學科核心素養引領下信息技術與化學教學的融合創新

李新義+夏建華+蔣蓓蓓

摘要：以“乙烯”為例，運用翻轉課堂的教學模式，在課前微課學習的基礎上，課堂上利用AR技術建構乙烯結構、數字化實驗引領學生開展科學探究，數據分析功能優化教學決策、促進及時反饋等，做到了信息技術與化學教學的融合創新，促進了學生化學學科核心素養的提升。

關鍵詞：化學學科核心素養；信息技術；翻轉課堂；數字化實驗；科學探究

文章編號：1005–6629（2017）9–0040–07 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

以教育信息化帶動教育現代化，是我國教育事業發展的戰略選擇。信息技術與化學教學的融合創新為中學化學教學改革注入了勃勃生機，翻轉課堂[1]、智慧課堂[2]、數字化實驗[3]等以信息技術為支撐的教學形態已深刻地影響著中學化學教學。筆者認為，面對課堂上紛繁呈現的信息技術，需要從學科核心素養的角度審視其在促進學生發展方面的價值，評價其對提高教學效率和教學質量方面的貢獻。本文擬以人教版化學2“乙烯”的課堂教學為例，在學科核心素養引領下，探索信息技術與中學化學教學的融合創新。

1 教材分析及教學流程

本節課是在學生掌握甲烷為代表的烷烴的結構和主要化學性質，對有機物中結構決定性質的特點有了初步認識的基礎上進行乙烯教學的。通過乙烯的教學為不飽和烴學習奠定基礎，起到承上啟下的作用。乙烯是最簡單的烯烴，是烯烴的代表物，是一種重要的化工原料，乙烯以及乙烯的產品已滲透到人類生活的若干領域。從學習環節上來考慮，乙烯的學習為學生建立了物質結構與性質之間的關聯，深化了“結構決定性質，性質決定用途”的觀念；有利于學生掌握有機物性質及其變化的規律，培養學生宏微結合、證據推理、科學探究等化學學科核心素養。

本節課用到的信息技術有翻轉課堂教學模式、AR技術、數字化實驗、思維導圖和相關課堂管理與互動技術，其宗旨是運用信息技術促進學生化學學科核心素養的發展。其教學流程如下：

2 主要教學過程及分析

2.1 課前學習環節

學生學習微課、完成練習，教師依據數據形成精準教學決策。

2.1.1 學習微課

學生課前利用翻轉課堂云平臺學習微課，初步了解了乙烯的結構和化學性質。微課的教學設計如下：

2.1.2 完成練習

學生依據所學知識在云平臺上完成12道習題。根據云平臺提供的分析數據可知，其中10、11兩題的錯誤率較高，試題及相關數據（見圖2、圖3）如下：

10.下列關于乙烯和乙烷的說法，不正確的是（ ）

A.乙烯屬于不飽和鏈烴，乙烷屬于飽和鏈烴

B.乙烯和乙烷分子均為立體結構，不是所有原子都在同一平面

C.乙烯能使溴的四氯化碳溶液和酸性KMnO4溶液褪色，且二者褪色的原理不同

D.乙烯是一種植物生長調節劑

11.下列反應中，屬于加成反應的是（ ）

A.甲烷和氯氣反應

B.乙烯和氯氣在一定條件下生成ClCH=CH2的反應

C.乙烯使酸性高錳酸鉀溶液褪色

D.乙烯和HCl反應生成CH3CH2Cl

2.1.3 依據數據優化教學決策

教師依據云平臺上學生練習的反饋數據，分析學生學習困難的成因，調整教學設計，提高教學的針對性。

根據第10、11題的統計數據可知，有30%～ 40%的學生認為乙烯使酸性高錳酸鉀溶液褪色是加成反應，35%的學生認為乙烯和氯氣反應是取代反應，說明一些學生對這兩個知識點理解有問題。對于前者，教師分析了以下兩種原因：一是教材和微課上都只介紹了乙烯能使酸性高錳酸鉀溶液褪色，告訴學生這個反應是氧化反應。至于這個反應的機理以及其中的氧化產物和還原產物則沒有介紹，導致學生難以理解；二是學生從教材和微課中都學習了乙烯和溴的四氯化碳溶液能發生加成反應，但是這個反應同時也干擾了學生對乙烯與酸性高錳酸鉀溶液的學習，因為都是使溶液褪色，學生不能區分兩種褪色現象在機理上的區別，導致在學生建構知識的初期，出現錯誤。對于后者，教師分析是因為前面學過的甲烷取代反應干擾了學生的后續學習。據此，教師把乙烯與酸性高錳酸鉀溶液、溴的四氯化碳反應確定為課堂教學中的難點，并設計了用數字化實驗提供實證的方法幫助學生理解這兩個反應。

分析：微課和練習促進了學生對乙烯結構與化學性質的初步認識，學生在這一階段主要是達成了乙烯相關知識的識記和理解目標，至于應用、分析、評價和創造等高階認知目標則是在后續的課堂學習中完成。

信息技術提供的數據統計分析功能不僅減輕了教師批改作業的負擔，更突出的是提供了學生和教師的雙向反饋，一方面將答題情況及時反饋給學生，學生可以據此進行矯正學習，達成對知識的理解；另一方面將學生學習過程中存在的問題暴露在教師面前，教師可借助自己的知識和經驗對存在的問題進行深度分析，找出問題的根源，并在課堂中有針對性地實施精準教學，以提升教學質量。這是信息技術為教學帶來的顯著功能，有效地提高了教學效率和教學質量，是傳統教學手段難以企及的。

2.2 課堂環節1：AR技術深化學生對乙烯結構的理解

課堂教學伊始，教師引導學生用平板電腦掃描教材上的乙烯結構圖片，一幅可自由轉動和移動的乙烯三維立體結構圖躍出屏幕，學生興奮地在屏幕上轉動著乙烯的三維結構圖，并與甲烷、乙烷比較，建構乙烯的結構模型（見圖4）。

教師提問：你認為造成乙烯和乙烷結構不同的主要原因在哪里？教師利用“電子隨機點名”方式請學生回答問題，教師小結（見圖5）。

教師指出：乙烯的官能團是碳碳雙鍵，它的存在使得乙烯和乙烷在化學性質上有所不同。

分析：學生掃描課本上呈現出的乙烯三維立體結構圖，是學校用增強現實技術（AR）開發出的有機物三維結構模型，這種高科技三維立體結構圖讓學生感到非常震撼，在教師問題的啟迪下，學生通過觀察、觸屏使其在不同方向轉動，并和甲烷、乙烷的三維立體結構進行對比，對乙烯的雙鍵結構特點有了深入的了解，有效建構了乙烯的結構模型。同時，這種AR技術在學習中的運用，也有效地激發了對科技的興趣和學習的熱情，增加了學生的信息意識，體現了信息技術與化學教學融合創新的價值。

教師的問題和適時的小結，幫助學生通過對比和分析的方法，在原有的乙烷結構基礎上進行內化，深入理解了乙烯的結構模型，為后續從結構的角度理解乙烯的化學性質奠定了基礎。

2.3 課堂環節2：實驗探究乙烯與酸性高錳酸鉀溶液的反應

教師在大屏幕上呈現學生微課學習后在云平臺上提出的問題：

學生1：乙烯分別通入酸性高錳酸鉀溶液和溴的四氯化碳溶液時，溶液都褪色，為什么一個是氧化反應、一個是加成反應呢？

學生2：乙烯能使酸性高錳酸鉀溶液褪色，那么，乙烯是斷一個鍵還是兩個鍵？

學生3：乙烯被氧化成什么物質？高錳酸鉀被還原成什么物質？能用實驗檢驗出來嗎？

根據學生的困惑，教師設計了以下問題組啟發學生思考：

問題1：判斷兩種物質發生化學反應的依據是什么？

生；檢驗出新物質生成或反應物減少。

問題2：判斷兩種物質發生氧化還原反應的依據是什么？

生：檢驗出氧化產物或還原產物。

問題3：如果乙烯和氧化性較強的酸性高錳酸鉀溶液發生了氧化還原反應，乙烯可能被氧化成什么物質？

生：乙烯可能被氧化成二氧化碳。

問題4：請設計實驗驗證你的假設。

學生分組設計實驗。

學生畫好實驗裝置圖后拍照上傳，分享到大屏幕上供討論。

教師按照學生設計的方案進行演示實驗（見圖6）。實驗過程中澄清石灰水沒有明顯變化。

教師介紹數字化實驗裝置、數據采集器、二氧化碳傳感器（見圖7）。按圖連接好裝置，在充滿乙烯氣體的容器中加入25mL酸性KMnO4溶液，同時迅速插入CO2傳感器。待數據穩定后，點擊開始采集按鈕開始采集實驗數據。

學生觀察實驗得出的曲線（見圖8），驗證了反應中有二氧化碳產生。

教師：通過數字化實驗可知，乙烯被氧化成了二氧化碳。但是傳統實驗方法為什么檢驗不出二氧化碳呢？請提出假設。

學生討論后提出如下假設：

假設1：可能是生成的二氧化碳量較少，無法使澄清石灰水變渾濁。

假設2：可能是通入石灰水的氣體中含有酸性物質。

教師將這個問題留給有興趣的學生課后繼續探究。

教師：這個氧化還原反應是乙烯雙鍵都斷裂，生成二氧化碳，高錳酸鉀被還原成Mn2+。請寫出這個反應的離子方程式。

分析：鼓勵學生課前就微課學習中的困惑提出問題，培養了學生的質疑精神和獨立思考的能力；教師教學中巧用問題組啟迪學生得出判斷氧化還原反應的實證方法，引導學生基于證據對乙烯發生氧化反應提出可能的假設，繼而通過學生設計傳統實驗和教師演示數字化實驗找到解決問題的實證方法，提升了學生“證據推理”的意識和科學探究能力，建構了判斷氧化還原反應的方法模型。尤其是二氧化碳傳感器的使用，克服了傳統實驗的局限性（產生的二氧化碳很少，難以檢驗），以曲線形式表征了二氧化碳的產生，驗證了氧化還原反應的發生，彰顯了數字化實驗在化學學習中的獨特價值。同時教師引導學生分析傳統實驗檢驗不出二氧化碳的原因，引導學有余力的學生在課后繼續探究，體現了個性化學習的特點。最后，教師要求學生根據已知的氧化產物和還原產物寫出該反應的離子方程式，雖然教材中沒有涉及該反應的化學方程式，但是已知氧化劑、還原劑、氧化產物和還原產物寫出離子方程式，是對化學1離子反應、氧化還原反應相關知識的鞏固和深化，對高中化學核心知識的理解和應用有著積極的意義。

2.4 課堂環節3：運用POE教學策略探究乙烯的加成反應

教師呈現學生在微課學習中提出的問題：甲烷與氯氣會發生取代反應，乙烯與溴的四氯化碳溶液為什么不是取代反應？

教師采用POE（即預測、觀察、解釋）教學策略引導學生進行科學探究。

教師引導學生根據乙烯的結構特點，寫出乙烯與溴的四氯化碳溶液發生加成或取代反應的化學方程式：

教師介紹設計的實驗裝置：按圖9連接好裝置，向錐形瓶中充滿乙烯氣體，插入恒壓分液漏斗，連接壓力傳感器。關閉下端玻璃活塞，打開上端橡膠塞，向漏斗中加入Br2的CCl4溶液。

P（預測）：請學生根據以上兩個化學方程式，預測在恒壓漏斗中向乙烯中滴加溴的四氯化碳溶液時，錐形瓶中壓力的變化，畫出可能的變化曲線，并將學生預測的曲線同步上傳至大屏幕上。

O（觀察）：教師請學生上講臺做演示實驗，實驗直播到大屏幕上，學生觀察容器內壓力變化（見圖10）。

E（解釋）：學生根據壓力變化曲線進行解釋。學生得出的觀點如下：

觀點1：由上述化學方程式可知，容器中氣壓減小，說明發生了加成反應。

觀點2：容器中氣壓減小不能說明發生了加成反應，有可能是乙烯溶解在四氯化碳中。

觀點2出乎教師的意料之外，教師對學生的觀點表示贊賞后，適時改變教學思路，引導學生繼續設計實驗深入探究，學生在教師的啟迪下，提出如下方案：

方案1：在上述實驗的基礎上運用控制變量的方法，增加一個乙烯與四氯化碳的對比實驗，然后將兩個實驗的壓力變化曲線進行對比，得出結論。

方案2：將過量的乙烯通入溴的四氯化碳溶液中，再加入硝酸銀溶液，觀察現象。

教師建議這兩個實驗可由學生課后到實驗室自己完成后在全班分享。

教師播放乙烯與Br2發生加成反應的視頻，講解加成反應機理、定義和特點。

分析：教師從學生微課學習后提出的困惑著手，運用POE教學策略，首先引導學生寫出乙烯如果發生加成或取代反應的化學方程式，讓學生分析反應前后氣體體積變化，并據此預測兩種反應可能出現的氣壓變化曲線。當學生看到壓力傳感器測出的氣壓變化曲線和自己的預測一樣時，感到很興奮。令人欣喜的是有學生從物理變化（溶解）的角度對氣壓減小一定是發生加成反應提出了質疑，數字化實驗激活了學生的批判思維和創新精神。教師對課堂上意外的生成因勢利導，適時引導學生從控制變量的角度設計出溶解的空白對照實驗，并延伸出用反證法檢驗溴離子排除取代反應的方案，讓學生課后繼續實驗，將探究由課內延伸到課外。這種預設基礎上的生成是一種無法預約的美麗，培養了學生的科學探究能力，促進了學生學科核心素養的發展。最后，學生通過觀看乙烯加成的微視頻，在教師的啟迪下，從結構的角度認識了乙烯加成反應的原理，微視頻的運用幫助學生建構了乙烯加成反應的模型。

在該環節的學習中，學生運用宏微結合的化學思維，較好地詮釋了化學學習獨特的四重表征：

2.5 課堂環節4：歸納梳理

教師在PPT上利用思維導圖將乙烯和乙烷進行比較，將微課和課堂上學習的乙烯的結構、性質和用途進行小結。

教師還就科學方法進行小結：本節課的學習中，我們還收獲了驗證化學變化時，獲取證據的科學方法：一是從反應物角度探究（如高錳酸鉀溶液、溴的四氯化碳溶液褪色等）；二是從生成物角度探究（如檢驗生成物二氧化碳、溴化氫等），這是判斷反應發生類型常用的方法；三是從反應伴隨的現象角度探究（如壓力、溫度等）。在涉及顏色、壓力和溫度變化時需要考慮到相關因素的影響，如溶解以及溶解時的熱效應等。

分析：這一環節是在電子白板上，利用思維導圖的可視化功能，將學生通過微課學習、課堂探究獲取的乙烯零散的知識，進行系統化、結構化的過程。通過和乙烷的對比，學生更加深入地理解了乙烯的結構和化學性質，在有機化學領域初步建構了“結構決定性質”的觀念。思維導圖的運用超越了傳統板書的功能，有利于學生理解知識的邏輯結構。如果把乙烯思維導圖的繪制交給學生在課后完成，效果會更好。

本環節，教師還歸納了本節課一個隱性的教學目標——求證化學反應是否發生的科學方法，強化了學生的證據推理意識。

2.6 課堂環節5：鞏固練習

教師布置了以下兩道習題：

（1）制取氯乙烷最好采用的方法是（ ）

A.乙烷與氯氣反應

B.乙烯與氯氣反應

C.乙烯與氯化氫反應

D.乙烯與氫氣、氯氣反應

（2）如何鑒別乙烷和乙烯？

大屏幕自動呈現學生完成第1題的進度，系統自動統計出第1題的答題情況，有25%的學生選了A選項，教師進行了及時的矯正。第2題教師采取“電子搶答”的方式，讓學生分別根據乙烷和乙烯的化學性質提出鑒別方案。

分析：本環節兩道習題的設計，幫助學生鞏固了乙烯的化學知識，深化了對乙烯化學性質的理解。教學中教師運用了智慧課堂環境下的相關信息技術，如系統推送作業、自動統計答題數據等功能，有效地提高了教學效率，為課堂教學中及時反饋與矯正提供了技術保障。

3 反思

3.1 信息技術支撐下的課堂教學形態的創新——翻轉課堂

近年來，安徽省“基于微課的翻轉課堂”項目研究探索了翻轉課堂的四種基本形態，分別是家校翻轉、校內翻轉、課間翻轉和智慧翻轉。智慧翻轉是翻轉課堂的高級形式[4]，主要由微云、移動終端和云平臺為教學提供技術支撐。本節課運用的是“知識建構型翻轉課堂教學模式”[5]。課前，學生在翻轉課堂云平臺上個性化地學習微課和練習，對乙烯的結構、性質和用途，基本達到了識記或理解的水平；教師通過系統提供的練習反饋數據，精準地診斷了學生學習過程中存在的薄弱環節——乙烯與酸性高錳酸鉀溶液、溴的四氯化碳溶液反應，科學地制訂了課堂教學策略。課堂上，教師根據學生學習中存在的問題，引導學生通過科學探究，以宏微結合、證據推理的方式深化了對乙烯氧化和加成反應的理解，建構了乙烯的結構模型，形成了結構決定性質的觀念，建立了氧化還原反應判斷的方法模型，促進了學生化學學科核心素養的發展。

在智慧翻轉的教學中，一些信息技術手段——系統推送作業、實時呈現學習任務完成情況、實驗視頻直播、作業拍照上傳、作業完成后自動統計數據、電子搶答、電子隨機點名等，創新了課堂教學的組織形式和互動模式，有效地提高了教學效率。但是，如何有效地使用這些令人眼花繚亂的新技術，需要認真地研究和反思，如大屏幕上“實時呈現學生任務完成情況”，應該只反饋給教師，否則會影響學生深度思考，也會給思維不夠敏捷的學生或后進生帶來壓力；“電子搶答”功能不應該出現在所有的問題或練習環節，否則會使課堂教學成為面向優等生的教學，出現技術支持下的教育不公平現象；回答問題時的“電子隨機點名”會使基于問題的教學失去針對性，等等。

3.2 傳感器技術帶來的實驗手段的創新——數字化實驗

化學是一門以實驗為基礎的科學。數字化實驗以其高精度、實時化和可視化的特點，促進了科學探究的深度發展。如在本節課的課堂環節2中，由于該反應中生成的二氧化碳量較少，用傳統方法難以檢驗，教師用二氧化碳傳感器檢驗出了生成物中含有二氧化碳，并引導學生在課外繼續探究；課堂環節3中，教師基于壓力傳感器運用POE教學策略，讓學生能基于證據對乙烯和溴的四氯化碳溶液反應類型及其氣壓變化提出可能的猜想，通過觀察曲線、分析推理加以證實。學生又從溶解的角度，對數字化實驗現象得出的曲線和結論之間的邏輯關系產生了質疑，提出了進一步探究的實驗方案。這兩個環節中，數字化實驗在學科核心素養培養方面，具有傳統實驗不可替代的功能，不僅幫助學生深度理解了乙烯的化學性質，還卓有成效地培養了學生的證據意識和科學探究能力，激活了學生的批判思維和創新精神。

3.3 增強現實技術營造的認知方式的創新——AR技術

信息技術帶來的AR（增強現實）、VR（虛擬現實）和MR（混合現實）等技術，為學生深刻理解物質的微觀結構帶來了認知方式的創新。在課堂環節1中，用AR技術制作的可旋轉、移動的乙烯三維立體動畫，對于幫助學生理解碳碳雙鍵的結構特點、建立乙烯的結構模型起到了積極的作用。宏觀辨識與微觀探析是化學學科核心素養，結構決定性質是化學學科的重要特征，利用信息技術制作的立體的、動態的、變化的三維立體動畫，如有機物結構模型、雜化軌道的形成過程模型、各種晶體的結構模型等，對于幫助學生理解化學知識、建構結構模型、深化學科觀念提供了一條令人鼓舞的技術通道。

參考文獻：

[1]祝智庭，管玨琪，邱慧嫻.翻轉課堂國內應用實踐與反思[J].電化教育研究，2015，（6）：14.

[2]唐燁偉，龐敬文，鐘紹春等.信息技術環境下智慧課堂構建方法及案例研究[J].中國電化教育，2014，（11）：23～30.

[3]夏建華.數字化實驗與中學化學教學深度融合[M].合肥：安徽教育出版社，2016：2.

[4]祝智庭.智慧教育新發展：從翻轉課堂到智慧課堂及智慧學習空間[J].開放教育研究，2016，（1）：16～26.

[5]夏建華，后勇軍.知識建構型翻轉課堂典型案例研究——以“鐵的重要化合物”的教學為例[J].化學教學，2015，（9）：29～33.