基于課標“學(xué)習(xí)活動建議”改進數(shù)字化實驗的研究

摘要：“學(xué)習(xí)活動建議”是《義務(wù)教育化學(xué)課程標準（2022年版）》化學(xué)課程內(nèi)容重要組成部分之一。加強信息技術(shù)的應(yīng)用，創(chuàng)新內(nèi)容呈現(xiàn)形式，探索開發(fā)數(shù)字化教材，提供更加豐富的教學(xué)資源與多樣化的學(xué)習(xí)方式，是新課標對教材內(nèi)容的組織與呈現(xiàn)要求之一。在對教材進行二次開發(fā)時，教師應(yīng)利用“學(xué)習(xí)活動建議”中安排的“實驗探究活動”“調(diào)查與交流活動”“項目式學(xué)習(xí)活動”等內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生開展定量的科學(xué)探究，借助可視化的數(shù)據(jù)認識化學(xué)問題的本質(zhì)，培養(yǎng)他們多視角收集證據(jù)解決化學(xué)問題的能力。關(guān)鍵詞：化學(xué)；課程標準；學(xué)習(xí)活動建議；手持技術(shù)；教材二次開發(fā)《義務(wù)教育化學(xué)課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）以促進學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展為導(dǎo)向，設(shè)置了五個學(xué)習(xí)主題，每個學(xué)習(xí)主題的教學(xué)提示，包括教學(xué)策略建議、情境素材建議和“學(xué)習(xí)活動建議”。新課標提供核心素養(yǎng)發(fā)展導(dǎo)向的學(xué)習(xí)機會和學(xué)習(xí)環(huán)境建議，旨在優(yōu)化課程目標和學(xué)業(yè)質(zhì)量在每個學(xué)習(xí)主題中的實現(xiàn)途徑，促進教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變[1]。在明確了“教什么”“教到什么程度”的同時，新課標還強化了“怎么教”的具體指導(dǎo)?；瘜W(xué)教材是化學(xué)課程重要的物化形態(tài)與文本素材，是實現(xiàn)化學(xué)課程目標的重要載體，是開展化學(xué)教學(xué)的主要資源之一[2]?！叭绾问褂媒滩模ń炭茣?，是‘教教材還是‘用教材教，這是區(qū)分教師專業(yè)化程度的標尺”[3]。教師“用教材教”的能力實際上就是教師的

“教材二次開發(fā)能力”，它也是教師應(yīng)具備的關(guān)鍵能力之一[4]。教師在教學(xué)中，應(yīng)堅持核心素養(yǎng)導(dǎo)向的課程資源觀，充分發(fā)揮課程資源開發(fā)和利用的主體作用，加強信息技術(shù)的應(yīng)用，創(chuàng)新內(nèi)容呈現(xiàn)形式，探索開發(fā)數(shù)字化教材，為學(xué)生提供更加豐富的教學(xué)資源與多樣化的學(xué)習(xí)方式[5]，促進全面育人目標的實現(xiàn)。如何以新課標中“學(xué)習(xí)活動建議”為依據(jù)，推動數(shù)字化實驗在化學(xué)教材[6]開發(fā)中的應(yīng)用？下面，筆者談?wù)勛约旱恼J識和做法。一、對“學(xué)習(xí)活動建議”的理解“學(xué)習(xí)活動建議”是義務(wù)教育化學(xué)課程內(nèi)容重要組成部分之一，是學(xué)生參加化學(xué)學(xué)習(xí)活動重要內(nèi)容。教學(xué)中，教師不僅要讓學(xué)生學(xué)習(xí)新課標里規(guī)定的“所要達到的最基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)要求”，而且還要根據(jù)“學(xué)習(xí)活動建議”，明確探究和實踐任務(wù)，放手讓學(xué)生探究和實踐，鼓勵學(xué)生以自主與合作方式參與活動，并給予必要的指導(dǎo)與支持。（一）研究“學(xué)習(xí)活動建議”有利于探尋實踐思路與方法“學(xué)習(xí)活動建議”建立了學(xué)生活動的標準，規(guī)范了學(xué)生“怎么學(xué)”，指導(dǎo)著教學(xué)評一體化學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計。任務(wù)是開展探究實踐的主體，有了任務(wù)才能激發(fā)學(xué)生去探究思考并設(shè)計方案，積極觀察、分析，形成探究實踐的思路與方法。教師參考“學(xué)習(xí)活動建議”設(shè)計任務(wù)，指導(dǎo)學(xué)生探究才具有有效性和權(quán)威性。另外，“學(xué)習(xí)活動建議”提出了活動的實施方案，為教與學(xué)指明了方向。（二）落實“學(xué)習(xí)活動建議”有利于激發(fā)學(xué)生的探究欲望義務(wù)教育化學(xué)課程作為一門自然科學(xué)課程，具有基礎(chǔ)性和實踐性[7]。學(xué)生應(yīng)像“科學(xué)家一樣思考問題”，學(xué)習(xí)化學(xué)。教師呈現(xiàn)“學(xué)習(xí)活動建議”，讓學(xué)生探尋自己喜歡的學(xué)習(xí)內(nèi)容和適合自己的學(xué)習(xí)方法，逐漸增強探究興趣?！皩W(xué)習(xí)活動建議”對探究實踐素養(yǎng)的培養(yǎng)具有重要的作用。在教學(xué)中，教師應(yīng)吃透新課標中“學(xué)習(xí)活動建議”，在利用教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上，應(yīng)用信息技術(shù)并使之與化學(xué)實驗深度融合，切實做好化學(xué)教材二次開發(fā)工作。二、對教材二次開發(fā)的認識（一）科學(xué)使用化學(xué)教材對于教材內(nèi)容的呈現(xiàn)，教師應(yīng)領(lǐng)會新課標的內(nèi)涵及要求，不能簡單堆砌事實材料，而應(yīng)注重內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系，體現(xiàn)學(xué)科思想和方法。但受篇幅影響，教材給予的素材往往只是諸多素材中的一部分?；瘜W(xué)課程內(nèi)容具有趣味性、基礎(chǔ)性，教學(xué)內(nèi)容體系也充分符合學(xué)生的認知發(fā)展規(guī)律，滿足學(xué)生在不同水平上的進階發(fā)展需求。孔子說“不憤不啟，不悱不發(fā)”?！皯崱焙汀般倍衷忈屃藢W(xué)生在學(xué)習(xí)中，會產(chǎn)生“認知沖突”，經(jīng)歷“平衡—不平衡—新平衡”的學(xué)習(xí)過程。教師應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的實際情況和教學(xué)需要，積極鉆研如何有效地對教材進行創(chuàng)造性開發(fā)和使用。教師對教材的二次開發(fā)，也充分體現(xiàn)了教師的教學(xué)智慧和教學(xué)創(chuàng)新[8]。教材[9]突出了學(xué)科特點，考慮到不同區(qū)域、不同學(xué)生的發(fā)展需求，留有一定的彈性和靈活性，便于教師的創(chuàng)造性教學(xué)和學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)[10]。如教材給出了用灼燒火柴梗來判斷蠟燭燃燒外焰、內(nèi)焰和焰心溫度高低的方法。該實驗是學(xué)生正式學(xué)習(xí)化學(xué)后接觸的首個探究性實驗，對于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究與實踐等化學(xué)核心素養(yǎng)、敏銳觀察能力、嚴謹科學(xué)思維有著重要作用[11]。再如，教材中采用紅磷燃燒法“測定空氣里氧氣的含量”，該實驗的設(shè)計思想源于拉瓦錫著名的“12天實驗”[12]。教材編寫者如此設(shè)計，尊重并沿用拉瓦錫實驗思路，且實驗易操作，現(xiàn)象明顯。教材中“探究”和“實驗”等欄目都是重要的教學(xué)資源，但教師平時使用教材中的這些資源時，不能只是一味地“拿來”，還應(yīng)該學(xué)會分析實驗內(nèi)容編寫與實際教學(xué)中存在的“不一致”[13]，對教材進行二次開發(fā)，更加合理、有效地使用教材。（二）改變學(xué)生學(xué)習(xí)知識方式在《初中化學(xué)教學(xué)設(shè)備配置標準》的科學(xué)探究主題中，專門列出了數(shù)字化探究實驗的專題。該文件建議學(xué)校選配計算機、數(shù)字采集器、軟件及多種傳感器在內(nèi)的計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，并根據(jù)不同的傳感器類型，給出了一系列活動建議。教學(xué)中，教師應(yīng)堅持以“以融合促發(fā)展”的思想，即依托教材又不依賴教材，突破教材的限制，挖掘數(shù)字化實驗資源，對教材進行二次開發(fā)。這樣不僅能充分發(fā)揮傳統(tǒng)實驗蘊含的教學(xué)價值，而且能對該實驗有效擴展，讓學(xué)生獲得更為豐富的科學(xué)探究體驗，提高實驗教學(xué)效率。教師將數(shù)字化實驗應(yīng)用于教學(xué)中，有助于增強學(xué)生獲取、加工、處理信息的能力。在教學(xué)中科學(xué)開展數(shù)字化實驗有利于開闊學(xué)生的視野，豐富學(xué)生的知識體系，為學(xué)生知識體系的建構(gòu)提供強大的技術(shù)支持，提高學(xué)習(xí)效率[14]，促進學(xué)習(xí)方式的改變，有效實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。在手持技術(shù)的支撐下，教師能更好地實現(xiàn)“學(xué)生為主、教師為輔”的教學(xué)方式，將以往“教師提供問題和方法，學(xué)生通過實驗結(jié)果得出結(jié)論”的教學(xué)過程轉(zhuǎn)化為數(shù)字化環(huán)境下的“教師創(chuàng)設(shè)情境，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，主動找出方法，最后討論得出結(jié)論”的教學(xué)過程，讓學(xué)生體驗實驗樂趣，提高主觀能動性[15]。三、手持技術(shù)和教材開發(fā)深度融合的實踐筆者結(jié)合新課標中“科學(xué)探究與化學(xué)實驗”“物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用”“物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)”“物質(zhì)的化學(xué)變化”“化學(xué)與社會·跨學(xué)科實踐”五個學(xué)習(xí)主題，依據(jù)“教學(xué)提示”中“學(xué)習(xí)活動建議”的內(nèi)容，整理出手持技術(shù)數(shù)字化實驗在初中化學(xué)教材編寫內(nèi)容基礎(chǔ)上的拓展內(nèi)容，有效推動教材深度開發(fā)。下面，以“學(xué)習(xí)活動建議”中“探究鐵釘生銹的條件”和“探究常見酸溶液、鹽溶液與金屬發(fā)生的置換反應(yīng)及規(guī)律”兩個活動在教材開發(fā)中應(yīng)用為例介紹如何將手持技術(shù)和教材二次開發(fā)深度融合。（一）探究鐵釘生銹的條件按照教材給出的探究方案，學(xué)生需要課前用1周左右的時間準備，以對照、觀察的方式探究鐵制品銹蝕的原因（發(fā)生反應(yīng)的條件）。在教學(xué)中，有學(xué)生提出能不能縮短實驗時間并且實現(xiàn)氧氣、水的變化情況可視化。為了滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，筆者對該實驗進行改進：用還原性鐵粉和取暖貼等代替鐵釘，在密閉容器中，用濕度傳感器、氧氣傳感器、溫度傳感器等實時監(jiān)測容器中水分、氧氣和溫度的變化情況。這樣不僅縮短了實驗時間，而且便于學(xué)生根據(jù)曲線判斷鐵生銹氧氣、水的變化情況，了解該反應(yīng)放熱的特點。同時，學(xué)生對反應(yīng)快慢的影響因素和“鐵生銹”的應(yīng)用有了新的認識。在開展傳統(tǒng)實驗時，學(xué)生觀察到用植物油液封的水中鐵釘銹蝕了。為了探究用油膜法能否制造無氧環(huán)境，筆者采用定性和定量研究相結(jié)合的方式，設(shè)計嚴謹?shù)膶嶒灧桨?，用山泉水、大豆油、鐵釘?shù)茸鰧嶒灒ㄈ鐖D1）。實驗過程中，在去除溶解氧的水中倒入大豆油，同時插入光學(xué)溶解氧傳感器、不銹鋼溫度傳感器，連續(xù)采集3天水中溶解氧的數(shù)據(jù)[16]（如圖2）。學(xué)生展開定性、定量研究，查閱文獻，根據(jù)溶解理論判斷，用油膜法無法制造水中無氧環(huán)境，進而提出了對傳統(tǒng)實驗的改進方案。（二）探究常見酸溶液、鹽溶液與金屬發(fā)生的置換反應(yīng)及規(guī)律以“鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)”為例。教材設(shè)計了“反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系”的探究內(nèi)容，對于其中的方案二用“鐵與硫酸銅溶液”在密閉容器中反應(yīng)，有學(xué)生提出疑問，“從反應(yīng)原理分析，沒有氣體參加反應(yīng)也沒有氣體生成，為什么要在密閉環(huán)境中進行”。為了答疑解惑，筆者用pH試紙檢測硫酸銅溶液的酸堿度，讓學(xué)生知道溶液顯酸性且酸性較強。學(xué)生根據(jù)“酸溶液與金屬”發(fā)生置換反應(yīng)的特點，知道該反應(yīng)有氫氣生成，對為何設(shè)置密封裝置有了正確的認識。隨著認知水平的提高，學(xué)生又提出疑問，“溶液中的pH應(yīng)該逐漸變大，為何用pH傳感器測定發(fā)現(xiàn)結(jié)果恰恰相反，溶液的酸性不降反升”。筆者繼續(xù)和學(xué)生一起分析。學(xué)生根據(jù)反應(yīng)體系的特點，提出“有可能氧氣參加了反應(yīng)”，用溶解氧傳感器測定，發(fā)現(xiàn)溶解氧在不斷地減少。為了進一步驗證上述措施能否真正排除氧氣對此實驗的干擾，師生改用去氧蒸餾水配制成的硫酸銅溶液，放入鐵釘后用pH傳感器測定（如圖3），發(fā)現(xiàn)

pH沒有再下降而是上升（如圖4）。這說明控制住氧氣這一干擾因素后，鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)的現(xiàn)象回歸“正?！盵17]。筆者融合手持技術(shù)開展數(shù)字化實驗，從定性定量相結(jié)合的視角，促進了學(xué)生高階思維的發(fā)展。除了上述兩個案例外，教師可全面結(jié)合“學(xué)習(xí)活動建議”在教材開發(fā)中融入數(shù)字化實驗開展初中化學(xué)教學(xué)（掃碼查閱表格）。四、總結(jié)教育家葉圣陶先生說：“教材只能作為教課的依據(jù)，要教得好，使學(xué)生受益，還要靠老師的善于運用?！睂滩牡亩伍_發(fā)，應(yīng)在保證科學(xué)性的前提下開展。教師要注意學(xué)生的可接受性，在敘述和描述時注意語言通俗、承接順暢