信息化工具支持下的四線式教學模式設計與應用

蘭曉琴 吳榮華

摘 ?要 基于文獻的閱讀和梳理，在優化現有的四線式教學模式基礎上，構建基于虛擬實驗、史實視頻和真實實驗的四線式教學模式。同時，以F中學的“溶液的酸堿性”教學作為實踐主題，進行相應的教學設計與實踐。結果表明，該教學模式具有良好的教學可行性和有效性，對提升學生的學習質量具有明顯的促進作用。

關鍵詞 虛擬實驗室;高中化學;溶液的酸堿性;四線式教學模式;史實視頻;核心素養;化學史;實驗;教育PPT

中圖分類號：G633.8 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）11-0023-05

1 引言

1851年，英國科學促進協會主席惠威爾提出：“我們要教給年輕人的，與其說是科學結論，不如說是科學方法，更不如說是科學史。”[1]此后，教育界掀起關于科學史在科學教育中的價值和教學應用的研究與探索。化學是一門具有科學教育性質的基礎學科，如何將化學史融入化學教學，促進學生學科核心素養的培養和發展，是教育研究者密切關注的主題之一。

我國教育部新修訂的《普通高中化學課程標準（2017年版）》中強調了化學史對于化學教學的重要意義：“結合人類探索物質及其變化的歷史與化學學科發展的趨勢”[2]，倡導以史為鏡，取其精華融入教學，促進學生科學探究素養的形成和發展。而教育信息化2.0的到來，信息技術高速公路的發展，為推動化學史在課堂教學中的運用，深化史實學習，促進學科核心素養的培養和發展，起到重要的支撐作用。已有研究表明，新興技術/工具有效融合課程教學，并與有關學習的知識配合使用時，不是將其引入或是放置于教室即可，而是要將其視為教學方法和教學模式的有機組成部分[3]。本研究在深入學習相關研究和實踐成果的基礎上，聚焦于“如何更好地利用新興信息技術服務于化學史融入中學化學教學”，設計融合信息化工具的四線式教學模式，并以F中學“溶液的酸堿性”化學選修課為例，進行具體的教學案例設計和實踐。

2 理論基礎

四線式教學模式 ?主要從四線式教學模式的內涵和已有相關研究進行闡析。

1）定義闡釋。所謂四線式教學模式，是基于建構主義、情境學習理論，將化學史有機融合于化學課堂教學中，構建歷史線、探究線、知識線和應用線四線合一的教學模式。

其中，歷史線作為引子，營造課堂探究氛圍，讓學生通過教師講解或者視頻的學習，追溯化學實驗知識的歷程，了解知識形成的脈絡，學習科學家勇于質疑、敢于批判、力求創新、追求真理的科學素養。

探究線主要分為兩個階段：第一個階段是模擬歷史實驗，重走化學家科學發現與探究過程，讓學生通過角色轉換（科學家）的方式歷經知識迭代發展的過程;第二個階段是拓展問題進行實物實驗探究，引發學生思考，引導學生設計實驗探究方案，通過讓學生經歷實驗探究設計和操作過程，進而提升學生的實驗設計能力和實驗操作能力，培養學生問題解決的思維意識。

知識線運用理論知識剖析實驗現象，解讀實驗現象背后蘊含的實驗原理，通過提煉并總結知識要點，同化和順應學生已有的實驗知識體系，進而升華探究活動，直擊實驗本質的內容。

應用線是能夠從特殊中抽象出一般規律，根據已有經驗對知識內容進行個性化圖式的構建，遷移和應用于解決現實生活中相似情境的問題。即應用線是對歷史線、探究線和知識線所學內容進行遷移和拓展應用，最能考查學生對實驗知識的掌握情況。當學生能夠將知識遷移運用來解決現實生活問題時，才算是吃透了相應的知識要點。

2）已有相關研究。目前，關于四線式教學模式的研究以劉子忠研究團隊為主，該團隊致力于將化學史實滲透于教學流程中，在借鑒HIV模式、HSP模式等多種創新型教學模式后，先后提出三線式教學模式[4-5]和四線式教學模式。

同時，該團隊致力于一線化學教學實踐，以迭代循環的教學方式不斷優化教學模式，并對教學模式的可行性進行了重復驗證。其中，李紅月在其碩士論文中首次提出四線式教學模式流程圖。她在寶秋蘭構建的三線式教學模式的基礎上新增了應用線，并選取“金屬鈉”“富集在海水中的元素——氯”和“氨”三部分內容進行具體的教學設計和實踐，驗證該模式能夠促進學生創新思維的培養、實驗技能的提升和實驗知識的遷移[6]。劉源選取“元素周期表”的教學內容，遵循四線式教學模式，進行具體的教學設計，并在內蒙古巴彥淖爾市第一中學選取兩個班級進行了準實驗研究，進一步驗證該模式在中學化學教學實踐中的適切性和可行性[7]。馬麗雪在總結研究團隊已有經驗和不足的基礎上，為解決四線式教學模式所需課時較多的問題，建構了翻轉課堂融合四線式教學模式的教學模型，將歷史線和探究線的第一階段安排學生在課前進行自主學習，并通過準實驗的研究方法來驗證翻轉課堂融合四線式教學模式的有效性[8]。

綜合來看，目前關于四線式教學模式的研究仍處于初期階段，還需要通過教學實踐來重復驗證和說明其教學有效性;而已有的四線式教學模式未能很好地發揮信息技術的學習功能。如何利用信息技術的優勢使歷史線、探究線、知識線和應用線更為環環相扣、相輔相成，使得教學過程更連貫，師生和生生之間更有粘性，是當下需要進一步深思的問題。

信息化工具/資源介紹 ?說明模式在教學實踐中涉及的主要信息化工具。

1）101LAB—3D虛擬實驗室。這是網龍華漁教育推出的，用于K12教育的交互式數字實驗平臺，其功能定位為輔助教與學。該平臺中的實驗涵蓋了小學到高中的科學、物理、化學、生物的海量實驗資源，同時提供了配套的高清實驗實拍視頻、實驗注意事項、實驗步驟和實驗原理的解析。實驗器材/用品采用高精度3D仿真，且擁有強大的實驗引擎，可自由對教材實驗進行DIY拓展實驗。目前，該平臺是電腦版，學生或教師利用計算機或是筆記本電腦注冊賬號，輸入賬號登入即可。與其他虛擬實驗室產品相比，101LAB—3D虛擬實驗室所提供的資源和內容更加全面、更為靈活，有助于實現課堂教學的生成性。

2）101教育PPT。這是網龍華漁教育推出的一款專業服務教師的備授課一體化教學軟件，具有豐富的教學資源，匯聚全球優質教學資源，能夠滿足K12階段教學教輔需求。同時，它支撐多元教學互動，提供了諸多學科工具和互動工具，便于師生、生生的多向交互。

3）史實視頻。這是以視頻的方式重現化學家科學探究的過程，作為歷史線的資源支撐。將史實視頻放于網教通平臺，學生可以利用賬號登入，查看相關的視頻。

3 技術工具支持下的四線式教學模式構建與實施

模式構建 ?結合化學課程教學的特點，在原有的四線式教學模式上加入信息技術與化學課程整合的思考，對整個教學模型進行細化和調整，構建的模式流程圖如圖1所示。

融合信息化工具的四線式教學模式概括為三階段??—四線式。三階段分別是課前知識預習、課中知識內化、課后知識鞏固。課前，學生通過網教通平臺進行新知預習;課中的基本教學程序遵循四線式教學流程;課后，學生利用教師布置的作業進行知識鞏固和提高。

課中教學遵循四線式教學流程，以合力讓學生掌握某一知識點。

1）歷史線。以史實視頻或是圖片，加之教師補充講解，重現歷史探究情境，打開實驗探究的大門。這條線通過梳理化學家發現知識點的歷史事件和文化背景，為探究線的推進提供背景資料，也為知識線的發展搜集歷史證據。

2）探究線。可分為兩個分支線，分別是虛擬歷史實驗和實物拓展實驗：虛擬歷史實驗即運用101LAB—3D虛擬實驗室模擬化學家所做的實驗，讓學生合作探究，親身體驗科學家的歷史實驗;實物拓展實驗即拓展歷史實驗，通過實物實驗讓學生親身經歷實驗探究操作的全過程，進而提升學生動手實踐的能力。實物實驗安排在虛擬實驗之后，是因為虛擬實驗具有可重復性，允許學生在初試或者并未完全熟知實驗的情況下進行多次試誤;而實物實驗是其拓展實驗，基本實驗步驟與虛擬實驗相同，在經過了虛擬實驗操作后，學生進行實物實驗就能夠更加得心應手。這條線為知識線的講解提供了具體的實驗數據和實驗結果的支撐，通過“虛+實”的實驗形式也能夠循序漸進地去傳授實驗知識點，培養學生的實驗探究技能。

3）知識線。運用101教育PPT的學科工具，可視化歸納、分析、推理和提煉現象背后的本質，運用邏輯推理和辯證思維去挖掘更深一層的化學知識和原理，即本質特征。這條線起到總結概況的作用，歸納總結相關實驗知識，為應用線的推進做好前期理論和知識的鋪墊與積累。

4）應用線。設置該線的主要目的是促使學生能夠學以致用，將所學的實驗知識拓展應用至解決或解釋相似的問題。通過教師提前設置好課后思考題，讓學生帶著生活問題，利用現實生活物品進行趣味實驗探究，進而達到對相關實驗知識點的強化和鞏固。

進一步對信息化工具在該模式中所起到的支撐作用進行梳理，其中101LAB—3D虛擬實驗室發揮的作用有三：

1）進行DIY，能夠重現和拓展科學家做的實驗，增加學生進行動手實驗操作的機會;

2）創造與他人合作探究的機會，通過小組合作，促進學生的認知加工過程，達到知識的深度理解;

3）提供重復試錯的機會，讓學生在虛擬環境中進行實驗操作，減少實物實驗操作錯誤引起的事故和實驗器材的損耗。

101教育PPT在融合信息化工具的四線式教學模式中發揮的作用主要是內容呈現，即將枯燥乏味的文字以思維導圖、流程圖或是圖文結合的方式進行可視化呈現，使之符合學習者的視覺習慣。史實視頻作為歷史線主要的載體，主要通過觀看視頻的方式向學生傳達信息，調動學生學習的積極性和熱情。

教學應用 ?模式構建完成后，以F中學的化學選修課“溶液的酸堿性”教學開展為契機，以高一選修化學的30名學生為研究對象，將融合信息化工具的四線式教學模式應用于具體的教學設計與實踐中。

1）學習者特征分析。

①知識層面特征：高一學生在探究本實驗之前，已經學習了溶液相關理論知識，但對于系統地根據指示劑變色情況，對溶液從酸、堿性的角度進行分類這一知識點掌握不佳。

②能力層面特征：高一學生已經具備自主預習的能力，并能在團隊合作小組實驗中積極思考、相互討論，從而合作探究，共同解決問題。

2）學習內容分析。本節內容用于初高中銜接實驗課程設計，“溶液的酸堿性”是中考重要的知識點，也是進行高中化學實驗的前期知識儲備，承擔著對物質的性質、組成和結構等學科基本問題的滲透、落實和具體化。同時，對“溶液的酸堿性”知識的掌握也是學習酸堿鹽的基礎和前提。

3）學習目標分析。了解科學家在“溶液的酸堿性”的知識發展中所做出的努力，學習科學家不斷求索的精神;熟練使用酸堿指示劑判斷溶液的酸堿性;理解酸堿指示劑（試液）能夠檢測溶液的酸堿度的內因;理解pH值的化學意義;通過實驗探究，經歷科學探究的全過程，使觀察能力、分析能力及實踐能力得以提升，從而培養和提高科學素養。

4）教學實施。在正式進入相關內容課程教學前，教師根據學生《多元智能評分表》的得分情況劃分小組和對小組成員進行分工安排。教學實踐的環境：裝有計算機的探究室。

“溶液的酸堿性”的課時分配為三課時：第一課時主題為“波義耳發現酸堿指示劑”;第二課時主題為“貝格曼發現植物汁液的變色對各種酸的靈敏程度不同”;第三課時主題為“探究酚酞做指示劑的靈敏度&pH值”。三個課時教學內容層層遞進、步步深入，以系統化的方式構建和強化學生關于“溶液的酸堿性”的知識框架。以第一個課時的課中教學為例進行闡述。

①歷史線。【觀看史實視頻，重現歷史情境】教師組織學生通過網教通平臺觀看波義耳發現指示劑的歷史視頻，學生觀看相關視頻。

【進一步講解史實信息】教師補充講解關于波義耳發現酸堿指示劑的背景信息：1646年，英國化學家波義耳（Obert Boyle，1627—1691）不小心把幾滴鹽酸滴到了紫羅蘭的花瓣上，發現紫色的紫羅蘭變成紅色……學生認知聆聽并做好相關筆記的記錄。

本活動旨在讓學生了解化學史，學習科學家的求索精神，培養學生的科學探究素養。

②探究線。【虛擬歷史實驗】學生以小組為單位共用一臺計算機，根據前期小組的分工，利用101LAB—3D虛擬實驗室的DIY功能，模擬波義耳用紫羅蘭試液判斷幾種溶液的酸堿性實驗（圖2）。操作步驟引導：打開虛擬實驗室軟件→把紫羅蘭花的漿汁滴在白紙上→再在汁液上滴加2～3滴酒精→將待測液滴在浸有植物漿汁和酒精的紙上→觀察顏色變化并進行記錄。經歷“提出問題—作出假設/猜想—虛擬合作探究—現象記錄與分析”的過程。

【實物拓展實驗】教師讓學生探究石蕊溶液在不同溶液中的顏色變化的實物實驗（圖3），學生以小組為單位進行實物實驗操作。

本環節活動旨在讓學生親自動手實驗，增強他們的實驗探究能力、合作能力。

③知識線。【解釋實驗原理】經過虛擬實驗+實物實驗探究后，學生對其原理把握尚未清晰。教師引導學生通過它們的實驗現象來總結酸堿指示劑的概念，解釋石蕊變色原理。通過從實驗現象到實驗本質的分析，挖掘實驗本身蘊含的化學奧秘，如圖4所示。

【總結知識點】運用101教育PPT進行課堂總結，使實驗知識呈現更加系統化和可視化。

本活動的目的是引導學生總結和分析實驗背后的原理，讓學生知其然更知其所以然。

④應用線。【變式實驗設計】教師提出問題：“如何用紫羅蘭試液判斷幾種生活中常見的物質的酸堿性（食醋、酸奶、橙汁、洗衣液、水、土壤溶液）？請你設計實驗方案，運用101LAB—3D虛擬實驗室來進行探究實驗。”

【知識拓展延伸】教師補充講解：食物中的酸堿性并不是根據食入口中的味道來判斷的，而是根據人體消化吸收后產生的作用效果來判斷的。學生思考并進行筆記補充。

【布置課后作業，進行教學反思】課時教學結束后，教師布置課后作業：“思考問題：不同指示劑的靈敏度是否相同？不同酸、堿的強度是否相同？并找到相應的材料對你的觀點進行佐證。”學生課后需針對問題進行思考和尋找佐證材料。同時，教師需要對本節課的教學過程和效果做好復盤和及時反思。

本活動旨在培養學生的知識遷移和運用能力。

教學效果 ?為了解教學效果，本研究從學生的知識掌握情況和課堂參與度兩個層面來說明。學生的知識掌握情況通過前后測知識測評來獲取。每個課時開始前進行前測，每個課時完成后進行后測。經統計，前后測的配對樣本T檢驗的結果均為0.000<0.01，即在99%的置信區間內，學生的前后測成績具有顯著性差異。這一數據能在一定程度上說明融合信息化工具的四線式教學模式是可行的，有一定的教學價值，能夠正向影響學生的知識點掌握情況。

通過反復觀看視頻錄像去判斷學生的課堂參與度。通過參與其中的學生的人數，對教師講課、展示內容、教學提問、小組討論、匯報、探究實驗等教學活動進行“高”“一般”和“低”三階等級評價。在“溶液的酸堿性”教學過程中，大部分學生處于一般參與狀態。學生愿意參與課堂實驗探究，但并未達到深度參與。究其原因，可能是教師在課堂的把控、氣氛的調動和教學環節的銜接上存在經驗不足的情況。但總體上來說，教學效果的數據很大程度上肯定了基于虛擬實驗、史實視頻和真實實驗的四線式教學模式的教學有效性。

4 結語

本研究嘗試借助101LAB—3D虛擬實驗室、101教育PPT等信息化工具和手段促進化學史更好地融合于化學學科教學之中，構建了基于虛擬實驗、史實視頻和真實實驗的四線式教學模式，進行具體的教學設計與實踐。通過收集一線教學實踐的數據并進行分析，統計結果表明，該教學模式具有良好的教學可行性和有效性，對提升學生的學習質量具有明顯的促進作用。但對于該模式如何促進學生在課堂上更為深層次地參與，仍需進一步探究與完善。

參考文獻

[1]周光輝.化學史在高中化學教學中的應用[D].浙江：浙江師范大學，2014.

[2]王磊，魏銳.學科核心素養發展導向的高中化學課程內容和學業要求：《普通高中化學課程標準（2017年版）》解讀[J].化學教育：中英文，2018（9）：48-53.

[3]布蘭斯福特，等.人是如何學習的：大腦、心理、經驗及學校[M].上海：華東師范大學出版社，2012.

[4]寶秋蘭，劉子忠.基于化學史與多媒體技術整合的氯氣教學設計[J].化學教育，2015，36（11）：44-47.

[5]李文嬌.“三線式”教學模式在初中化學教學中的實踐研究[D]. 呼和浩特：內蒙古師范大學，2016.

[6]李紅月.“四線式”教學模式在高中化學教學中應用與實踐效果研究[D].呼和浩特：內蒙古師范大學，2017.

[7]劉源.“四線式”教學模式在高中化學教學中的應用與實踐研究[D].呼和浩特：內蒙古師范大學，2018.

[8]馬麗雪.翻轉課堂融合“四線式”教學模式的高中化學教學研究[D].呼和浩特：內蒙古師范大學，2019.