信息技術(shù)與高中化學(xué)教學(xué)深度融合的路徑

摘要：在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，研究團(tuán)隊(duì)基于高中化學(xué)教學(xué)實(shí)踐設(shè)計(jì)出了“明確教學(xué)要求—科學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)思路—精準(zhǔn)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程—反饋教學(xué)效果”的數(shù)字化教學(xué)融合路徑。以“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”為例，教師按照新的融合路徑教學(xué)，在創(chuàng)新課堂教學(xué)模式、豐富教學(xué)手段及發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)方面取得實(shí)效。實(shí)踐證明，加強(qiáng)硬件建設(shè)，轉(zhuǎn)變教師教學(xué)理念，提升教師信息素養(yǎng)，合理利用信息技術(shù)工具，豐富教學(xué)資源，創(chuàng)設(shè)多元的學(xué)習(xí)方式，加強(qiáng)學(xué)情管理，推進(jìn)精準(zhǔn)教學(xué)，是高中化學(xué)教學(xué)與信息技術(shù)深度融合的有效舉措。關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；高中化學(xué)；深度融合；晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)隨著科技不斷發(fā)展，教育數(shù)字化已成為必然趨勢(shì)?！督逃畔⒒?.0行動(dòng)計(jì)劃》明確提出堅(jiān)持將信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的理念，整合數(shù)字化教育資源，有效促進(jìn)教育發(fā)展的公平性、全面性、終身性，助力教育體系的現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化[1]。在高中化學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)將信息技術(shù)和課程資源深度融合，設(shè)置真實(shí)情境和具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題或任務(wù)，創(chuàng)設(shè)積極探索、多重交互、互相合作、資源共享的學(xué)習(xí)環(huán)境。這有助于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維和高階能力。下面，以“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”為例，探究信息技術(shù)與高中化學(xué)教學(xué)深度融合的有效路徑，以優(yōu)化高中化學(xué)教學(xué)。一、明確教學(xué)要求《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》強(qiáng)調(diào)“借助實(shí)物模型、計(jì)算機(jī)軟件模型、視頻等多種直觀手段，充分發(fā)揮學(xué)生搭建分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)模型等活動(dòng)的作用，降低教學(xué)內(nèi)容的抽象性，促進(jìn)對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解和認(rèn)識(shí)”。一些學(xué)者將信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)深度融合，開(kāi)展了虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）積件的應(yīng)用。它是關(guān)于化學(xué)理論或微觀結(jié)構(gòu)的最小化的知識(shí)單元，是應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)的三維積件[2]。學(xué)生可以使用手機(jī)掃描二維碼，直觀地認(rèn)識(shí)晶體的三維模型，這凸顯了VR積件的直觀性、科學(xué)性、獨(dú)立性、交互性和通用性等特點(diǎn)。教師充分合理地將VR積件運(yùn)用在教學(xué)中，將抽象的化學(xué)理論具體化、可視化、形象化，幫助學(xué)生建立“宏觀性質(zhì)—微觀結(jié)構(gòu)—三維模型”三者之間的有機(jī)聯(lián)系。隨著信息技術(shù)手段不斷創(chuàng)新，高中化學(xué)教師的教學(xué)手段和方法更具有創(chuàng)新性、多樣性。高中化學(xué)教師有效利用信息技術(shù)可以優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，降低教學(xué)內(nèi)容的抽象性，幫助學(xué)生深度理解并建立結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的聯(lián)系，增強(qiáng)學(xué)生的體驗(yàn)，提高學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”和“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)水平。二、科學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)思路教師巧妙整合數(shù)字化資源，設(shè)計(jì)多元化的化學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容，按照“引其趣—啟其思—激其情—奮其志—導(dǎo)其勢(shì)—凝其智”的思路（如圖1），各環(huán)節(jié)充分合理利用信息技術(shù)，讓學(xué)生寓學(xué)于樂(lè)、樂(lè)中求學(xué)，真正踐行“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念。教師將高中化學(xué)和信息技術(shù)深度融合，力求提高學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，幫助他們從低階能力向高階能力轉(zhuǎn)變，有效提升核心素養(yǎng)。數(shù)字時(shí)代，深度融合將使傳統(tǒng)教學(xué)發(fā)生根本性變革，而其中的變量不應(yīng)只有信息技術(shù)，還應(yīng)有不同學(xué)科特性的教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容。為實(shí)現(xiàn)深度融合，教師需要把握學(xué)科特性，對(duì)學(xué)科內(nèi)容與教學(xué)方式等進(jìn)行深度解剖，以系統(tǒng)的、整體的眼光看待相互聯(lián)系的要素。建設(shè)科學(xué)高效的協(xié)同機(jī)制是促進(jìn)信息技術(shù)與教學(xué)深度融合的有力保障?；诖私處熢O(shè)計(jì)了教學(xué)流程（如圖2）。從操作層面看，教學(xué)設(shè)計(jì)縱向有教師活動(dòng)、學(xué)生活動(dòng)、技術(shù)支持三大要素，橫向分“課前——以學(xué)定教”“課中——教學(xué)互動(dòng)”“課后——以學(xué)促教”三個(gè)維度。教師在充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和信息技術(shù)工具的基礎(chǔ)上，支持學(xué)生高效地開(kāi)展自主、合作、探究性學(xué)習(xí)，為學(xué)生個(gè)性化、創(chuàng)造性學(xué)習(xí)提供條件。三、精準(zhǔn)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程（一）課前以學(xué)定教學(xué)生任務(wù)：查閱資料并搭建“石墨烯、金剛石、二氧化碳、氯化鈉”的球棍模型，比較幾種晶體物理性質(zhì)間的差異，并完成導(dǎo)學(xué)案任務(wù)；用手機(jī)掃描VR積件二維碼，觀察各晶體三維模型，完成教師在釘釘App上布置的作業(yè)任務(wù)。教師任務(wù)：基于對(duì)釘釘App上學(xué)生預(yù)習(xí)結(jié)果的分析，針對(duì)性整合教學(xué)內(nèi)容，以保證精準(zhǔn)教學(xué)。設(shè)計(jì)意圖：教師明確教學(xué)目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生在鞏固舊知的基礎(chǔ)上探索新知，讓學(xué)生在預(yù)習(xí)過(guò)程中有的放矢主動(dòng)學(xué)習(xí)，獨(dú)立思考自主完成模型搭建任務(wù)，掃碼觀看三維模型，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，以此促進(jìn)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的發(fā)展，充分體現(xiàn)以學(xué)生為本的教學(xué)理念。教師分析學(xué)生預(yù)習(xí)的反饋結(jié)果，“以學(xué)定教”，助力課上高效教學(xué)。（二）課中教學(xué)互動(dòng)教師創(chuàng)設(shè)情境：認(rèn)識(shí)黑金之王——石墨烯?！笆謾C(jī)充滿電真的只需幾秒鐘嗎？史上最薄電燈泡薄到什么程度？存在光驅(qū)動(dòng)飛行器嗎？大家相信嗎？科學(xué)家找到了一種只需借助鉛筆中蘊(yùn)含的單一化合物——石墨烯。自此，關(guān)于石墨烯非凡應(yīng)用的新聞不斷出現(xiàn)在人們的視野中，石墨烯似乎已經(jīng)成為無(wú)所不能的超級(jí)材料。石墨烯到底是什么？到底有什么特性讓它備受推崇？下面，我們一起打開(kāi)‘黑金之王——石墨烯的神奇大門?！苯處熡?/p>

PPT講解碳納米材料的發(fā)展和石墨烯的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)革命性進(jìn)展的發(fā)現(xiàn)——使用撕透明膠帶的方法從石墨中分離出單層的石墨烯。為了讓學(xué)生更直觀地理解石墨烯的非凡特性，教師播放了一段關(guān)于石墨烯的性質(zhì)的視頻。學(xué)生小結(jié)：石墨烯是現(xiàn)有材料中厚度最薄、強(qiáng)度最高、導(dǎo)熱性最好的新型二維材料，是重要的戰(zhàn)略新興材料；石墨烯具有強(qiáng)導(dǎo)電、高柔韌、高硬度、低密度等特性。1.分析石墨烯結(jié)構(gòu)（任務(wù)1）第一項(xiàng)活動(dòng)：基于構(gòu)成微粒認(rèn)識(shí)石墨烯。在模型展示環(huán)節(jié)，教師搭建石墨烯的球棍模型并展示其空間結(jié)構(gòu)。然后，教師讓學(xué)生根據(jù)石墨烯的空間結(jié)構(gòu)和構(gòu)成原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)分組探討石墨烯中碳原子的成鍵情況。學(xué)生1：石墨烯為平面型結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子與周圍三個(gè)碳原子形成平面三角形結(jié)構(gòu)，所以石墨烯中碳原子為sp2雜化。學(xué)生2：雜化后，每個(gè)碳原子剩余的一個(gè)單電子在未雜化的軌道里，每個(gè)未參與雜化的p軌道互相平行重疊形成了大π鍵。第二項(xiàng)活動(dòng)：基于微?？臻g排布認(rèn)識(shí)石墨烯。教師讓學(xué)生用ChemDraw軟件畫(huà)出石墨烯晶體的一個(gè)晶胞，分組討論并解釋。學(xué)生分組匯報(bào)，展示作品（如圖3）。教師提示：對(duì)于晶胞來(lái)講其頂點(diǎn)環(huán)境必須完全相同；晶胞在相應(yīng)的各軸向上應(yīng)具平穩(wěn)性，整塊晶體可以看成無(wú)數(shù)晶胞無(wú)隙并置而成的。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生最終確定石墨烯晶體的一個(gè)晶胞圖示應(yīng)是作品2或作品3。2.基于結(jié)構(gòu)解釋和預(yù)測(cè)石墨烯性質(zhì)（任務(wù)2）第一項(xiàng)活動(dòng)：解釋石墨烯的導(dǎo)電性。教師用PPT資料展示：石墨烯具有強(qiáng)導(dǎo)電性，其導(dǎo)電效率是硅的100倍左右。因此人們期待用它來(lái)制作更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代晶體管。學(xué)生討論后得出結(jié)論：石墨烯中C原子采用sp2雜化形成平面結(jié)構(gòu)，未雜化的p軌道含有一個(gè)單電子，且互相平行，可以形成大π鍵，電子具有較好的流動(dòng)性，故石墨烯具有超強(qiáng)的導(dǎo)電性。第二項(xiàng)活動(dòng)：預(yù)測(cè)石墨烯的性質(zhì)——熔點(diǎn)高低（見(jiàn)表1）。教師引導(dǎo)學(xué)生基于晶體類型，構(gòu)建物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系（見(jiàn)表2）。3.基于結(jié)構(gòu)與性質(zhì)實(shí)現(xiàn)石墨烯功能化應(yīng)用（任務(wù)3）活動(dòng)：石墨烯的非共價(jià)鍵改性。學(xué)生討論后認(rèn)為：由于π-π堆積、氫鍵、靜電等作用，氧化石墨烯有優(yōu)異的吸附性，有助于提取分離純化中藥有效成分，有助于提高提取分離效率，增強(qiáng)選擇性，使得其在生物醫(yī)藥方面有重要應(yīng)用。設(shè)計(jì)意圖：教師以社會(huì)熱點(diǎn)為切入點(diǎn)，創(chuàng)設(shè)情境幫助學(xué)生了解石墨烯，以激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)結(jié)合信息技術(shù)和搭建球棍模型的實(shí)踐活動(dòng)，教師引導(dǎo)學(xué)生分組探究，使他們能夠從宏觀和微觀兩個(gè)層面深入認(rèn)識(shí)石墨烯。這種教學(xué)方式不僅可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)晶體的全面理解，而且能幫助他們內(nèi)化了思維建模知識(shí)，增強(qiáng)其概念意識(shí)和抽象思維能力。這一過(guò)程可以有效促進(jìn)學(xué)生在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)方面的提升，特別是在“宏觀辨識(shí)與微觀探析”以及“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”方面的發(fā)展。（三）課后以學(xué)促教教師給學(xué)生布置了三項(xiàng)任務(wù)：用Xmind軟件繪制思維導(dǎo)圖，分別歸納共價(jià)晶體、離子晶體、分子晶體的主要特點(diǎn)；嘗試用ChemDraw軟件繪制氯化鈉、水分子的結(jié)構(gòu)；完成釘釘App中相應(yīng)的習(xí)題，并填寫(xiě)課后反饋單。設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在課后有效利用信息技術(shù)自主繪制思維導(dǎo)圖并拓展延伸，有利于提升其探究精神和創(chuàng)新能力。教師借助課后作業(yè)鞏固強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)課堂知識(shí)的有效內(nèi)化，促進(jìn)學(xué)生由“低階能力”向“高階能力”的轉(zhuǎn)變；對(duì)課后反饋情況進(jìn)行分析，進(jìn)一步了解學(xué)生對(duì)本節(jié)內(nèi)容的掌握情況，完善教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)效率。四、反饋教學(xué)效果教師利用三維模型VR積件教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生深入理解概念本質(zhì)。同時(shí)，教師注重滲透思維方法的培養(yǎng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生在模型建構(gòu)與應(yīng)用中的思維過(guò)程，幫助他們動(dòng)態(tài)把握要素與關(guān)系的變化，并建立起“宏觀性質(zhì)—微觀結(jié)構(gòu)—三維模型”三者之間的聯(lián)系（如圖4）。學(xué)生學(xué)會(huì)在學(xué)習(xí)過(guò)程中不斷建立并應(yīng)用思維模型解決問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相關(guān)聯(lián)的探究活動(dòng)中進(jìn)一步深化物質(zhì)的結(jié)構(gòu)觀[2]，發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)。基于以上的思考和探索，筆者將高中化學(xué)教學(xué)與信息技術(shù)深度融合的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為如下三點(diǎn)。其一，提供豐富的教學(xué)資源，促進(jìn)教學(xué)數(shù)字化。在“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊中，學(xué)生對(duì)立體分子感知及具體形象思維的認(rèn)知能力不強(qiáng)，對(duì)復(fù)雜知識(shí)的邏輯體系了解不夠透徹，且有些知識(shí)本身非常抽象和繁雜，所以教師用傳統(tǒng)方式教學(xué)效果不理想。針對(duì)化學(xué)學(xué)科的特性，教師利用信息技術(shù)突破原本難以研究的問(wèn)題，可以使難以理解的抽象問(wèn)題顯性化、可視化[3]。教師應(yīng)用中小學(xué)智慧教育云平臺(tái)等數(shù)字化工具提供豐富的教學(xué)資源，拓展了教學(xué)時(shí)空，促進(jìn)課堂教學(xué)的改革創(chuàng)新。例如，“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生學(xué)習(xí)晶體的結(jié)構(gòu)比較困難，因二維模型無(wú)法提供更形象具體的信息，利用三維模型VR積件教學(xué)，能讓學(xué)生從多個(gè)角度進(jìn)行分析理解，實(shí)現(xiàn)從二維到三維的轉(zhuǎn)變，并構(gòu)建“宏觀性質(zhì)—微觀結(jié)構(gòu)—三維模型”矩陣模型。在教學(xué)過(guò)程中，教師還讓學(xué)生利用信息技術(shù)協(xié)同互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)，參與在線閱讀、在線溝通、在線學(xué)習(xí)、線上模擬實(shí)驗(yàn)等活動(dòng)，由此拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)渠道，幫助他們積累經(jīng)驗(yàn)，掌握更多的學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)效率，最大限度體現(xiàn)信息技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的功效，將抽象的化學(xué)知識(shí)具體化、形象化，為教學(xué)賦能，為學(xué)生賦能。其二，創(chuàng)設(shè)多元的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)高效學(xué)習(xí)。數(shù)字時(shí)代，教師如何利用信息技術(shù)來(lái)創(chuàng)造多元的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)學(xué)生高效學(xué)習(xí)？教師可從以下幾方面著手。第一，教師積極利用多媒體課堂、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺(tái)等方式開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生更好地了解化學(xué)前沿知識(shí)在不同行業(yè)的應(yīng)用。第二，教師充分利用信息技術(shù)開(kāi)展小組數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生之間的合作精神，解決現(xiàn)象不明顯、危險(xiǎn)系數(shù)高等實(shí)際問(wèn)題，設(shè)置沉浸式的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、三維可視化的效果，以及實(shí)操、評(píng)分等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生以數(shù)字化學(xué)習(xí)方式學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)知識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)技能。第三，在教學(xué)過(guò)程中，教師要結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)情況針對(duì)性教學(xué)，在課前利用微課向?qū)W生展示具體案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；課堂上充分利用信息技術(shù)融合化學(xué)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生感受化學(xué)魅力；課后，教師利用思維導(dǎo)圖，對(duì)知識(shí)進(jìn)行全面梳理，幫助學(xué)生構(gòu)建完善的知識(shí)體系[4]，實(shí)現(xiàn)學(xué)生能力由“低階”向“高階”的轉(zhuǎn)變。其三，加強(qiáng)學(xué)情管理，推進(jìn)精準(zhǔn)教學(xué)。在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)建立數(shù)字化的質(zhì)量評(píng)價(jià)和管理機(jī)制，對(duì)學(xué)生進(jìn)行差異化管理，進(jìn)一步完善精準(zhǔn)化課堂教學(xué)體系。教師可利用信息技術(shù)“按需定教”，針對(duì)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展需求，精準(zhǔn)判斷學(xué)情，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)教學(xué)資源，精準(zhǔn)干預(yù)[5]，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，教師可適當(dāng)調(diào)整教學(xué)方法，利用信息技術(shù)與化學(xué)知識(shí)各個(gè)層面的聯(lián)系，促進(jìn)數(shù)字化教學(xué)的有效開(kāi)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)和成果的精準(zhǔn)把握。因此，高中化學(xué)教師應(yīng)積極踐行數(shù)字化教學(xué)理念，要有意識(shí)地借助信息技術(shù)改善課堂環(huán)境，挖掘與彰顯化