應(yīng)用數(shù)字教材優(yōu)化初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐探索

摘要：根據(jù)《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》應(yīng)用的理念和要求，教師從建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論出發(fā)，分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)方向，提出數(shù)字教材優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“技術(shù)賦能清晰呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，虛實(shí)結(jié)合讓探究真正發(fā)生”等策略，并基于“知識(shí)回顧，情境引入；自主探究，設(shè)計(jì)方案；動(dòng)手操作，真實(shí)實(shí)驗(yàn)；觀察現(xiàn)象，得出結(jié)論；回顧反思，開展評(píng)價(jià)”的教學(xué)實(shí)踐加以驗(yàn)證，梳理再造實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字教材為教學(xué)賦能增效。關(guān)鍵詞：數(shù)字教材；初中化學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)是化學(xué)學(xué)科的重要特征之一，化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)全面發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)有著極為重要的作用[1]。實(shí)驗(yàn)是學(xué)生“學(xué)中做”和“做中思”的重要過程。實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生需要調(diào)用已學(xué)的知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自主探索或與同伴交流協(xié)作，確定實(shí)驗(yàn)方案；需要規(guī)范操作完成實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象，分析判斷，得出結(jié)論。如實(shí)驗(yàn)失敗，學(xué)生要反思，分析原因，改進(jìn)方案并再次嘗試?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)不僅是研究化學(xué)知識(shí)的重要方法和手段，而且是學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決問題、發(fā)展關(guān)鍵能力的有效路徑。新課標(biāo)建議教師盡可能多地為學(xué)生提供動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，注重發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的作用，合理運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，但不能用來完全替代真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)[2]。教育主管部門或教研機(jī)構(gòu)在學(xué)業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)中也注重考查學(xué)生整合信息、實(shí)驗(yàn)探究、分析解決問題等化學(xué)學(xué)科的關(guān)鍵能力。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)原因，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍存在“缺乏實(shí)驗(yàn)器材”“實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以觀察”“學(xué)生興趣不濃，參與度低”“實(shí)驗(yàn)情境單一，缺乏拓展和創(chuàng)新”“限定實(shí)驗(yàn)操作方案，無法創(chuàng)新探索”“過于關(guān)注實(shí)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(jié)合教學(xué)實(shí)踐，分析如何利用數(shù)字教材優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。一、利用數(shù)字教材優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，筆者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)需要做到以下三點(diǎn)：一是創(chuàng)設(shè)真實(shí)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(dòng)和交流。在復(fù)習(xí)課教學(xué)中，教師應(yīng)以學(xué)科大概念為核心，緊緊圍繞“原理、裝置、操作、現(xiàn)象、結(jié)論”，重組復(fù)習(xí)單元，幫助學(xué)生構(gòu)建學(xué)科知識(shí)體系，深化對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解與內(nèi)化，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)的遷移與運(yùn)用[3]。初中化學(xué)數(shù)字教材，除了載有紙質(zhì)教科書的內(nèi)容之外，還加載了多種數(shù)字化教學(xué)資源，有利于教師豐富教學(xué)素材，拓寬教學(xué)的深度和廣度，創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境。教師使用交互動(dòng)畫等形式的資源，可以將抽象的、微觀的知識(shí)內(nèi)容直觀呈現(xiàn)，幫助學(xué)生突破難點(diǎn)，理解知識(shí)，實(shí)現(xiàn)意義建構(gòu)。數(shù)字教材中的實(shí)驗(yàn)視頻和虛擬實(shí)驗(yàn)可以為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)探究提供工具和平臺(tái)，為學(xué)生的自主探究提供安全可靠的環(huán)境，幫助教師優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)?；跀?shù)字教材優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要策略如下。（一）技術(shù)賦能，清晰呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象化學(xué)反應(yīng)發(fā)生過程往往伴隨著強(qiáng)光或高熱，有的反應(yīng)發(fā)生太快，有的反應(yīng)發(fā)生太慢，不利于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。數(shù)字教材配備有紙質(zhì)教科書中全套實(shí)驗(yàn)的演示視頻，借助技術(shù)手段，清晰呈現(xiàn)反應(yīng)過程和細(xì)節(jié)，支持學(xué)生反復(fù)觀看（也有暫停功能），便于觀察和分析。在教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)視頻和真實(shí)實(shí)驗(yàn)配合，主要應(yīng)用場(chǎng)景有：（1）實(shí)驗(yàn)前的操作說明與規(guī)范指導(dǎo)，即教師讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的操作技巧、步驟過程和預(yù)期結(jié)果形成整體的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而為實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備；（2）實(shí)驗(yàn)中的參考比對(duì)，即學(xué)生將自己的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象同視頻中的現(xiàn)象比對(duì)，及時(shí)地調(diào)整和改進(jìn)；（3）實(shí)驗(yàn)后的總結(jié)提升，即教師結(jié)合實(shí)驗(yàn)視頻的畫面，分析實(shí)驗(yàn)原理，進(jìn)行提煉和總結(jié)；（4）復(fù)習(xí)課中的快捷回顧，即教師在復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)，利用數(shù)字教材的書簽功能，帶領(lǐng)學(xué)生快速瀏覽多個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)要點(diǎn)，系統(tǒng)性建構(gòu)知識(shí)。（二）虛實(shí)結(jié)合，讓探究真正發(fā)生虛擬實(shí)驗(yàn)注重實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于安全無損壞。學(xué)生借助虛擬實(shí)驗(yàn)工具進(jìn)行探究，可以將自己的想法付諸實(shí)施，自由嘗試和探索。借助虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以設(shè)計(jì)出富有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)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(jìn)。虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的應(yīng)用場(chǎng)景主要有：（1）示范，即教師用虛擬實(shí)驗(yàn)在一體機(jī)的大屏幕上進(jìn)行演示，一邊操作，一邊講解要點(diǎn)和細(xì)節(jié)；（2）糾錯(cuò)，即教師用虛擬實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)學(xué)生的錯(cuò)誤操作，展示虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的報(bào)錯(cuò)提示，或者爆炸、燃燒、損毀等虛擬情境，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到錯(cuò)誤操作的后果（當(dāng)然，損壞的虛擬儀器可以輕易修復(fù)，不影響繼續(xù)使用）；（3）支持創(chuàng)新探究，即學(xué)生用虛擬實(shí)驗(yàn)無風(fēng)險(xiǎn)地驗(yàn)證方案的準(zhǔn)確性（探究性實(shí)驗(yàn)的問題情境相對(duì)真實(shí)和復(fù)雜，學(xué)生有了初步想法需要驗(yàn)證）；（4）呈現(xiàn)思維過程，即學(xué)生用虛擬實(shí)驗(yàn)展示自己的方案及模擬操作，交流探討；（5）復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)快速實(shí)驗(yàn)，在只需要設(shè)計(jì)方案、不必要做真實(shí)實(shí)驗(yàn)的情況下，學(xué)生可以開展虛擬實(shí)驗(yàn)快速提出方案，并進(jìn)行展示交流。二、基于數(shù)字教材開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)字化資源和技術(shù)工具不能完全替代真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，但是教師可以依托數(shù)字教材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，利用信息技術(shù)手段彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)的不足，發(fā)揮學(xué)生的自主性，讓他們有效探究，以此提升教學(xué)質(zhì)量和效果，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。筆者以學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)“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(xué)。筆者根據(jù)教學(xué)分析和學(xué)情分析結(jié)果，確定本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)如下。第一，引導(dǎo)學(xué)生初步學(xué)習(xí)二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制法，開展探究活動(dòng)，充分發(fā)揮學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)的功能，借助虛擬實(shí)驗(yàn)工具，為學(xué)生提供充分的動(dòng)手實(shí)踐和動(dòng)腦思考的機(jī)會(huì)。學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，探索實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的思路，交流、對(duì)比、評(píng)價(jià)、完善，確定最終的實(shí)驗(yàn)思路，經(jīng)歷完整的探究過程，提高科學(xué)思維和實(shí)踐能力。第二，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的具體操作，掌握反應(yīng)原理，學(xué)會(huì)制作、驗(yàn)證等技能，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、敢于質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度與習(xí)慣。第三，引導(dǎo)學(xué)生綜合所學(xué)知識(shí)，在反思和交流的基礎(chǔ)上，歸納制取氣體的一般思路與方法，深化對(duì)化學(xué)科學(xué)及科學(xué)探究本質(zhì)的理解，發(fā)展科學(xué)探究能力和創(chuàng)新意識(shí)。教學(xué)重點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的原理和制取氣體的一般方法，難點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。教師利用人教數(shù)字教材，采用探究法教學(xué)。教師提出問題，讓學(xué)生借助虛擬實(shí)驗(yàn)工具探求解決方案，積極探討形成最終實(shí)驗(yàn)方案，開展實(shí)驗(yàn)，總結(jié)方法。教學(xué)過程如下。環(huán)節(jié)一：知識(shí)回顧，情境引入本環(huán)節(jié)，教師安排兩個(gè)板塊的教學(xué)活動(dòng)。第一個(gè)板塊是復(fù)習(xí)與本節(jié)課相關(guān)的既有知識(shí)，如實(shí)驗(yàn)室制取氧氣的方法、碳單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)等。在這節(jié)課中，學(xué)生需要遷移應(yīng)用氧氣的制取方法，所以要重點(diǎn)復(fù)習(xí)。考慮學(xué)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(xué)生觀看，回憶相關(guān)內(nèi)容。教師將其他單元的視頻資源遷移用作復(fù)習(xí)鞏固的教學(xué)素材，有利于打通不同章節(jié)，按照教學(xué)需求個(gè)性化地組織知識(shí)，構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的課程。第二個(gè)板塊是設(shè)置學(xué)生感興趣的情境，引出問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)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(guān)，在生活中有著大量的用途，由此引出實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的課題。環(huán)節(jié)二：自主探究，設(shè)計(jì)方案第一項(xiàng)探究活動(dòng)：確定反應(yīng)物和反應(yīng)原理。學(xué)生結(jié)合所學(xué)的碳單質(zhì)的相關(guān)知識(shí)，提出制取二氧化碳過程中可能的反應(yīng)物。教師再引導(dǎo)學(xué)生對(duì)各種可能的反應(yīng)物組合進(jìn)行評(píng)議。學(xué)生在評(píng)議的過程中，充分應(yīng)用所學(xué)的物質(zhì)性質(zhì)等知識(shí)，從常規(guī)狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)是否可行、實(shí)驗(yàn)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(jìn)行分析。除此以外，酸的濃度、藥品顆粒大小等也對(duì)制取有影響，如鹽酸與碳酸鈉粉末反應(yīng)，反應(yīng)速率過大不易控制。教師可以開展虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，對(duì)不同反應(yīng)物快速驗(yàn)證，為判斷提供參考依據(jù)。學(xué)生積極討論和交流，在質(zhì)疑和辯解中提升了他們嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、敢于質(zhì)疑的精神和科學(xué)思維能力。經(jīng)過討論，師生共同確定選擇反應(yīng)物為碳酸鈣顆粒和稀鹽酸，反應(yīng)方程式為：CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑

+H2O第二項(xiàng)探究活動(dòng)：確定反應(yīng)裝置和操作步驟。確定反應(yīng)裝置和操作步驟是實(shí)驗(yàn)探究的重要環(huán)節(jié)。因?yàn)橛锌赡軗p壞器材，且操作具有一定的危險(xiǎn)性，在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生只能按照教師給定的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。沒有真正探究，學(xué)生學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)工具，讓學(xué)生大膽地、自由地嘗試，根據(jù)系統(tǒng)的反饋，通過師生的評(píng)價(jià)和交流，發(fā)現(xiàn)存在的問題和知識(shí)漏洞，不斷改進(jìn)。教師應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可使學(xué)生的思維過程可視化，便于指導(dǎo)和交流（掃碼看視頻）。在實(shí)驗(yàn)裝置確定后，教師讓學(xué)生繼續(xù)利用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探索氣體檢驗(yàn)方法及驗(yàn)滿方法的設(shè)計(jì)，開展模擬實(shí)驗(yàn)，掌握實(shí)驗(yàn)操作的步驟和正確的操作方法。學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)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(píng)價(jià)，對(duì)錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行糾正。教師開展虛擬實(shí)驗(yàn)將操作規(guī)范要求落實(shí)到教學(xué)中，同時(shí)避免造成實(shí)驗(yàn)器材的損壞。環(huán)節(jié)三：動(dòng)手操作，真實(shí)實(shí)驗(yàn)在學(xué)生充分理解實(shí)驗(yàn)反應(yīng)物、反應(yīng)原理、實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)操作步驟之后，教師讓學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師將確定的實(shí)驗(yàn)方案在大屏上呈現(xiàn)，供學(xué)生參考。因?yàn)橛谐渥愕匿亯|和準(zhǔn)備，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)目的明確、步驟準(zhǔn)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(jié)論實(shí)驗(yàn)完成后，師生要進(jìn)行以下兩方面總結(jié)。一方面是回顧實(shí)驗(yàn)過程，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。此時(shí)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)已結(jié)束，教師借助數(shù)字教材里的實(shí)驗(yàn)視頻，暫停在實(shí)驗(yàn)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)或者實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的地方，結(jié)合視頻畫面回顧分析實(shí)驗(yàn)過程，總結(jié)相關(guān)知識(shí)。另一方面對(duì)比氧氣和二氧化碳制取方法，總結(jié)制取氣體的一般方法。教師打開數(shù)字教材，出示對(duì)應(yīng)的教材內(nèi)容，帶領(lǐng)閱讀、圈畫，做總結(jié)。教師利用“大屏”呈現(xiàn)數(shù)字教材內(nèi)容，有效解決了紙質(zhì)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(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)完成后，教師一定要帶領(lǐng)學(xué)生回顧整節(jié)課的學(xué)習(xí)過程，反思自己的學(xué)習(xí)態(tài)度、知識(shí)和方法掌握情況等。在教學(xué)過程中，教師一直觀察學(xué)生的表現(xiàn)，以便實(shí)施過程性評(píng)價(jià)。在這個(gè)環(huán)節(jié)，教師從知識(shí)運(yùn)用、探究思考、實(shí)驗(yàn)操作、學(xué)習(xí)品質(zhì)的維度設(shè)計(jì)問題，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)自己的學(xué)習(xí)行為、態(tài)度和能力進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)元認(rèn)知能力。三、教學(xué)流程再造與模式提煉在信息技術(shù)加持下，數(shù)字教材實(shí)現(xiàn)了教材模塊化、內(nèi)容立體化、資源功能化——圍繞教材重難點(diǎn)提供示范性、多層次的數(shù)字教學(xué)資源，并通過資源的交互性設(shè)計(jì)和即時(shí)評(píng)價(jià)等功能，服務(wù)于自主探究式教學(xué)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施的痛點(diǎn)和難點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了基于數(shù)字教材的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)流程（如圖1）。借助數(shù)字教材，教師可以創(chuàng)造性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。在教學(xué)流程方面，傳統(tǒng)的“教師講解—教師示范—學(xué)生模仿—總結(jié)知識(shí)”的流程變?yōu)椤扒榫硢栴}—探究設(shè)計(jì)—交流完善—實(shí)驗(yàn)實(shí)施—總結(jié)方法”，如此學(xué)生的參與度大幅提升。在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)方面，以往教師提供方案讓學(xué)生機(jī)械地照做，現(xiàn)在學(xué)生用虛擬實(shí)驗(yàn)工具自主探究設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過交流研討得到成熟方案，更能發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，以及暴露學(xué)生前認(rèn)知的局限和隱藏的問題。在實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)和要領(lǐng)方面，以往教師只能反復(fù)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)，對(duì)學(xué)生觸動(dòng)甚微，現(xiàn)在學(xué)生借助虛擬實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)自己的真實(shí)想法，在交流討論中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，或在模擬實(shí)施遇到困難時(shí)，認(rèn)識(shí)到自己的思維誤區(qū)，不斷試錯(cuò)糾正，完善知識(shí)體系。在學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)方面，傳統(tǒng)方式是借助紙筆測(cè)驗(yàn)來靜態(tài)檢測(cè)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，現(xiàn)在教師借助信息技術(shù)將評(píng)價(jià)貫穿學(xué)習(xí)全過程，使學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)兼具評(píng)價(jià)職能，呈現(xiàn)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)、方法技能、情感態(tài)度以及意志品質(zhì)，完成發(fā)展性、過程性的評(píng)價(jià)。在思維層次上，學(xué)生在問題驅(qū)動(dòng)下，親身參與經(jīng)歷探究全過程，不僅發(fā)現(xiàn)并掌握了學(xué)科知識(shí)，而且提煉總結(jié)了分析問題、解決問題的方法與技巧，更是在解決新舊知識(shí)認(rèn)知沖突的時(shí)