應用數(shù)字教材優(yōu)化初中化學實驗教學的實踐探索

摘要：根據(jù)《義務教育化學課程標準（2022年版）》應用的理念和要求，教師從建構主義學習理論出發(fā)，分析實驗教學的改進方向，提出數(shù)字教材優(yōu)化實驗教學的“技術賦能清晰呈現(xiàn)實驗現(xiàn)象，虛實結合讓探究真正發(fā)生”等策略，并基于“知識回顧，情境引入；自主探究，設計方案；動手操作，真實實驗；觀察現(xiàn)象，得出結論；回顧反思，開展評價”的教學實踐加以驗證，梳理再造實驗教學流程，實現(xiàn)了數(shù)字教材為教學賦能增效。關鍵詞：數(shù)字教材；初中化學；實驗教學化學是一門以實驗為基礎的自然科學?！读x務教育化學課程標準（2022年版）》指出，以實驗為基礎是化學學科的重要特征之一，化學實驗對全面發(fā)展學生的核心素養(yǎng)有著極為重要的作用[1]。實驗是學生“學中做”和“做中思”的重要過程。實驗課上，學生需要調用已學的知識設計實驗方案，自主探索或與同伴交流協(xié)作，確定實驗方案；需要規(guī)范操作完成實驗，觀察現(xiàn)象，分析判斷，得出結論。如實驗失敗，學生要反思，分析原因，改進方案并再次嘗試?；瘜W實驗不僅是研究化學知識的重要方法和手段，而且是學生應用知識解決問題、發(fā)展關鍵能力的有效路徑。新課標建議教師盡可能多地為學生提供動手實驗的機會，注重發(fā)揮現(xiàn)代信息技術的作用，合理運用計算機模擬實驗，但不能用來完全替代真實的化學實驗[2]。教育主管部門或教研機構在學業(yè)質量評價中也注重考查學生整合信息、實驗探究、分析解決問題等化學學科的關鍵能力。因為現(xiàn)實原因，化學實驗教學中仍存在“缺乏實驗器材”“實驗現(xiàn)象難以觀察”“學生興趣不濃，參與度低”“實驗情境單一，缺乏拓展和創(chuàng)新”“限定實驗操作方案，無法創(chuàng)新探索”“過于關注實際操作、忽視能力培養(yǎng)”等問題。教師用好集教材、資源、數(shù)據(jù)和工具于一體的數(shù)字教材，可以破解這些難題。筆者結合教學實踐，分析如何利用數(shù)字教材優(yōu)化實驗教學。一、利用數(shù)字教材優(yōu)化實驗教學的策略根據(jù)建構主義學習理論，筆者認為實驗教學的改進需要做到以下三點：一是創(chuàng)設真實問題情境；二是提供工具和安全的環(huán)境，開展真正的探究；三是師生充分互動和交流。在復習課教學中，教師應以學科大概念為核心，緊緊圍繞“原理、裝置、操作、現(xiàn)象、結論”，重組復習單元，幫助學生構建學科知識體系，深化對實驗的理解與內化，促進實驗的遷移與運用[3]。初中化學數(shù)字教材，除了載有紙質教科書的內容之外，還加載了多種數(shù)字化教學資源，有利于教師豐富教學素材，拓寬教學的深度和廣度，創(chuàng)設實驗情境。教師使用交互動畫等形式的資源，可以將抽象的、微觀的知識內容直觀呈現(xiàn)，幫助學生突破難點，理解知識，實現(xiàn)意義建構。數(shù)字教材中的實驗視頻和虛擬實驗可以為實驗教學和科學探究提供工具和平臺，為學生的自主探究提供安全可靠的環(huán)境，幫助教師優(yōu)化實驗教學?；跀?shù)字教材優(yōu)化實驗教學的主要策略如下。（一）技術賦能，清晰呈現(xiàn)實驗現(xiàn)象化學反應發(fā)生過程往往伴隨著強光或高熱，有的反應發(fā)生太快，有的反應發(fā)生太慢，不利于學生觀察實驗現(xiàn)象。數(shù)字教材配備有紙質教科書中全套實驗的演示視頻，借助技術手段，清晰呈現(xiàn)反應過程和細節(jié)，支持學生反復觀看（也有暫停功能），便于觀察和分析。在教學中，實驗視頻和真實實驗配合，主要應用場景有：（1）實驗前的操作說明與規(guī)范指導，即教師讓學生對實驗的操作技巧、步驟過程和預期結果形成整體的認識，進而為實驗做好準備；（2）實驗中的參考比對，即學生將自己的實驗現(xiàn)象同視頻中的現(xiàn)象比對，及時地調整和改進；（3）實驗后的總結提升，即教師結合實驗視頻的畫面，分析實驗原理，進行提煉和總結；（4）復習課中的快捷回顧，即教師在復習環(huán)節(jié)，利用數(shù)字教材的書簽功能，帶領學生快速瀏覽多個相關實驗，總結要點，系統(tǒng)性建構知識。（二）虛實結合，讓探究真正發(fā)生虛擬實驗注重實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性，實驗者可以像在真實環(huán)境中一樣完成各種實驗項目。虛擬實驗的優(yōu)勢在于安全無損壞。學生借助虛擬實驗工具進行探究，可以將自己的想法付諸實施，自由嘗試和探索。借助虛擬實驗，學生可以設計出富有創(chuàng)新性的實驗方案，真正開展探究，還可以可視化地呈現(xiàn)思維過程，便于交流和改進。虛擬實驗與真實實驗結合的應用場景主要有：（1）示范，即教師用虛擬實驗在一體機的大屏幕上進行演示，一邊操作，一邊講解要點和細節(jié)；（2）糾錯，即教師用虛擬實驗重現(xiàn)學生的錯誤操作，展示虛擬實驗系統(tǒng)的報錯提示，或者爆炸、燃燒、損毀等虛擬情境，讓學生認識到錯誤操作的后果（當然，損壞的虛擬儀器可以輕易修復，不影響繼續(xù)使用）；（3）支持創(chuàng)新探究，即學生用虛擬實驗無風險地驗證方案的準確性（探究性實驗的問題情境相對真實和復雜，學生有了初步想法需要驗證）；（4）呈現(xiàn)思維過程，即學生用虛擬實驗展示自己的方案及模擬操作，交流探討；（5）復習環(huán)節(jié)快速實驗，在只需要設計方案、不必要做真實實驗的情況下，學生可以開展虛擬實驗快速提出方案，并進行展示交流。二、基于數(shù)字教材開展實驗教學數(shù)字化資源和技術工具不能完全替代真實的實驗，但是教師可以依托數(shù)字教材設計實驗教學活動，利用信息技術手段彌補現(xiàn)實的不足，發(fā)揮學生的自主性，讓他們有效探究，以此提升教學質量和效果，培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)。筆者以學生必做實驗“二氧化碳的制取”為例，分析如何依托數(shù)字教材的資源和工具創(chuàng)造性地高效教學。筆者根據(jù)教學分析和學情分析結果，確定本節(jié)課的教學目標如下。第一，引導學生初步學習二氧化碳的實驗室制法，開展探究活動，充分發(fā)揮學生必做實驗的功能，借助虛擬實驗工具，為學生提供充分的動手實踐和動腦思考的機會。學生運用所學知識，探索實驗室制取二氧化碳的思路，交流、對比、評價、完善，確定最終的實驗思路，經歷完整的探究過程，提高科學思維和實踐能力。第二，學生參與實驗室制取二氧化碳的具體操作，掌握反應原理，學會制作、驗證等技能，養(yǎng)成嚴謹求實、敢于質疑的科學態(tài)度與習慣。第三，引導學生綜合所學知識，在反思和交流的基礎上，歸納制取氣體的一般思路與方法，深化對化學科學及科學探究本質的理解，發(fā)展科學探究能力和創(chuàng)新意識。教學重點是實驗室制取二氧化碳的原理和制取氣體的一般方法，難點是實驗裝置的設計。教師利用人教數(shù)字教材，采用探究法教學。教師提出問題，讓學生借助虛擬實驗工具探求解決方案，積極探討形成最終實驗方案，開展實驗，總結方法。教學過程如下。環(huán)節(jié)一：知識回顧，情境引入本環(huán)節(jié)，教師安排兩個板塊的教學活動。第一個板塊是復習與本節(jié)課相關的既有知識，如實驗室制取氧氣的方法、碳單質的化學性質等。在這節(jié)課中，學生需要遷移應用氧氣的制取方法，所以要重點復習?？紤]學生可能有遺忘，教師使用書簽功能，將制取氧氣的視頻資源鏈接到本節(jié)課的數(shù)字教材中，供學生觀看，回憶相關內容。教師將其他單元的視頻資源遷移用作復習鞏固的教學素材，有利于打通不同章節(jié)，按照教學需求個性化地組織知識，構建結構化的課程。第二個板塊是設置學生感興趣的情境，引出問題，激發(fā)學生的學習欲望，開始探究思考。教師出示二氧化碳滅火器、碳酸氫鈉溶液照片，說明二氧化碳與生活密切相關，在生活中有著大量的用途，由此引出實驗室制取二氧化碳的課題。環(huán)節(jié)二：自主探究，設計方案第一項探究活動：確定反應物和反應原理。學生結合所學的碳單質的相關知識，提出制取二氧化碳過程中可能的反應物。教師再引導學生對各種可能的反應物組合進行評議。學生在評議的過程中，充分應用所學的物質性質等知識，從常規(guī)狀態(tài)下實驗是否可行、實驗現(xiàn)象是否明顯、氣體是否可以收集、制取的氣體是否純凈等角度進行分析。除此以外，酸的濃度、藥品顆粒大小等也對制取有影響，如鹽酸與碳酸鈉粉末反應，反應速率過大不易控制。教師可以開展虛擬實驗進行模擬，對不同反應物快速驗證，為判斷提供參考依據(jù)。學生積極討論和交流，在質疑和辯解中提升了他們嚴謹求實、敢于質疑的精神和科學思維能力。經過討論，師生共同確定選擇反應物為碳酸鈣顆粒和稀鹽酸，反應方程式為：CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑

+H2O第二項探究活動：確定反應裝置和操作步驟。確定反應裝置和操作步驟是實驗探究的重要環(huán)節(jié)。因為有可能損壞器材，且操作具有一定的危險性，在傳統(tǒng)教學中，學生只能按照教師給定的方案進行實驗。沒有真正探究，學生學習的主體性和參與度就大打折扣，且問題也無法暴露。教師借助數(shù)字教材中的虛擬實驗工具，讓學生大膽地、自由地嘗試，根據(jù)系統(tǒng)的反饋，通過師生的評價和交流，發(fā)現(xiàn)存在的問題和知識漏洞，不斷改進。教師應用虛擬實驗系統(tǒng)可使學生的思維過程可視化，便于指導和交流（掃碼看視頻）。在實驗裝置確定后，教師讓學生繼續(xù)利用虛擬實驗系統(tǒng)探索氣體檢驗方法及驗滿方法的設計，開展模擬實驗，掌握實驗操作的步驟和正確的操作方法。學生利用虛擬實驗系統(tǒng)進行模擬操作，例如往試管添加碳酸鈣（石灰石）顆粒，讓他人觀察和評價，對錯誤的實驗操作進行糾正。教師開展虛擬實驗將操作規(guī)范要求落實到教學中，同時避免造成實驗器材的損壞。環(huán)節(jié)三：動手操作，真實實驗在學生充分理解實驗反應物、反應原理、實驗裝置設計和實驗操作步驟之后，教師讓學生分組進行實驗。教師將確定的實驗方案在大屏上呈現(xiàn)，供學生參考。因為有充足的鋪墊和準備，學生進行實驗操作時目的明確、步驟準確，安全性和成功率都得到了保障。環(huán)節(jié)四：觀察現(xiàn)象，得出結論實驗完成后，師生要進行以下兩方面總結。一方面是回顧實驗過程，分析實驗現(xiàn)象。此時，因為實驗已結束，教師借助數(shù)字教材里的實驗視頻，暫停在實驗過程的關鍵環(huán)節(jié)或者實驗現(xiàn)象的地方，結合視頻畫面回顧分析實驗過程，總結相關知識。另一方面對比氧氣和二氧化碳制取方法，總結制取氣體的一般方法。教師打開數(shù)字教材，出示對應的教材內容，帶領閱讀、圈畫，做總結。教師利用“大屏”呈現(xiàn)數(shù)字教材內容，有效解決了紙質教科書在師生共同閱讀方面的難題。環(huán)節(jié)五：回顧反思，開展評價實驗完成后，教師一定要帶領學生回顧整節(jié)課的學習過程，反思自己的學習態(tài)度、知識和方法掌握情況等。在教學過程中，教師一直觀察學生的表現(xiàn)，以便實施過程性評價。在這個環(huán)節(jié)，教師從知識運用、探究思考、實驗操作、學習品質的維度設計問題，引導學生對自己的學習行為、態(tài)度和能力進行客觀準確的評價，提升學生的學習元認知能力。三、教學流程再造與模式提煉在信息技術加持下，數(shù)字教材實現(xiàn)了教材模塊化、內容立體化、資源功能化——圍繞教材重難點提供示范性、多層次的數(shù)字教學資源，并通過資源的交互性設計和即時評價等功能，服務于自主探究式教學。針對實驗教學實施的痛點和難點，筆者設計了基于數(shù)字教材的實驗教學活動流程（如圖1）。借助數(shù)字教材，教師可以創(chuàng)造性設計實驗活動。在教學流程方面，傳統(tǒng)的“教師講解—教師示范—學生模仿—總結知識”的流程變?yōu)椤扒榫硢栴}—探究設計—交流完善—實驗實施—總結方法”，如此學生的參與度大幅提升。在實驗方案設計方面，以往教師提供方案讓學生機械地照做，現(xiàn)在學生用虛擬實驗工具自主探究設計方案，經過交流研討得到成熟方案，更能發(fā)揮學生的主觀能動性，以及暴露學生前認知的局限和隱藏的問題。在實驗操作細節(jié)和要領方面，以往教師只能反復強調實驗危險，對學生觸動甚微，現(xiàn)在學生借助虛擬實驗呈現(xiàn)自己的真實想法，在交流討論中發(fā)現(xiàn)錯誤，或在模擬實施遇到困難時，認識到自己的思維誤區(qū)，不斷試錯糾正，完善知識體系。在學業(yè)評價方面，傳統(tǒng)方式是借助紙筆測驗來靜態(tài)檢測學生對知識的掌握情況，現(xiàn)在教師借助信息技術將評價貫穿學習全過程，使學生的學習任務兼具評價職能，呈現(xiàn)學生的知識基礎、方法技能、情感態(tài)度以及意志品質，完成發(fā)展性、過程性的評價。在思維層次上，學生在問題驅動下，親身參與經歷探究全過程，不僅發(fā)現(xiàn)并掌握了學科知識，而且提煉總結了分析問題、解決問題的方法與技巧，更是在解決新舊知識認知沖突的時