《高中化學實驗》立體學習材料的開發與教學實踐

朱鑼堅 鐘沈璐 吳文清 劉玲玲 滕波濤

摘要： 《高中化學實驗》立體學習材料是根據高中化學課標與化學學科核心素養的要求設計開發的，內含四個主題共26個實驗，分別與課標必修內容相對應。立體學習材料以二維碼作媒介，集合實驗微視頻、教學微視頻、教學設計和鞏固練習等大量優質資源，成為傳統紙質材料的立體化補充，彌補了實驗條件與優質師資較缺乏的學校教學資源的不足。教學實踐表明，教材與立體化學習材料相結合教學，對激發學生的學習興趣、培養學生的科學探究與創新意識等化學學科核心素養有重要作用。

關鍵詞： 化學實驗; 立體學習材料; 教學實踐; 化學學科核心素養

文章編號： 1005-6629（2021）02-0051-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 《高中化學實驗》立體學習材料的開發背景

隨著教育改革的持續深入及現代教育技術的不斷發展，作為知識呈現的主要載體——教材亦需與時俱進。傳統紙質教材在知識傳播與人才培養中發揮了巨大的作用，但其修訂繁瑣、知識更新較慢，特別是對化學、物理、生物等涉及實驗較多的學科較難形象、直觀、動態、多維度進行闡述。由于傳統紙質教材的局限性，我國在2002年首次提出“立體教材”概念[1]，即將紙質文本與相關數字資源整體規劃設計，把多種形態的資源（圖表、動畫、音視頻、教學微視頻等）通過二維碼與紙質文本有機結合，支持學習者通過移動終端進行學習的新型教學和學習資源集合體[2]。“立體教材”由單一的紙質載體轉向多媒體數字資源的有機融合，充分體現了教材的能動性與互動性。因此，如何在傳統紙質教材的基礎上，利用現代教育技術開發符合當前我國教育實際的立體教材或學習材料，成為教育工作者們的一項重要任務。

2016年9月，教育部發布“中國學生發展核心素養”要求，隨后各學科提出了相應學科核心素養。其中化學學科核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知、科學探究與創新意識、科學態度與社會責任”等5個維度，其目的是促進教育模式轉型，由重視化學知識體系的科學性和系統性轉向學生化學核心能力和化學學科核心素養的生成;由重化學知識結構、輕學生能力培養轉向促進學生化學能力提升和全面發展。國家教育指導方針的轉變、化學學科核心素養的培養對化學，特別是化學實驗教材或學習材料的編寫提出了更高的要求[3]。

化學是建立在實驗基礎上的學科，成功的實驗能夠更好地幫助學生理解課堂理論知識，激發學生的化學學習興趣，提高學生的觀察能力、動手能力、數據分析與科學探究能力，進而促進化學學科核心素養的形成。目前，我國尚無獨立的《高中化學實驗》教材，實驗分散在理論知識教學的章節中，相關實驗與學生生活實踐聯系不夠緊密，缺乏趣味性。同時，由于高中學習壓力大，部分實驗教學被縮減，特別是在一些教學資源匱乏的學校，由于沒有條件開展化學實驗教學，存在教師只能口頭描述實驗的現象。另一方面，在一些特殊情況下，如疫情期間線上教學無法開展化學實驗教學工作。

為加強化學實驗教學，全面提升學生的化學學科素養，在系統調研《普通高中化學課程標準（2017年版）》[4]對高中化學必修實驗要求的基礎上，我們選擇體現基礎性與時代性的實驗教學內容，運用現代教育信息技術，設計開發《高中化學實驗》立體學習材料，并開展了初步的教學實踐。

2? 《高中化學實驗》立體學習材料的設計

2.1? 構建高中化學必修實驗體系

《普通高中化學課程標準（2017年版）》明確要求： 化學教材要以發展化學學科核心素養為主旨，體現基礎性、時代性和人文性;在教學內容的選擇上應凸顯化學學科核心概念，精選化學核心知識，重視實驗探究與實踐活動，并關注社會與生活，體現科技發展趨勢及科學與人文的融合。

為培養學生的化學探究能力，實現學生化學學科核心素養的全面發展，突出化學基本觀念的統領作用，按照化學課標必修教學內容的要求，《高中化學實驗》立體學習材料分為四個主題：“化學科學與實驗探究”“常見的無機物及其應用”“物質結構基礎及化學反應規律”“簡單的有機化合物及其應用”。學習材料以課標的必做實驗為主線，每個主題設計2～3小節，輔以2～3個相關實驗進行知識拓展。每個實驗都有相應的二維碼，學生通過移動電子設備掃描二維碼獲取相關實驗的網絡資源，包括實驗操作演示視頻、電子教案、鞏固練習等。學習材料具體章節內容設置如表1所示。在實驗選擇方面，筆者選擇緊密圍繞理論知識內容，具有一定趣味性的微型實驗、家庭小實驗為主，適當增加部分數字化實驗、定量實驗和創新實驗。通過實驗能夠更好地理解理論知識，激發學生的學習興趣，提高學生的觀察能力、動手能力、數據分析與科學探究能力，從而促進化學學科核心素養的形成。

從教學內容來看，《高中化學實驗》立體學習材料是以高中化學課程標準為指導，以輔助化學實驗與理論教學為基本定位，以課標規定的化學實驗為基礎，圍繞培養學生的化學學科核心素養進行開發，其內容自成知識體系，可較好地與各版本化學教材銜接，教師可根據教學進度選擇使用學習材料中的相應內容。

2.2? 編寫高中化學實驗立體學習材料文本

為配合課堂理論教學，倡導真實情境的創設，落實化學實驗的探究性和操作性，體現教學內容的結構化設計，同時符合學生的認知規律，我們系統編寫了高中化學實驗立體學習材料的文本。對每個實驗設置“情境導入”“小試牛刀”“由淺入深”“拓展應用”等四個模塊，相應模塊示例如圖1所示。其中，“情境導入”模塊根據情境的不同分為“溫故知新”“化學搖籃”與“知識預備”三種類型，主要是導入實驗教學內容;“小試牛刀”模塊是進行實驗設計與操作;“由淺入深”模塊是通過對實驗的思考與討論分析實驗背后的原理，掌握化學規律;“拓展應用”模塊是將前面學習過的化學原理應用于生活實踐或學科前沿研究。同時，學習材料中設置了“思考與討論”“活動與探究”“資料卡”“小貼士”等系列欄目，以補充學習材料內容，相應欄目設計示例如圖2所示。

學習材料在內容與實驗設計中較好地體現了學科核心素養的要求。“宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想”主要在“常見的無機物及其應用、物質結構基礎及化學反應規律”等主題中體現。通過學習這部分內容，學生學會從微觀角度理解與認識宏觀現象，建立物質微觀結構決定宏觀性質的觀念以及能量轉化與化學平衡的思想。“證據推理與模型認知、科學探究與創新意識”主要在“化學科學與實驗探究、物質結構基礎及化學反應規律、簡單的有機化合物及其應用”等主題中體現。通過化學史介紹科學家對有機物結構的探索過程，培養學生觀察實驗現象，總結歸納定性或定量模型的科學研究能力，借助系列實驗教學專題與視頻學習，培養學生獨立思考的科學探究能力和勇于創新的意識;“科學態度與社會責任”則貫穿在整個學習材料的思想體系中。

2.3? 建立高中化學實驗視頻資源

實驗視頻設計是開發立體學習材料至關重要的環節，是維系學習材料使用和學生學習的橋梁紐帶。傳統的教材只提供靜態文字的實驗步驟，但無法呈現動態演示的實驗過程;傳統的實驗視頻以展示實驗過程為重點，缺少對實驗原理的清晰闡述和對學生情感態度的深刻涵養。根據邏輯清晰、簡潔明了、重點突出、啟發思考的設計理念，筆者錄制了相應教學實驗視頻。視頻時長2～3分鐘，一般包括背景介紹、實驗操作、原理講解、問題思考四部分，實驗流程按實驗內容的順序依次進行。實驗視頻拍攝時，鏡頭對準雙手和試驗臺，如同學生的眼睛，以第一視角的方式呈現整個操作過程，給予學生近距離的學習體驗;實驗操作結束后進行實驗原理的講解，給出實驗現象的化學原理;在原理講解結束后，提出1～2個小問題，引導學生思考或用于教師課堂導課。實驗視頻制作時，利用相關視頻軟件添加了講解字幕、化學方程式以及知識性圖片，以期更好地滿足學生準確理解教學內容的需求。同時，視頻配備了舒緩或輕快的背景音樂，以營造舒適的學習氛圍。相關學習材料文本及視頻已上傳至https：//space.bilibili.com/389559267及浙江師范大學化學教學示范中心，供學習者免費下載使用。

3? 《高中化學實驗》立體學習材料的教學實踐

筆者在浙江師范大學附屬中學高二年級進行了《高中化學實驗》立體學習材料的初步教學實踐。實驗班與對照班均為化學選考班級，分別有39與40名選考生（成績相當，男女均衡），教學實踐內容選擇了學習材料的重難點內容“化學反應速率及其影響因素”。

在授課教師、授課學時相同的前提下，實驗班使用化學實驗立體學習材料和蘇教版化學教材，對照班僅采用蘇教版化學教材。實驗班首先借助多媒體播放立體學習材料中“大象牙膏”實驗視頻，幫助學生了解大象牙膏形成的重要原因——雙氧水分解，激發學生的學習興趣;隨后教師根據學習材料引導學生探究影響化學反應速率的因素，播放“化學反應速率影響因素”實驗微視頻并進行實驗演示，直觀、形象地驗證學生探究的結果;在此基礎上，教師引導學生提出化學反應速率定量描述的方法與思路，再播放“雙氧水分解速率測定”實驗微視頻，驗證設計并學會定量測定、計算化學反應速率，加深對化學反應速率理論知識的理解;最后，教師依照學習材料編排，適當進行知識的拓展應用，總結歸納課堂。對照班則按照原教學模式授課，常規舊知導入，新知講授與練習，課堂總結;實驗教學只進行了化學反應速率影響因素的演示實驗。授課結束后，兩個班均使用同一套課后測試題進行檢測，比較兩個班學生對化學反應速率知識的學習情況。實驗班課后完成“《高中化學實驗》立體學習材料及其教學調查問卷”，筆者隨機對部分學生進行訪談工作。

根據教學實踐調查與學生訪談發現，絕大多數學生沒有聽說過立體教材或立體學習材料的概念，即使少數學生聽說過，其了解的情況也與實際立體教材概念有較大偏差，說明學生對立體教材或立體學習材料的認知還處于起步階段。盡管如此，在使用《高中化學實驗》立體學習材料學習后，學生對立體學習材料表現出濃厚的興趣，對教學實驗微視頻以及課堂使用效果都給予了積極評價。在授課模式方面，近九成的學生選擇了教師講授、視頻等資源進行輔助的課堂模式。

課后測試結果統計發現，實驗班平均成績79.7分，對照班為77.6分。由表2可以看出，實驗班高分段明顯高于對照班，同時低分段（40～60分）學生比例明顯減少。學生訪談反饋表明，形式新穎、內容創新的立體學習材料增強了課堂的趣味性，有利于集中注意力。與傳統講授式課堂教學不同，使用立體學習材料文字、聲音、視頻“三位一體”的動態教學信息呈現，賦予了化學課堂以活力與魅力。教師可將立體學習材料中的內容融入教學設計，使教學過程呈遞進式，如本例中先采用趣味實驗給學生感性認知，再通過不同反應條件的實驗獲取化學反應速率影響的定性規律，最后到定量實驗測定化學反應速率的遞進式教學。這種教學設計從感性認知到定性理解，最后上升到定量測定，符合學生的認知規律，加深了學生對相應教學內容的理解與掌握，提高了課堂學習效率與測試成績。

4? 《高中化學實驗》立體學習材料的特點與應用

4.1? 立體學習材料的特點

從立體學習材料的制作方面來看，“力破傳統”成為《高中化學實驗》立體學習材料的特色。主要特點如下： （1）充分體現核心素養。學習材料內容緊扣課標，從“情景導入、小試牛刀、由淺入深、拓展應用”四個層次依次遞進，同時實驗選題兼顧知識性、趣味性與創新性，符合學生認知發展規律，外顯化學學科核心素養。（2）動態呈現課程內容。視頻實驗操作與理論講解、教育性與趣味性相互結合，動態呈現教學內容。（3）立體整合教學資源。立體學習材料擁有實驗視頻、教學設計等豐富的教學資源，二維碼將數字資源與理論教學有機融合，同時可不斷更新線上教學素材。總之，與傳統紙質教材相比，《高中化學實驗》立體學習材料融合學科素養與最新教學技術，受到學生的歡迎，并取得較好的教學效果。

4.2? 立體學習材料的應用

從學習材料的應用方面來看，《高中化學實驗》立體學習材料力求補齊理論與實驗教學上的短板。主要表現如下： （1）充實課堂教學環節。由于學習材料包含豐富的教學資源，教師可將其作為情境導課、小組討論、知識拓展等課堂環節中的拓展材料，擴展學生的視野與思維，鞏固理論知識。（2）彌補教學資源不足。在設備儀器、化學試劑及優質師資欠缺的學校或“特殊條件下”的線上教學中，立體學習材料的運用解決了教學中教師枯燥描述實驗、學生憑空想象的教學難題。（3）輔助實驗教學環節。實驗前，學生通過觀看實驗視頻，了解決定實驗成敗的關鍵環節，既保證了學生實驗的準確、安全及高效性，又提高了學生的自學能力。課后，學生亦可以借助立體學習材料及其網絡資源進行復習鞏固，及時查漏或補缺。

綜上，《高中化學實驗》立體學習材料填補了國內中學化學立體學習材料的空白，旨在能夠推動中學化學教學、提升學生化學學科核心素養。但由于團隊在立體學習材料的開發方面尚處于探索階段，《高中化學實驗》立體學習材料仍需在教學實踐中不斷建設與完善。同時，國內現階段以講授為主的中學教學模式與立體學習材料中以實驗視頻互動為主的教學模式之間存在矛盾，必然要求教學模式做出相應調整。與實驗視頻相結合的研究性學習、在線合作學習、計算機輔助學習、翻轉課堂等教學模式尚需進一步進行探索。

5? 結語

根據《普通高中化學課程標準（2017年版）》與化學學科核心素養的要求，我們設計開發了《高中化學實驗》立體學習材料。學習材料包括“化學科學與實驗探究”“常見的無機物及其應用”“物質結構基礎及化學反應規律”“簡單的有機化合物及其應用”四個主題共26個實驗，分別與課標必修內容相對應。以二維碼作媒介，集合線上實驗微視頻、教學微視頻、教學設計和鞏固練習等大量優質資源，成為傳統紙質材料的立體化補充。通過教學實踐與問卷調查，發現《高中化學實驗》立體學習材料既可作為教師授課的拓展材料，又能成為學生的自學工具;既可用于情境導課、小組討論等課堂教學的各個環節，又能實現翻轉課堂、研究性學習等新時代的教學模式;既可優化教學資源的利用，又能彌補教學條件的不足。前期教學實踐結果表明，使用立體學習材料開展立體化教學，在很大程度上激發了學生的學習興趣，增加了學生對實驗探究的學習期待，學生的實驗技能與水平在立體化學習材料的支撐下明顯提高，實踐能力和創新精神也得到了顯著提升，學生化學學科核心素養通過立體學習材料的使用得到了培養與發展。盡管《高中化學實驗》立體學習材料的開發填補了國內這一領域的空白，但仍需在今后的教學實踐中不斷完善與提升。

參考文獻：

[1]張映光. 試論立體化教材建設——談CAI課件及網絡教學資源的設計策略[J]. 中國大學教學， 2006， （3）： 60～62.

[2]陳琳， 蔣艷紅， 李凡， 王矗. 高校教材建設的時代性要求研究[J]. 現代教育技術， 2011， 21（10）： 20～23.

[3]黃恭福， 鄒海龍. 學科核心素養視域下的中學化學實驗教學研究綜述[J]. 化學教學， 2020， （2）： 24～28.

[4]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.