)、反應(yīng)歷程中的變化對標原子分離情況和反應(yīng)界面的能量變化。

活動1 建構(gòu)碰撞理論

教師：在微觀層面上是什么促成了成功的反應(yīng)？

學(xué)生：在虛擬仿真實驗中選擇“Reactions & Rates”實驗?zāi)Ｐ停蚴褂胘ava打開“rates-and-rates-zh-CN”即中文版“化學(xué)反應(yīng)速率”虛擬仿真實驗?zāi)Ｐ汀?/p>

教師：以第一組化學(xué)反應(yīng)為例，選擇不同的發(fā)射條件，可能會發(fā)生什么現(xiàn)象？

學(xué)生：在“Single Collision”即單一碰撞界面分別使用不同的發(fā)射力度和發(fā)射角度發(fā)射反應(yīng)物分子進行碰撞實驗，觀察不同發(fā)射力度和角度的反應(yīng)情況和能量變化，填寫活動任務(wù)單（見表5）。

活動2 微觀探析影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素

教師：參照反應(yīng)坐標描述是什么使反應(yīng)進行或減緩其進展？

學(xué)生：在“Many Collision”即多次碰撞界面先自行探究影響反應(yīng)快慢的因素。

教師：反應(yīng)物分子數(shù)量相同的情況下，以下哪種反應(yīng)可能會是最快的（見圖5）？

學(xué)生：測試以上四個反應(yīng)，分析反應(yīng)不同快慢的原因。

教師：如果活化能較低，反應(yīng)可以在較低溫度下進行，在真實反應(yīng)中，這是通過添加催化劑來完成的。

學(xué)生：通過自行設(shè)計反應(yīng)降低或提高活化能，觀察反應(yīng)的變化。

教師：在反應(yīng)中，使用加熱器加熱會有什么影響？

A. 增加

B. 增加

C. 沒有影響

學(xué)生：自行設(shè)計多次實驗，控制變量觀察使用加熱器的影響，填寫任務(wù)單。

教師：對于沒有足夠能量進行反應(yīng)的，可以通過增加溫度來增加碰撞概率使反應(yīng)發(fā)生。

4.3 教學(xué)反思

“化學(xué)反應(yīng)速率”一課基于UbD理論確定了學(xué)習(xí)目標、評估證據(jù)和學(xué)習(xí)活動，將學(xué)習(xí)目標聚焦轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的評估證據(jù)，如化學(xué)實驗報告體現(xiàn)實驗過程；碰撞理論建構(gòu)活動任務(wù)單體現(xiàn)學(xué)生的表現(xiàn)；相關(guān)測試題、自評表等使學(xué)習(xí)活動的針對性更強，有利于促進教、學(xué)、評的一致性。

由于化學(xué)反應(yīng)的不可視性，使用碰撞理論解釋影響化學(xué)反應(yīng)速率因素的原因一直是教學(xué)難點，基于此，選用了PhET虛擬仿真平臺中的“Reactions & Rates”實驗?zāi)Ｐ?，學(xué)生使用此模型能夠直觀地觀察模擬分子碰撞現(xiàn)象，有效建構(gòu)碰撞理論。知道反應(yīng)物分子間的相互碰撞是反應(yīng)發(fā)生的前提條件。碰撞的速度（能量）和角度決定碰撞是否會生成產(chǎn)物，大大降低學(xué)生對化學(xué)微觀視角的認知負荷。

5 總結(jié)與展望

本研究以UbD理論為支撐，融合PhET平臺提供的虛擬仿真實驗進行教學(xué)設(shè)計和實踐，促進了學(xué)生從微觀到宏觀的角度對化學(xué)反應(yīng)速率概念及影響因素的認識。UbD逆向設(shè)計使預(yù)期結(jié)果、關(guān)鍵表現(xiàn)以及教與學(xué)體驗之間產(chǎn)生更大的一致性，從而使學(xué)生有更深刻的理解。PhET作為一個開源平臺，擁有豐富的主題模擬實驗、教學(xué)案例，在化學(xué)教學(xué)中有較高的適配性、有效性和實用性。經(jīng)教學(xué)實踐，學(xué)生基于PhET虛擬仿真平臺利用碰撞理論解釋影響化學(xué)反應(yīng)速率因素的原理比傳統(tǒng)課堂教學(xué)效果更佳，對學(xué)習(xí)目標的達成起到了正向作用。

筆者使用PhET虛擬仿真平臺中的“Reactions & Rates”模型融入“化學(xué)反應(yīng)速率”課堂教學(xué)，旨在建構(gòu)碰撞理論并運用該理論解釋影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素，因此在教學(xué)設(shè)計時采用了模型中的一部分交互內(nèi)容。學(xué)生在使用“Reactions & Rates”模型時可能會發(fā)現(xiàn)反應(yīng)是可逆的，產(chǎn)物可能會通過碰撞生成反應(yīng)物，這與本活動的學(xué)習(xí)目標未能達成一致性，作為后續(xù)研究，擬在此基礎(chǔ)上針對化學(xué)平衡做深入的研究和探討。

通過初步研究和總結(jié)，認為基于PhET平臺設(shè)計學(xué)習(xí)活動有下列經(jīng)驗：

（1） 融合虛擬仿真實驗?zāi)Ｐ偷幕顒釉O(shè)計最好是一個相對開放的探索活動。

（2） 要求設(shè)計的活動簡短、開放、靈活且?guī)в虚_放性的問題。

（3） 在學(xué)生體驗主題模擬實驗時，可以提供簡單的支架說明，如設(shè)計觀察表格、記錄數(shù)據(jù)等。

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