利用信息技術和診斷手段促進學生深度學習

錢穎丹

摘要： 為探索信息技術賦能學生深度學習的有效路徑，教師以化學實驗“金屬防護和廢金屬回收”為例，設計了基于數據診斷的自主學習型實驗教學流程，利用數據診斷技術精細分析學生自主學習的效果，借助傳感器技術引導學生深入探究鐵生銹的原理和過程，實現學生從自主學習到探究學習、從淺層學習到深度學習的轉變，培養了學生獲取信息、整合知識、探索研究的素養和能力。

關鍵詞：化學;數據診斷;數字化實驗;自主學習;深度學習

深度學習指學生在教師引領下，圍繞具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程。深度學習的主體是學生。在教師的引導下，學生根據當前學習活動去聯想、調動、激活以往經驗，以融會貫通的方式對學習內容進行組織，從而構建自己的知識結構，并能將內化的知識外顯^[1]。信息技術賦能可促進深度學習的發生，教師根據數據反饋，聚焦學生問題，組織教學活動，調整教學節奏，能夠有效幫助學生構建新知、化解困難、克服困難、提升能力^[2]。“雙減”背景下，如何利用信息技術促進學生深度學習，提高課堂教學有效性，是一個值得研究的問題。

一、基于數據診斷的自主學習型實驗教學流程的設計

筆者按照以下思路設計數字化實驗教學：教師基于課前、課中、課后的數據反饋，聚焦學生遇到的真實問題，針對重點目標、關鍵內容并結合學生實際開展精準教學活動（如圖1）。筆者在學生合作探究深化學習階段引入傳感技術，增強學生的直觀感知，引導學生多角度深入探究化學問題，培養學生實驗探究和實驗分析能力，促進學生深度學習，優化學生學習和協作的質量、廣度和深度。這是提高學生思維水平，發展科學思維能力，促進學生化學學科核心素養發展的有效方法。

筆者以滬教版《化學》九年級上冊第五章第三節“金屬防護和廢金屬回收”為例，探索化學實驗教學的新路徑、新流程。在生活中，學生已經知道鋼鐵制品在表面不潔、潮濕空氣等條件下容易生銹，也掌握一些簡單的防止鋼鐵生銹的方法，但對于到底是哪些因素導致鋼鐵銹蝕和如何防止鋼鐵銹蝕未能深入探究。為了解決這一問題，筆者引導學生自主學習，對相關知識進行初步歸類。基于此，筆者以學生自主學習為課程教學起點，設計了如下教學流程（如圖2）。

以學生課前預習為起點，筆者根據數據反饋結果精準鎖定學生在自主學習過程中遇到的問題，帶領學生總結鐵生銹實驗探究的原理和方法、鐵生銹的條件及相關知識。之后，筆者以鐵生銹過程是否消耗空氣中的氧氣為起點問題，借助傳感器更深入地探究鐵生銹的原理并進行相應的數據分析，讓學生了解信息技術在化學實驗中的應用。最后，以鐵生銹由“弊”轉“利”為拓寬問題，開展數字化實驗，讓學生了解鐵生銹反應在生活中的應用，認識化學的價值。

二、科學使用技術手段全程助力學生深度學習

（一）基于數據，解決問題

筆者根據教學需要，設計了課前預習知識檢測。學生解決問題的情況持續反饋到數據端并被統計、分析。筆者查閱診斷報告，精確分析學生對不同知識點的掌握情況，了解學生在學習中遇到的問題。在課堂教學中，筆者對學生未掌握的知識進行查漏補缺，為學生設計有針對性的個性化學習方案。針對學生課前自主學習遇到的問題，課堂上筆者組織學生分組交流、研討，讓每位學生自主思考，公平實踐、探究、表達，完整參與學習全部過程，提出自己的疑問和解決問題的方案，并進一步探索、修訂和優化，從而學會高效學習。

筆者在查閱學生課前自測成績和得分率統計圖表（如圖3）后發現，學生在第3、4、5、6小題上得分率較低，對應的知識點分別是：（1）鐵生銹實驗操作的作用;（2）防銹的原理;（3）鐵銹的結構。

課堂教學中，筆者向學生展示其課前預習結果，讓學生按以下流程分組交流：先組內合作解決課前預習遺留問題;再交流收集到的與金屬生銹、金屬防護以及廢金屬的有關信息。

學生針對教材上的實驗（如圖4），研討如下問題：（1）試管②中水為什么要煮沸？（2）試管④中稀硫酸或者醋酸為什么要倒去？（3）試管①②為何要加橡皮塞？（4）防銹的原理有哪些？（5）鐵銹是怎樣的結構，與氧化鋁結構有何差異？（6）如何利用5支試管做對比實驗得到鐵生銹條件的？

小組展示其歸納知識的結果，并補充完善（如圖5）。筆者讓學生課前自主學習，基于精準的數據分析結果在課堂上組織研討活動，調動了學生學習的積極性，同時以討論修正、爭論辨析、結果分享，取代單純的記憶、模仿和練習，關注學生的體驗、理解和思考。

（二）巧用技術，深度研討

在學習過程中，學生獲取知識、加深理解和遷移應用是交叉進行的——只有在理解中嘗試應用，才能在應用中加深理解，構建新的認識，形成新的思路和方法。教師要促進學生深度學習，就要為學生設計深度互動的學習過程。學生深度學習有利于他們利用所學知識、技能和方法解決問題。學生只有在學習中遇到情境特別是與現有認知沖突的問題，才能真思、真做。教師讓學生面對真困難，解決真問題，有利于錘煉其意志品質，提高能力和素養。

教師利用問題鏈，通過主干問題驅動學生深入思考、構建知識，讓學生在解決問題的過程中積累學科活動經驗并體驗學科問題解決的思路和方法，在冷靜思考后表達交流，是促進學生深度理解的有效途徑^[3]。應用傳感器開展化學實驗為學生深度探究提供了技術條件。基于傳感器的數字化實驗具有操作方便、測量準確、現象直觀、原理可視等優點，結果表達具有數據化、圖像化的特點，可以展現動態的數據鏈，有助于提高學生解決問題、數據分析的能力。教師用傳統方法做化學實驗往往只能粗略定性探索反應原理，運用數據傳感器則可實現化學實驗定量化和精密化，便于學生分析數據，探究規律。例如，學生參考教材上介紹的方法，觀察5支試管在實驗中的現象并進行對比，只能得出鐵生銹需要“與空氣接觸”的結論，而不能得到“與氧氣反應”的結論，實驗結論較為模糊。教師開展數字化實驗，則可以將教材內容作為研究的起點，引出問題讓學生延伸探究，形成問題鏈，步步深入。

在課堂教學中的合作探究環節，筆者陳述問題：閱讀教材，思考5支試管提供的條件是空氣，何以確定鐵生銹一定是與空氣中的氧氣作用造成的。學生立刻陷入深思。在學生困惑之際，筆者為學生提供了有效的檢測工具——氧氣數字傳感器。筆者現場實驗，對于氧氣濃度不斷減小的情況學生直觀可見，實驗數據直接說明問題。

至此，通過研討形成如下問題鏈：

（1）課前教師參考教材選取5支試管利用氧氣傳感器進行了測量，形成相應的反應時間和氧氣濃度的圖像（如圖6），對比實驗數據看看能得到哪些與鐵生銹條件有關的信息。

（2）進一步利用溫度和壓強傳感器檢測得到與鐵生銹有關的其他數據，分析實驗數據，看看對鐵生銹過程有哪些更深的認識（如圖7、圖8）。

（3）根據傳感器數據結果，回顧教材第一單元鐵生銹實驗，解釋紅墨水倒吸很慢的原因。

化學反應原理一般都較為抽象。教師演示教材上的鐵生銹探究實驗，現象明顯，用它引導學生分析鐵生銹的原理，可以增強學生的感性認識，但是現象尚不能直接揭示反應原理，鐵生銹是否真的是與氧氣發生反應，學生并無直觀感受。傳感器實驗在現象和原理之間筑起橋梁，并且能多角度測量反應系統中的多種物理量的變化，將其直觀呈現在學生面前，揭示反應實質。此次實驗要求學生學會利用控制變量法來進行實驗探究。學生利用傳感器測量，可以從定量的角度用對比法探究。這不僅是控制變量法的再利用，而且是對知識的深度探究。同時，該數字化實驗增加了壓強和溫度傳感器的測量，豐富了實驗數據，深化了學生對鐵生銹過程的認識——不僅僅是教材上描述的緩慢放熱，而且是基于真實的數據。此外，教師關聯已有知識經驗（鐵絲生銹實驗），引導學生再分析、再判斷、再辯證，能培養學生的科學能力和精神。

（三）拓展思維，學以致用

實現深度學習最顯著的標志之一，是學生能夠將學到的知識、技能、方法運用到真實問題的解決中。學生解決生活中的實際問題，有利于主動地提出問題，分析問題，解釋現象;或者經過分析推理，溝通交流，最終解決問題。教師應用數字傳感器探究實際問題，可以增加情境素材的豐富性，通過數據在情境和知識之間建立聯系，讓學生去理解、領會、評判、體驗、感受，讓知識“活起來”，將學習過程轉變為學生能力發展的過程。除了利用數據傳感器探究教材上的實驗，師生還探究了鐵生銹反應的實際應用——暖貼是如何發熱的，將知識應用于生活，解決實際問題。筆者使用傳感器對暖貼進行測量，得到溫度和氧氣濃度隨時間的變化圖像（如圖9），與普通的鐵生銹過程進行比較，讓學生分析實驗數據，得到相關結論。

同時，學生根據數據分析情況，應用所學知識，進一步討論“利用鐵生銹測定空氣中氧氣含量和利用紅磷測定空氣中氧氣含量兩組實驗各有什么優缺點”（如圖10），拓寬思維，交流討論，批評辨析，真正理解知識，而不只是簡單記憶。課堂結尾，筆者聯系生活實際講解雙吸劑的應用原理，讓學生認識到數據分析具有很大的應用價值。

（四）總結反思，當堂檢測

筆者帶領學生總結后，利用當堂檢測、數據掃描和分析等手段，及時把控學生學習狀況，使學生的學習實現閉環。課堂上，筆者當堂檢測，在技術支持下掃描、統計，快速找到學生在學習過程中存在的問題;課后，通過“學生自糾”“同伴互助”“教師指導”等形式進行矯正。教師通過數據分析，掌握學生的具體需求，不僅能實時捕捉有效信息，根據學生遇到的困難及時干預，而且能幫助學生鞏固、深化和運用所學知識，直至最終達成學習目標。

三、信息技術助力精準教學實現學生素養提升

筆者開展實驗教學，基于數據，應用技術，收到實效，促進了學生深度學習。

（一）智慧教學，實現自主學習、自主探究

深度學習的主要特征就是要讓學生進行“活動與體驗”，即讓學生主動研究而不是被動接受知識，用身心去體驗知識的發生、發展和形成。學生主動學習活動的發生離不開教師的引導，也離不開教師對學生學習過程的精心設計。筆者在課前安排學生自主學習，利用數據掃描技術找到學生學習的薄弱點;用數據掃描技術當堂檢測，評估學生學習的效果，分析個體差異;讓學生分組合作，自主學習，溝通交流;利用信息技術啟發學生對鐵生銹知識進一步探究，引導學生自主探索、思考、合作釋疑，都是為了實現學生深度學習。學生在學習過程中質疑、探究、歸納、演繹，在知識和內容之間建立了緊密聯系。

（二）善用技術，實現探究體驗、深度思考

筆者帶領學生使用傳感器對鐵生銹過程中的數據變化進行分析，實現了從定性到定量、從粗略到精準、從淺表到深層的科學探究。如此，教學不再是簡單講授、反復記憶和重復訓練，而是利用精準實驗，讓學生體驗到數據也可以“說話”。教學中，改進實驗用以驗證化學原理，啟發誘導學生探究，從認知、意志、情感、行為多角度促進學生發展，幫助學生把握知識的內在聯系和本質，同時在實驗過程中通過傳感器的數據分析技術的應用，增大了學生的思維容量，促進了學生思維進階發展，幫助他們理清思路、提煉方法，提高了批判性思維和創新能力。

（三）聯系生活，實現遷移應用、素養提升

學生面對陌生的、較復雜的真實問題，能夠較快地形成整合資源、分析問題、解決問題的能力（特別是深度學習能力），是教師教書育人的追求。培養這種素養最重要的載體就是情境素材。學生在解決真實問題的過程中能將知識進行有效轉化、應用。在學生掌握知識、技能、方法后，筆者還為學生提供了真實的生活素材暖貼，將數據傳感器的測量結果作為解決問題的支架，讓學生探索、發現新知，并進一步聯系原有知識（鐵生銹實驗），深度解決問題。筆者設置的問題具有開放性并且留給學生足夠的時間進行研討。學生在探討過程中，獨立思考，互相評判，提出疑問，持續反思，最終得到結果。

注：本文系江蘇省基于測試分析的跟進式改革項目重點課題“基于數據診斷深化自主學習型課堂建設的研究”（課題編號：2019jyktzd-03）、江蘇省中小學教學研究第十二期重點課題“初中化學促進深度學習的課例研究”（課題編號：2017JK12-ZB11）的階段性研究成果。

參考文獻

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[2] 梅建芬.重構·迭代·創生：自主學習型課改實踐優化路徑[J]. 中小學數字化教學，2021（12）：69-73.

[3] 唐恒鈞，張維忠，陳碧芬.基于深度理解的問題鏈教學[J].教育發展研究，2020（4）：53-57.

（作者系江蘇省常州市武進區湖塘實驗中學教師）

責任編輯：祝元志