基于課標“學習活動建議”改進數(shù)字化實驗的研究

摘要：“學習活動建議”是《義務教育化學課程標準（2022年版）》化學課程內容重要組成部分之一。加強信息技術的應用，創(chuàng)新內容呈現(xiàn)形式，探索開發(fā)數(shù)字化教材，提供更加豐富的教學資源與多樣化的學習方式，是新課標對教材內容的組織與呈現(xiàn)要求之一。在對教材進行二次開發(fā)時，教師應利用“學習活動建議”中安排的“實驗探究活動”“調查與交流活動”“項目式學習活動”等內容，引導學生開展定量的科學探究，借助可視化的數(shù)據(jù)認識化學問題的本質，培養(yǎng)他們多視角收集證據(jù)解決化學問題的能力。關鍵詞：化學；課程標準；學習活動建議；手持技術；教材二次開發(fā)《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）以促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展為導向，設置了五個學習主題，每個學習主題的教學提示，包括教學策略建議、情境素材建議和“學習活動建議”。新課標提供核心素養(yǎng)發(fā)展導向的學習機會和學習環(huán)境建議，旨在優(yōu)化課程目標和學業(yè)質量在每個學習主題中的實現(xiàn)途徑，促進教學方式和學習方式的轉變[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?；瘜W教材是化學課程重要的物化形態(tài)與文本素材，是實現(xiàn)化學課程目標的重要載體，是開展化學教學的主要資源之一[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”，它也是教師應具備的關鍵能力之一[4]。教師在教學中，應堅持核心素養(yǎng)導向的課程資源觀，充分發(fā)揮課程資源開發(fā)和利用的主體作用，加強信息技術的應用，創(chuàng)新內容呈現(xiàn)形式，探索開發(fā)數(shù)字化教材，為學生提供更加豐富的教學資源與多樣化的學習方式[5]，促進全面育人目標的實現(xiàn)。如何以新課標中“學習活動建議”為依據(jù)，推動數(shù)字化實驗在化學教材[6]開發(fā)中的應用？下面，筆者談談自己的認識和做法。一、對“學習活動建議”的理解“學習活動建議”是義務教育化學課程內容重要組成部分之一，是學生參加化學學習活動重要內容。教學中，教師不僅要讓學生學習新課標里規(guī)定的“所要達到的最基礎的學習要求”，而且還要根據(jù)“學習活動建議”，明確探究和實踐任務，放手讓學生探究和實踐，鼓勵學生以自主與合作方式參與活動，并給予必要的指導與支持。（一）研究“學習活動建議”有利于探尋實踐思路與方法“學習活動建議”建立了學生活動的標準，規(guī)范了學生“怎么學”，指導著教學評一體化學習任務的設計。任務是開展探究實踐的主體，有了任務才能激發(fā)學生去探究思考并設計方案，積極觀察、分析，形成探究實踐的思路與方法。教師參考“學習活動建議”設計任務，指導學生探究才具有有效性和權威性。另外，“學習活動建議”提出了活動的實施方案，為教與學指明了方向。（二）落實“學習活動建議”有利于激發(fā)學生的探究欲望義務教育化學課程作為一門自然科學課程，具有基礎性和實踐性[7]。學生應像“科學家一樣思考問題”，學習化學。教師呈現(xiàn)“學習活動建議”，讓學生探尋自己喜歡的學習內容和適合自己的學習方法，逐漸增強探究興趣?！皩W習活動建議”對探究實踐素養(yǎng)的培養(yǎng)具有重要的作用。在教學中，教師應吃透新課標中“學習活動建議”，在利用教材內容的基礎上，應用信息技術并使之與化學實驗深度融合，切實做好化學教材二次開發(fā)工作。二、對教材二次開發(fā)的認識（一）科學使用化學教材對于教材內容的呈現(xiàn)，教師應領會新課標的內涵及要求，不能簡單堆砌事實材料，而應注重內容的內在聯(lián)系，體現(xiàn)學科思想和方法。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課程內容具有趣味性、基礎性，教學內容體系也充分符合學生的認知發(fā)展規(guī)律，滿足學生在不同水平上的進階發(fā)展需求?？鬃诱f“不憤不啟，不悱不發(fā)”?！皯崱焙汀般倍衷忈屃藢W生在學習中，會產生“認知沖突”，經歷“平衡—不平衡—新平衡”的學習過程。教師應該根據(jù)學生的實際情況和教學需要，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)了教師的教學智慧和教學創(chuàng)新[8]。教材[9]突出了學科特點，考慮到不同區(qū)域、不同學生的發(fā)展需求，留有一定的彈性和靈活性，便于教師的創(chuàng)造性教學和學生的個性化學習[10]。如教材給出了用灼燒火柴梗來判斷蠟燭燃燒外焰、內焰和焰心溫度高低的方法。該實驗是學生正式學習化學后接觸的首個探究性實驗，對于培養(yǎng)學生的科學思維、科學探究與實踐等化學核心素養(yǎng)、敏銳觀察能力、嚴謹科學思維有著重要作用[11]。再如，教材中采用紅磷燃燒法“測定空氣里氧氣的含量”，該實驗的設計思想源于拉瓦錫著名的“12天實驗”[12]。教材編寫者如此設計，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”，還應該學會分析實驗內容編寫與實際教學中存在的“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）改變學生學習知識方式在《初中化學教學設備配置標準》的科學探究主題中，專門列出了數(shù)字化探究實驗的專題。該文件建議學校選配計算機、數(shù)字采集器、軟件及多種傳感器在內的計算機數(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。教學中，教師應堅持以“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)實驗蘊含的教學價值，而且能對該實驗有效擴展，讓學生獲得更為豐富的科學探究體驗，提高實驗教學效率。教師將數(shù)字化實驗應用于教學中，有助于增強學生獲取、加工、處理信息的能力。在教學中科學開展數(shù)字化實驗有利于開闊學生的視野，豐富學生的知識體系，為學生知識體系的建構提供強大的技術支持，提高學習效率[14]，促進學習方式的改變，有效實現(xiàn)深度學習。在手持技術的支撐下，教師能更好地實現(xiàn)“學生為主、教師為輔”的教學方式，將以往“教師提供問題和方法，學生通過實驗結果得出結論”的教學過程轉化為數(shù)字化環(huán)境下的“教師創(chuàng)設情境，學生發(fā)現(xiàn)問題，主動找出方法，最后討論得出結論”的教學過程，讓學生體驗實驗樂趣，提高主觀能動性[15]。三、手持技術和教材開發(fā)深度融合的實踐筆者結合新課標中“科學探究與化學實驗”“物質的性質與應用”“物質的組成與結構”“物質的化學變化”“化學與社會·跨學科實踐”五個學習主題，依據(jù)“教學提示”中“學習活動建議”的內容，整理出手持技術數(shù)字化實驗在初中化學教材編寫內容基礎上的拓展內容，有效推動教材深度開發(fā)。下面，以“學習活動建議”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)生的置換反應及規(guī)律”兩個活動在教材開發(fā)中應用為例介紹如何將手持技術和教材二次開發(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)生反應的條件）。在教學中，有學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。為了滿足學生的學習需求，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，而且便于學生根據(jù)曲線判斷鐵生銹氧氣、水的變化情況，了解該反應放熱的特點。同時，學生對反應快慢的影響因素和“鐵生銹”的應用有了新的認識。在開展傳統(tǒng)實驗時，學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合的方式，設計嚴謹?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)生的置換反應及規(guī)律以“鐵與硫酸銅溶液反應”為例。教材設計了“反應前后物質的質量關系”的探究內容，對于其中的方案二用“鐵與硫酸銅溶液”在密閉容器中反應，有學生提出疑問，“從反應原理分析，沒有氣體參加反應也沒有氣體生成，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，讓學生知道溶液顯酸性且酸性較強。學生根據(jù)“酸溶液與金屬”發(fā)生置換反應的特點，知道該反應有氫氣生成，對為何設置密封裝置有了正確的認識。隨著認知水平的提高，學生又提出疑問，“溶液中的pH應該逐漸變大，為何用pH傳感器測定發(fā)現(xiàn)結果恰恰相反，溶液的酸性不降反升”。筆者繼續(xù)和學生一起分析。學生根據(jù)反應體系的特點，提出“有可能氧氣參加了反應”，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的現(xiàn)象回歸“正?！盵17]。筆者融合手持技術開展數(shù)字化實驗，從定性定量相結合的視角，促進了學生高階思維的發(fā)展。除了上述兩個案例外，教師可全面結合“學習活動建議”在教材開發(fā)中融入數(shù)字化實驗開展初中化學教學（掃碼查閱表格）。四、總結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，使學生受益，還要靠老師的善于運用?！睂滩牡亩伍_發(fā)，應在保證科學性的前提下開展。教師要注意學生的可接受性，在敘述和描述時注意語言通俗、承接順暢