指向科學(xué)思維發(fā)展的化學(xué)數(shù)字化教學(xué)探究

摘要：分析當(dāng)前初中化學(xué)教學(xué)的一般思路和存在問題，教師結(jié)合《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出的學(xué)業(yè)要求，借助數(shù)字技術(shù)賦能化學(xué)課堂教學(xué)，從定性和定量的視角剖析化學(xué)原理和概念。在“飽和溶液與不飽和溶液”的教學(xué)中，教師開展仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)時呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和溶液濃度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行定性與定量相結(jié)合的分析，理解“飽和溶液”的含義，大膽質(zhì)疑“人的肉眼能觀察到極少量固體的溶解嗎”，同時適時引入電導(dǎo)率傳感器，輔助學(xué)生建立飽和溶液定性與定量的聯(lián)系，促進(jìn)其科學(xué)思維發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了學(xué)科育人價(jià)值。關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；仿真實(shí)驗(yàn)；飽和溶液《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）建議教師利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生借助可視化的數(shù)據(jù)認(rèn)識化學(xué)問題的本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生多視角收集證據(jù)解決化學(xué)問題的能力[1]。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是指借助計(jì)算機(jī)平臺完成的實(shí)驗(yàn)，包括仿真實(shí)驗(yàn)和借助傳感器的實(shí)驗(yàn)及多媒體展現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)[2]。數(shù)字技術(shù)賦能化學(xué)課堂教學(xué)，在學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。初中化學(xué)“科學(xué)思維”主要包括：在解決化學(xué)問題中所運(yùn)用的比較、分類、分析、綜合、歸納等科學(xué)方法；基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行證據(jù)推理、建構(gòu)模型并推測物質(zhì)及其變化的思維能力；在解決與化學(xué)相關(guān)的真實(shí)問題中形成的質(zhì)疑能力、批判能力和創(chuàng)新意識[3]?？茖W(xué)思維既重視概念形成的結(jié)果，又關(guān)注概念的生成過程，發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的能力和品質(zhì)是化學(xué)課程的重要目標(biāo)之一[4]。下面，以“飽和溶液與不飽和溶液”為例，對指向科學(xué)思維發(fā)展的化學(xué)數(shù)字化教學(xué)進(jìn)行探究分析。一、教學(xué)主題與現(xiàn)狀分析“飽和溶液與不飽和溶液”是《義務(wù)教育教科書化學(xué)九年級上冊》（上海教育出版社出版）“溶液”一節(jié)的第三課時教學(xué)主題。筆者將溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提前至第一課時講授，第二課時用以講授物質(zhì)的溶解性?！帮柡腿芤号c不飽和溶液”是認(rèn)識溶液的延續(xù)，是連接“物質(zhì)的溶解性”和“物質(zhì)的溶解度”的橋梁。本課教學(xué)旨在為學(xué)生定性分析向定量計(jì)算過渡做好鋪墊，在第三單元的教學(xué)過程中起承上啟下的作用。筆者查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)目前教師對“飽和溶液與不飽和溶液”的教學(xué)創(chuàng)新主要表現(xiàn)在以下四點(diǎn)。一是實(shí)驗(yàn)改進(jìn)及呈現(xiàn)方式的創(chuàng)新。教師對教材上的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)[5]，以播放實(shí)驗(yàn)演示視頻和展示學(xué)生家庭實(shí)驗(yàn)視頻等方式教學(xué)，提高效率。二是創(chuàng)建模型，挖掘概念背后的本質(zhì)或原理。教師逐步引導(dǎo)學(xué)生用模型（如“冰墩墩”[6]等）表征飽和溶液和不飽和溶液的轉(zhuǎn)化過程。此舉彌補(bǔ)了單純改進(jìn)實(shí)驗(yàn)而忽視概念理解的不足，但過度地引導(dǎo)學(xué)生借助模型解釋不同方法下飽和溶液和不飽和溶液的轉(zhuǎn)化過程，有將簡單問題復(fù)雜化之嫌，增加了學(xué)生的理解難度。三是創(chuàng)設(shè)情境改變傳統(tǒng)教學(xué)模式。教師指導(dǎo)學(xué)生制作“天氣預(yù)報(bào)瓶”[7]，以做促學(xué)，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究過程，享受化學(xué)學(xué)習(xí)樂趣，讓學(xué)生在電影情節(jié)“潘東子運(yùn)鹽三計(jì)策”[8]中身臨其境解決真實(shí)問題。這樣教學(xué)仍然存在對概念缺乏深層理解的問題。四是利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)賦能化學(xué)課堂教學(xué)。邵敏[9]將氫氧化鈣粉末逐漸加入水中，測量溶液電導(dǎo)率判斷溶液的飽和狀態(tài)。上述操作對數(shù)字化傳感器在教學(xué)中應(yīng)用潛力的挖掘尚淺。胡博凱[10]等將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入課堂教學(xué)，因允許添加的溶質(zhì)種類只有一種，且不能改變溫度，故不能完整歸納并得出飽和溶液的正確定義。筆者借鑒上述經(jīng)驗(yàn)，以幫助學(xué)生提升“科學(xué)思維”為目的，按照新課標(biāo)提出的“能從定性和定量的視角說明飽和溶液的含義”的學(xué)業(yè)要求[11]，以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為突破口，精心設(shè)計(jì)，優(yōu)化教學(xué)。二、教學(xué)設(shè)計(jì)思路（一）以活動為載體，發(fā)展學(xué)生的“科學(xué)思維”科學(xué)思維的內(nèi)涵是像科學(xué)家一樣思考與探究，在科學(xué)實(shí)踐活動中，進(jìn)行知識建構(gòu)和推理應(yīng)用[12]。皮亞杰認(rèn)為，活動既是感知的源泉又是思維發(fā)展的基礎(chǔ)。筆者嘗試充分利用學(xué)生已有的概念，設(shè)置不同類型的探究活動，以問題驅(qū)動學(xué)生在活動中自主建構(gòu)和完善概念并表達(dá)自己的觀點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“科學(xué)思維”發(fā)展（如圖1）。（二）借助數(shù)字傳感器實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解概念本質(zhì)教師在教學(xué)中需要引導(dǎo)學(xué)生判斷溶液的飽和狀態(tài)——對于燒杯底部沒有溶質(zhì)固體的溶液，怎樣驗(yàn)證溶液的狀態(tài)呢？在教學(xué)中教師往往引導(dǎo)學(xué)生加入少量的溶質(zhì)，讓他們根據(jù)溶質(zhì)是否溶解來判斷溶液的狀態(tài)。但是，人的肉眼能觀察到極少量的固體的溶解嗎？答案是否定的。為破解上述難題，筆者引入電導(dǎo)率儀，根據(jù)電導(dǎo)率的變化情況判斷溶液的狀態(tài)。學(xué)生發(fā)現(xiàn)隨著溶解的溶質(zhì)增多，溶液的電導(dǎo)率增大，繼而認(rèn)識到可以將電導(dǎo)率增大作為判斷溶質(zhì)能繼續(xù)溶解的證據(jù)。這樣教學(xué)可以滲透“證據(jù)支持假設(shè)”的思想，加深學(xué)生對概念本質(zhì)的理解。（三）引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，利于達(dá)成教學(xué)目標(biāo)為解決實(shí)驗(yàn)較多、耗時較長的問題，在保證實(shí)驗(yàn)科學(xué)性的前提下，筆者利用相關(guān)平臺的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)（實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示），避免學(xué)生因等待溶解和蒸發(fā)而感到枯燥乏味。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象逼真，濃度數(shù)據(jù)實(shí)時同步直觀呈現(xiàn)，使“定性與定量相結(jié)合”的研究思想在學(xué)生心中生根發(fā)芽。筆者讓學(xué)生分組改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，總用時少、成功率高。筆者采取一系列改進(jìn)措施可使課堂活動在課內(nèi)全部完成，有效達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。三、教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)流程（一）教學(xué)目標(biāo)根據(jù)新課標(biāo)的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求，筆者為設(shè)定具體教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)生做到以下五點(diǎn)。其一，知道絕大多數(shù)物質(zhì)在溶劑中的溶解是有限度的，了解飽和溶液的含義。其二，能總結(jié)飽和溶液和不飽和溶液相互轉(zhuǎn)化的方法。其三，構(gòu)建“飽和溶液”概念，體會科學(xué)概念的認(rèn)識過程，學(xué)會運(yùn)用類比、預(yù)測、推理、分析和歸納等科學(xué)方法解決科學(xué)探究過程中遇到的問題。其四，學(xué)會使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)字傳感器，認(rèn)識定量研究的意義。其五，解決生產(chǎn)生活中的問題，認(rèn)識溶液在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用價(jià)值。（二）教學(xué)流程筆者設(shè)計(jì)了“飽和溶液與不飽和溶液”教學(xué)流程，縱向5個問題貫穿到底，橫向6個實(shí)驗(yàn)、9項(xiàng)證據(jù)逐步推進(jìn)，具體流程如下（如圖3）。四、教學(xué)過程筆者設(shè)計(jì)系列活動和問題串，讓學(xué)生在數(shù)字化工具的加持下思考和探究，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，提升思維能力和實(shí)踐能力。（一）初步構(gòu)建“飽和溶液與不飽和溶液”概念活動1：探究在一定溫度下，一定量的水能否無限溶解某種溶質(zhì)。學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)裝置中任意選擇固體溶質(zhì)加入水中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和濃度傳感器示數(shù)。設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生利用仿真實(shí)驗(yàn)室自主嘗試與探索，了解到隨著溶質(zhì)的加入，溶液濃度變大，當(dāng)溶液達(dá)到飽和后濃度不再改變。學(xué)生初步體會定性與定量相結(jié)合的思想，為后續(xù)使用電導(dǎo)率儀驗(yàn)證溶液飽和狀態(tài)打基礎(chǔ)。在教師的啟發(fā)下，學(xué)生用自己的認(rèn)知系統(tǒng)嘗試解釋，從而建立“飽和溶液”的初概念，即不能再溶解溶質(zhì)的溶液。（二）修正“飽和溶液與不飽和溶液”概念活動2：實(shí)驗(yàn)探究硝酸鉀飽和溶液能否溶解其他溶質(zhì)。可選擇的固體藥品有硫酸銅、氯化鈉、高錳酸鉀。設(shè)計(jì)意圖：無色溶液變成藍(lán)色或紫紅色，給學(xué)生帶來強(qiáng)烈的視覺沖擊。這有利于學(xué)生迅速得出結(jié)論，完成對初概念的第一次修正，即指出是哪種溶質(zhì)的飽和溶液。實(shí)驗(yàn)探究分預(yù)測、觀察、解釋三步進(jìn)行，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)探究指明方向?；顒?：討論如何使飽和溶液中未溶解的硝酸鉀固體溶解。設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生會想到采用振蕩試管、加水、加熱等方式溶解固體。此活動一方面為完成對“飽和溶液”概念的第二次修正打基礎(chǔ)，另一方面為后續(xù)歸納飽和溶液與不飽和溶液的轉(zhuǎn)化方法做鋪墊。活動4：分組實(shí)驗(yàn)，使飽和溶液中未溶解的硝酸鉀固體溶解。設(shè)計(jì)意圖：在對活動3進(jìn)行討論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)振蕩試管、加水和加熱三種方式的分組實(shí)驗(yàn)，提高課堂教學(xué)效率。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)采用振蕩試管的方式并不能溶解固體，進(jìn)而認(rèn)識到振蕩試管能加快溶解速率但無法增加溶解量。實(shí)驗(yàn)匯報(bào)中，有學(xué)生提到以加水或加熱的方式使溶液變成不飽和溶液，其他同學(xué)找到了思維漏洞，從而自然引出問題：試管底部沒有固體時，一定是硝酸鉀的不飽和溶液嗎？如何證明溶液是否飽和呢？學(xué)生想到以加溶質(zhì)的辦法觀察能否繼續(xù)溶解從而判斷溶液是否飽和。教師進(jìn)一步追問“加多少溶質(zhì)”，引導(dǎo)學(xué)生意識到加入溶質(zhì)的量要少，因?yàn)槿绻尤脒^多溶質(zhì)，固體無法全部溶解，會導(dǎo)致現(xiàn)象不明顯而無法判斷。以此為活動5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證做方法鋪墊。活動5：驗(yàn)證當(dāng)試管底部沒有固體時硝酸鉀溶液是否飽和。設(shè)計(jì)意圖：實(shí)驗(yàn)過程中，部分學(xué)生存在疑問“人的肉眼能否觀察到極少量的固體的溶解嗎”，引發(fā)全體學(xué)生討論“如何判斷加入的少量固體是否溶解”。至此，完成了對“飽和溶液”概念的第二次修正，即強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)條件：溫度一定、水量一定。如此逐層遞進(jìn)建立完整的概念，同時這也是總結(jié)飽和溶液和不飽和溶液的轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。（三）用電導(dǎo)率判斷溶液飽和情況活動6：討論判斷在溶液中加入少量固體是否溶解的方法。設(shè)計(jì)意圖：在對活動5中的問題積極思考的基礎(chǔ)上開展討論，為下個環(huán)節(jié)以定量的方法用電導(dǎo)率判斷溶液的飽和情況打基礎(chǔ)。討論中，學(xué)生想到要是有儀器能像仿真實(shí)驗(yàn)一樣同步顯示濃度值就好了——如果加入的固體溶解，濃度就變大。教師適時引出可以借助電導(dǎo)率傳感器來判斷，電導(dǎo)率數(shù)值與溶液溶度成正比，如果加入的固體后電導(dǎo)率變大，說明加入的固體溶解?；顒?：演示如何用溶液的電導(dǎo)率判斷溶液飽和情況（掃碼看視頻）?！静襟E1】點(diǎn)擊“采集數(shù)據(jù)”后，教師向水中加入少量氫氧化鈣固體。提問1：電導(dǎo)率增大說明什么？提問2：一段時間過后，電導(dǎo)率不再變化，說明什么？提問3：此時溶液是飽和還是不飽和呢？提問4：接下來如何驗(yàn)證溶液是否飽和？【步驟2】教師向溶液中繼續(xù)加入少量氫氧化鈣固體。提問1：電導(dǎo)率增大說明什么？提問2：現(xiàn)在電導(dǎo)率趨于穩(wěn)定，此時溶液是飽和還是不飽和呢？提問3：實(shí)驗(yàn)依據(jù)是什么？（學(xué)生觀察到溶液變渾濁。）提問4：如果繼續(xù)向燒杯中加入氫氧化鈣固體，電導(dǎo)率曲線會變化嗎？【步驟3】教師向溶液中再次加入少量氫氧化鈣固體?！静襟E4】停止采集數(shù)據(jù)，取上層液體注入新燒杯，重新置入傳感器探頭，點(diǎn)擊“采集數(shù)據(jù)”。提問：電導(dǎo)率始終穩(wěn)定在30000，氫氧化鈣溶液的飽和狀態(tài)變化了嗎？【步驟5】教師向溶液中加入少量水。提問：電導(dǎo)率始終保持不變，說明加入少量水后，溶液的飽和狀態(tài)如何？【步驟6】教師沿?zé)瓋?nèi)壁緩慢傾倒大量水。提問1：電導(dǎo)率減小，溶液狀態(tài)有何轉(zhuǎn)變？提問2：綜觀整個實(shí)驗(yàn)，電導(dǎo)率數(shù)值和溶液飽和狀態(tài)有何關(guān)系？設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生質(zhì)疑用肉眼能否觀察到極少量的固體的溶解情況，考慮改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生開展仿真實(shí)驗(yàn)，已知溶質(zhì)溶解會造成濃度增大，聯(lián)想到了可以測濃度判斷溶解情況，繼而在教師的提示下，以測定溶液電導(dǎo)率的方式判斷溶質(zhì)在水中的溶解情況。整個實(shí)驗(yàn)，學(xué)生向水中分三次加入氫氧化鈣固體，再取上層液體加水，分析每步實(shí)驗(yàn)操作后電導(dǎo)率變化的原因，判斷并驗(yàn)證溶液的飽和狀態(tài)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以促進(jìn)學(xué)生系統(tǒng)深入地學(xué)習(xí)知識，提升科學(xué)思維。（四）建立“飽和溶液”與“不飽和溶液”的轉(zhuǎn)化關(guān)系活動8：討論飽和溶液與不飽和溶液轉(zhuǎn)化的方法和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)，總結(jié)飽和溶液與不飽和溶液相互轉(zhuǎn)化的方法，逐步培養(yǎng)證據(jù)意識。討論中，部分學(xué)生發(fā)現(xiàn)活動4中硝酸鉀溶液冷卻后有晶體析出，直觀地感受結(jié)晶的神奇，并完善了將不飽和溶液轉(zhuǎn)化成飽和溶液的方法。活動9：模擬蒸發(fā)溶劑的操作，使不飽和溶液變飽和。設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生開展仿真實(shí)驗(yàn)，模擬蒸發(fā)，可快速感知晶體析出的過程，對溶液狀態(tài)轉(zhuǎn)化再次深入總結(jié)，逐步形成矛盾的雙方在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化的辯證思想。用飽和溶液的概念解決實(shí)際問題，與引入問題相呼應(yīng)，有利于學(xué)生理解化學(xué)在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用。五、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)對于本課的教學(xué)，筆者主要有以下三方面的經(jīng)驗(yàn)與體會。（一）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)賦能化學(xué)課堂教學(xué)教師開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和濃度數(shù)值呈現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生建立定性和定量相結(jié)合的思想。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生質(zhì)疑“人的肉眼能觀察到極少量固體的溶解嗎”，

想到可以用測量溶液溶度的辦法判斷。教師適時引入電導(dǎo)率傳感器幫助學(xué)生探索化學(xué)概念的本質(zhì)。教學(xué)真正發(fā)揮了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在定性與定量相結(jié)合、從宏觀辨識轉(zhuǎn)到微觀探析、證據(jù)采集、信息匯總、交流分享等方面的作用。教師應(yīng)積極主動順應(yīng)數(shù)字化趨勢，利用數(shù)字化促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)、流程再造、方式優(yōu)化。（二）深度學(xué)習(xí)促進(jìn)科學(xué)思維提升教師精心設(shè)計(jì)了五大驅(qū)動問題，以問題鏈推進(jìn)課堂教學(xué)。在教師引導(dǎo)下學(xué)生逐步構(gòu)建清晰深入的概念認(rèn)知，學(xué)習(xí)知識