基于數字化實驗的高中化學校本課程的開發與實施

莊建德 黃倩瑩 李偉溪

摘要：本研究基于數字化實驗，根據現有教材、新課標要求及學生情況，開發“四學段六環節”模式的高中化學數字化實驗校本課程。學生在教師的指導下，從高一到高二共四學期有梯度地進行理論學習與數字化實驗實踐，進而達到所設定的教學目標。通過課堂觀察、量表評價及開放式問卷等多種途徑收集反饋，發現該模式下的化學校本課程能幫助學生樹立定量意識，提高學生的化學學科核心素養。

關鍵詞：數字化實驗；化學校本課程

文章編號：1008-0546（ 2022）12x-0054-06

中圖分類號：C632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022. 12x.013

一、問題的提出

隨著信息時代的到來，教育教學與信息技術的融合成為了新一輪課程改革的重點。[1]數字化實驗是信息技術與教學融合的重要手段和工具之一，它具有定量化和可視化特點，可作為認知工具幫助學生克服一些概念學習中的“認知難點”，[2]科學感知與建構抽象化學概念。已有實證研究表明，手持技術對概念學習的確有促進作用。3]2017版普通高中化學課程標準提出“應鼓勵教師運用信息技術提高課堂教學效率和質量，強化信息技術與化學教學的深度融合”[4]，在“教材編寫建議”中要求“化學教材應精心設計學生必做實驗，適當增加微型實驗、家庭小實驗、數字化實驗、定量實驗和創新實踐活動等”[4]。新教材中也已經添加了一些數字化實驗，如必修一中介紹了驗證次氯酸光照分解產物的數字化實驗。[5]

但目前數字化實驗用于常規教學還是相對較少的，更多的是在公開課中的展示。而開設數字化實驗校本課程的學校就更少了。目前在中國知網能檢索到的，將數字化實驗運用到校本課程的研究僅有29篇，其中僅有5篇是與化學學科相關。仔細閱讀后可知，很多老師沒有將校本課程形成一個體系，更多的是一次或多次的規定實驗或探究實驗，不能讓學生的定量思維和信息素養有系統性地鍛煉和長期性地培養。其中做得最系統最成熟的是徐惠和馬宏佳，[6]但仍存在三個問題：第一，課程內容集中在教材必修模塊；第二，教學對象僅限高一學生，不能持續培養學生思維；第三，課程目標較為簡單，不能提升學生更高階的思維和能力，如實驗創新和遷移應用。

因此，作為廣東省廣州市番禺區的龍頭學校，我們課題組著力于如何開發出一個系統、可行的數字化實驗高中化學校本課程體系，旨在培養學生化學核心素養及信息素養，同時實現學生、教師、學校共同成長的目標。

二、基于數字化實驗的高中化學校本課程的開發

本校本課程的開發著重于三大模塊：課程目標的確定、課程內容的設計與課程規劃的設計，其中，課程內容應基于課程目標來設計，而具體的課程內容則決定了課程安排的規劃，具體的研究過程及內容如圖1所示。

1．確定課程目標

基于文獻綜述與新教材、新課標的分析結果，本系列化學校本課程的總目標有以下四點，分別對應不同學段：第一，熟悉數字化實驗設備操作，樹立定量分析意識，培養選擇數據和理解證據能力；第二，融合教材與數字化實驗，樹立證據推理意識，培養采集數據和尋找證據的能力；第三，自選化學研究課題，樹立科學探究意識，提高分析數據和得出結論能力，第四，合作撰寫研究報告，樹立學科融合意識，提高實驗創新能力與信息素養。

2．設計課程內容

基于已有的數字化實驗研究成果進行挑選，選擇能夠發揮數字化實驗優勢的實驗并進行重整，設計成課程；要求考慮學生的現有水平及隨著課程的進行其水平的提升，故選取的內容應具有一定梯度，符合學生認知發展的規律。下表1列出選取的部分供學生選擇的實驗內容。

挑選出合適的內容后，還需要將數字化實驗與課本知識整合，設計成課程。在課程中，主要采用“問題解決”的模式進行授課，整合的主要思路主要為：先提出實際問題，然后考慮使用怎樣的教學策略來解決問題，再設計使用該教學策略的教學過程來解決實際問題，最后選擇適合的評價方式來評估問題解決的效果。按照這樣的思路，將挑選出來的知識與數字化實驗整合，設計成課程，撰寫教案及學案。

3．設計課程規劃

課程初步確定為每學期14課時，每課時約1個小時，上課地點為數字化實驗室。其次，考慮到課程目標及學生對數字化實驗的認識會隨著課程的進程而不斷發展，故將整個系列的校本課程規劃為四學段六環節的課程體系，圖2即為四學段六環節課程體系的整體規劃圖。

由圖2可見，整套課程共分為四個學段，分別為：初步感受數字化實驗、改進創新教材實驗、基于數字化實驗的研究性學習、基于數字化實驗的項目式學習。在學段1中，學生對數字化實驗設備還尚未熟悉，故本階段設計的實驗難度偏低，課程目標主要是讓學生熟悉實驗設備的操作與用途，學會定量分析實驗數據，為后續深入的學習打下基礎。在學段2中，學生需自行改進教材中的實驗，這對其創新能力提出挑戰。而在學段3與學段4的研究性學習、項目式學習中，對學生“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”的核心素養要求更高，甚至在學段4中進行學科交融方式的學習。四個學段整體呈梯度設計，符合學生認知水平與實驗技能的發展，學生經歷“了解→模仿→創新”的認知階段，逐步完成課程目標。

在四個學段的基礎上，每學段的教學過程又細分為六個環節，分別為：學段簡介、開題報告、實驗操作、結題報告、撰寫論文、學段評價。

三、基于數字化實驗的高中化學校本課程的實踐

該課程目前已經完整實施了一輪，授課對象為2020級選課學生，共30人，授課時間從2020年9月的高一上學期持續至2022年6月的高二下學期，共四個學期。第二輪也已經在進行中，授課對象為2021級選課的30名學生，同樣進行四個學期的校本課程學習。在課程實施時，需要學校支持校本課程的設立、課題組成員與學生的參與、實驗室在實驗準備上的保障等。

1.初步感受數字化實驗階段

2020年9月16日，該校本課程正式第一輪開課，我們遵循著六環節中的學段簡介、開題報告、實驗操作、結題報告、撰寫論文、學段評價，先由本校的三名主講老師開展學段介紹，并著重介紹了實驗設計流程及數字化實驗儀器。然后華南師范大學錢揚義教授給學生上了精彩的指導課。接著學生在老師的指導下開始進行小組討論選題，經過兩課時的討論和老師的指導．在第五次課時，學生初步設計了實驗方案并展示匯報。本學段沒有要求學生撰寫論文，僅提供實驗報告即可。

2．改進創新教材實驗階段

2020年3月3日，校本課程已經來到了第二階段。在寒假期間，老師要求學生在上學期課程的基礎上，思考改進創新教材實驗，在本學段的第一次課上，進行匯報展示。屆時，各組都自信地匯報自己的實驗設計，其他小組同學和老師對其做出評價和建議。從課堂的展示和學生做出的點評可以看出，學生的信息檢索能力、實驗設計能力及實驗改進能力有所提高，但仍缺乏控制變量意識及實驗設計的嚴密性，有時候理不清數據與概念間的關聯（如圖3、圖4所示）。

在老師的指導下，學生最終定出了如表2的五組方案。在第一輪預實驗中，很多學生發現了方案的不足之處，并遇到與自己預測不符的實驗結果。這時，老師便抓典型，為學生講解如何采集理想數據并尋找到合適的證據，進而完成證據推理，做到理論與實際相符。在老師的講解后，各組學生再次調整自己的實驗方案，并開展了第二輪的正式實驗，對實驗結果沒有問題的小組，則可開始撰寫實驗報告，對實驗結果仍有問題的小組，則需指導其重做實驗，直到數據合理，證據鏈條完善。由于學生的能力在逐漸提高，在本學段的最后，老師講解了如何將實驗報告改寫為學術論文，并鼓勵學生嘗試。

3．基于數字化實驗的研究性學習階段

該學段前半段由于疫情原因，沒有辦法集中上課，但由于有了前面的基礎，在華南師范大學王輝教授和曾卓教授團隊的指導與建議下，選擇了讓學生分組探究數字化實驗在陽離子瓜爾膠取代度分析中的應用。瓜爾膠是重要的化學用品，但目前對其定性與定量表征的方法較為復雜。因此我們嘗試使用數字化實驗作為快速、準確、操作簡便的表征方法。在水溶液中，陽離子瓜爾膠取代度越高其溶液離子濃度越大。溶液導電能力隨離子濃度增大而增強，故可利用導電率傳感器測試陽離子瓜爾膠溶液的導電率，來表征陽離子瓜爾膠的取代度。在教師講解并提供研究方向后，學生自主選一個研究因素進行探究性實驗，最終各組實驗如表3所示。

本階段非常考驗并鍛煉學生的信息素養能力，他們首先要自己收集資料，了解其中的反應原理，繼而設計可行的實驗方案。在做實驗后，還需要分析曲線圖帶來的信息，學會多次實驗，排除干擾，進而得出最終的結論，在過程中提高了分析數據和得出證據能力。最終在歷時2個月后，兩個大組內均能得到一致的實驗結果，可以將數字化實驗作為表征手段并驗證了大學中的實驗室制法可行，且陽離子瓜爾膠的取代度隨著反應時間延長而增大。

本學段雖受疫情影響不能過多地進行集中授課與展示評價，但學生在自主動手實驗及教師的指導下，得到很多思維鍛煉，整個過程苦并快樂著（圖5、圖6所示）。

4．基于數字化實驗的項目式學習階段

最后一個學段老師和學生一致決定圍繞仲元中學的環境進行展開，由于校園內有與外界連同的湖，因此選擇了五個小組共同合作研究校內小微水體的水質。在本學段中，學生需要綜合所有學科知識，可以從物理、化學、生物等角度對水質進行研究。每個小組根據所查資料討論后，得到了表征水質的幾大指標，如含氧量、渾濁度、氮磷含量、硬度、微生物種類（供氧還是耗氧）與數目等。之后，每個小組選擇了其中一到幾個指標進行研究，最后再討論合寫一份實驗檢測報告。在開題的過程中，學生己經能互相點評且一針見血，全面到位，老師只需要稍加補充即可。最終，各組學生的題目如表4所示。

在實踐過程中，從采樣、測量、分析、得出結論等環節均能明顯感受到學生的熟練，但在最后的撰寫研究報告及研究論文方面還有所欠缺，主要體現在文字表達的完整性及嚴謹性。在最終的總結反思階段，很多學生都表達了在本課程中學習到了很多課本內外的知識，且在實驗過程中發現，其實學以致用是有難度的，尤其很多實驗設計都要在實踐中才知道是否可行，但明顯能看到自己的進步（如圖7、圖8所示）。

四、基于數字化實驗的高中化學校本課程的評價

課程評價可以較客觀地反映校本課程的目標是否達成，并可根據評價結果對課程的設計與實施進行調整，故課程評價在課程開發過程中起著不可替代的作用。課題組在每個學段授課結束后對學生進行問卷調查，調查內容主要由兩部分組成，第一部分是5點量表及總結感想，主要了解學生在經過本學段的學習后，是否可以達成課程目標；第二部分是開放性問題，主要了解學生對課程的意見與建議。從2020年9月至2022年6月，第一期課程的學生共接受了4次調查，調查問卷的內容會根據每個學段的課程目標進行調整。

1．課程目標達成度

學生的自我評價數據表明，每個學段的課程目標均基本實現，且學生認為校本課程在逐漸改進與完善，為他們提供了豐富且有深度的科學探究。從學生的感想中（如圖9所示），我們可以感受到學生對本課程非常喜愛，并提到了在第二學段中“通過小組討論可以解決一些問題”，并反思了小組實驗中最突出的問題，進而改進了實驗，獲得了成就感。學生的話語可側面說明他們在第二學段能樹立證據推理意識，通過采集數據和尋找證據來改進實驗，基本能達成本學段的目標。

2．對校本課程的意見與建議

在被問及“對校本課程的建議”時，學生給出了一些實質性的建議，而根據建議，我們也對課程進行了適當的調整。如學生提及“傳感器如果能多一點更好，有時候會不夠用”，課題組積極與儀器供應商協商，爭取在學段二的課程中增加傳感器的種類與常用傳感器的數量，做好硬件保障，保證在分組實驗過程中，學生能有充足的傳感器進行探究。“不是很會寫實驗報告，希望老師能再多指導或者給一些模板”等類似的建議也是我們關注的重點，在此建議下，授課教師馬上增加對實驗報告撰寫的指導（如圖10所示），并增加對學生所提交的實驗報告的生生互評與教師指導。

五、總結與反思

在本輪校本課程實踐中，我們凝練了一小批成果如公眾號推送、每階段的簡報及學生實驗報告等，也總結出了一定的實踐經驗。第一，校本課程的順利開展離不開創建一支全面且分工明確的團隊。本研究中，我們充分發掘了錢揚義教授提出的U-G-E-S的教研模式優勢，即結合師范大學（University，華南師范大學）一地方政府教研機構（Government，廣州市教育學會立項）一儀器公司（Enterprise，廣東江風光學儀器有限公司）一中學（School，廣東仲元中學）四者的力量，組成一支強大的團隊，保證校本課程順利地開發與實施。第二，課程的設置一定要有梯度，理論與實踐相結合。本校本課程采用了四學段六環節的教學模式，根據學生的具體情況及課程目標，有梯度地設置不同難度的理論與實踐內容，由評價可知該模式效果較好。第三，仍需加強學生的寫作指導與能力培養，從實驗報告、最終的小論文及學生評價中可以看出，學生的寫作能力仍有很大的提升空間，如寫作的規范性、詳略、嚴謹性等各個方面，都是下一輪課程要突破的重難點。

同時，我們在實踐過程中也遇到了如疫情不能開課，儀器供應不足等情況。因此我們思考了本課題以后的兩個發展方向。第一，將課程資源網絡化。目前課題組在組織學生拍攝數字化實驗操作視頻，并將此制作成微課傳至公眾號，這樣就可以形成一個網絡學習資源庫，使學習不受時空和疫情的影響。第二，將課程區域化推廣。本校本體系經過第一輪實踐后，達到了不錯的效果，因此在下一步要將其推廣至其他兄弟學校，以擴大該成果的影響，形成區域教研合力。

參考文獻

[1]錢揚義，王立新，林惠梅．手持技術數字化實驗教學研究：理論構建與創新實踐[M]．北京：科學出版社，2021，3．

[2]錢揚義．手持技術在研究性學習中的應用及其心理學基礎[M]．北京：科學出版社，2006．

[3] 王立新，錢揚義，蘇華虹，陳博殷，梁宏宇，手持技術數字化實驗與化學教學的深度融合：從“研究案例”到“認知模型”——TQVC概念認知模型的建構[J]．遠程教育雜志，2018，36（04）：104-112．

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

[5]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心．普通高中教科書（化學必修第一冊）[M]．北京：人民教育出版社，2019．

[6]徐惠，馬宏佳，“數字化實驗”校本課程的開發與實施[J].化學教育，2017，38（7）：5-12．