虛擬實(shí)驗支持的線上線下融合教學(xué)

張偉　周業(yè)虹

摘要：為探究虛擬實(shí)驗支持的線上線下融合教學(xué)模式，研究者基于課程標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)情和教學(xué)內(nèi)容確定教學(xué)目標(biāo)，按照布盧姆教育目標(biāo)分類學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，有效整合了虛擬實(shí)驗等數(shù)字化教學(xué)資源。教師課前針對需要記憶、理解、應(yīng)用的事實(shí)性知識和概念性知識布置線上學(xué)習(xí)任務(wù)，課堂上指導(dǎo)學(xué)生以理解、運(yùn)用、分析、評價、創(chuàng)造等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，課后通過作業(yè)幫助學(xué)生鞏固事實(shí)性知識、概念性知識和程序性知識，創(chuàng)新實(shí)驗教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生深入思考和探究，有利于提升學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗；線上線下融合；高中化學(xué)；羧酸

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》倡導(dǎo)“以發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨優(yōu)化教學(xué)過程，有效提高教學(xué)質(zhì)量”，提出了“注重發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的作用，積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗的深度融合，合理運(yùn)用計算機(jī)模擬實(shí)驗”的教學(xué)建議。改進(jìn)化學(xué)實(shí)驗對提升學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要作用。教師如何設(shè)計和開展線上線下融合的教學(xué)活動，在發(fā)揮真實(shí)實(shí)驗作用的同時有效利用虛擬實(shí)驗，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)知識時運(yùn)用化學(xué)學(xué)科思維方法，在自主建構(gòu)化學(xué)知識的過程中逐步形成化學(xué)觀念，在解決問題的探究活動中發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)，這些問題值得教師深入思考并探究。

一、虛擬實(shí)驗支持的線上線下融合教學(xué)模式

虛擬實(shí)驗是依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗情境和實(shí)驗對象。研究證明，虛擬實(shí)驗?zāi)茱@著提高學(xué)生對探究過程和要素的理解，有助于學(xué)生構(gòu)建知識，正確認(rèn)識科學(xué)家的科學(xué)實(shí)踐活動，養(yǎng)成良好的科學(xué)態(tài)度。虛擬實(shí)驗支持的線上線下融合教學(xué)是在線上與線下深度融合的教學(xué)時空中，教師利用虛擬實(shí)驗與真實(shí)化學(xué)實(shí)驗等資源、信息化環(huán)境與工具，通過評價任務(wù)、反思分析數(shù)據(jù)、同伴互助等手段，有效整合線上與線下教學(xué)優(yōu)勢、提高教學(xué)效益、促進(jìn)學(xué)生更好發(fā)展的教學(xué)方式。

虛擬實(shí)驗支持的線上線下融合教學(xué)不是簡單的“線上教學(xué)+線下教學(xué)”，更不是僅在傳統(tǒng)教學(xué)中加入一些信息技術(shù)手段。教師基于布盧姆教育目標(biāo)分類學(xué)對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，將知識配置到不同的教學(xué)形式中，?可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)、學(xué)習(xí)、評價的一致性。筆者將需要記憶、理解、應(yīng)用的事實(shí)性知識和概念性知識設(shè)計為課前線上學(xué)習(xí)內(nèi)容；將需要理解、運(yùn)用、分析、評價、創(chuàng)造的概念性知識和程序性知識，設(shè)計為課上在教師指導(dǎo)下的進(jìn)階式數(shù)字化學(xué)習(xí)內(nèi)容；課后讓學(xué)生充分進(jìn)行個性化思考和反思，從記憶、理解、運(yùn)用、分析、評價和創(chuàng)造6個維度設(shè)計并布置作業(yè)，幫助學(xué)生鞏固事實(shí)性知識、概念性知識和程序性知識，對知識獲取過程進(jìn)行反省（如圖1）。虛擬實(shí)驗等信息技術(shù)環(huán)境，能夠支持學(xué)生經(jīng)歷“從問題和假設(shè)出發(fā)確定研究目的、依據(jù)研究目的設(shè)計方案、基于證據(jù)進(jìn)行分析和推理”的科學(xué)探究過程；能夠支持教師診斷學(xué)生認(rèn)識水平以進(jìn)行教學(xué)規(guī)劃和教學(xué)過程中的跟進(jìn)指導(dǎo)，發(fā)揮教師引導(dǎo)、啟發(fā)的作用，充分調(diào)動學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性。

二、虛擬實(shí)驗支持的線上線下融合教學(xué)案例

為了在發(fā)揮虛擬實(shí)驗技術(shù)優(yōu)勢的同時強(qiáng)化真實(shí)實(shí)驗的價值，筆者結(jié)合化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)，設(shè)計了虛擬實(shí)驗支持的線上線下融合教學(xué)流程（如圖2）。

下面以人教版《普通高中教科書 化學(xué) 選擇性必修?3 有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》第四節(jié)第?1 課時“羧酸”為例，具體介紹虛擬實(shí)驗支持的線上線下融合教學(xué)方法與過程。

（一）分析教學(xué)內(nèi)容

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對“羧酸”相關(guān)內(nèi)容給出了具體教學(xué)要求（見表1）。

人教版《普通高中教科書 化學(xué) 必修 第二冊》中“乙酸”和《普通高中教科書 化學(xué)???選擇性必修?3 有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》中“羧酸”教學(xué)要求列舉如下（見表2）。

相對于必修階段“乙酸”的教學(xué)，選擇性必修階段教師更注重引導(dǎo)學(xué)生從有機(jī)物類別的角度認(rèn)識“羧酸”，強(qiáng)調(diào)對“羧酸”的結(jié)構(gòu)認(rèn)識、“羧酸”類物質(zhì)與其他類別有機(jī)物之間的相互轉(zhuǎn)化及相關(guān)應(yīng)用。教師開展“羧酸”教學(xué)的價值在于通過羧基的共性和差異性進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生建立“組成、結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的學(xué)科觀念，形成“基于官能團(tuán)、化學(xué)鍵與反應(yīng)類型多角度認(rèn)識有機(jī)物”的一般思路，理解“有機(jī)物性質(zhì)的科學(xué)探究”過程。

（二）確定教學(xué)目標(biāo)

教師結(jié)合教學(xué)內(nèi)容要求和學(xué)生的實(shí)際情況，設(shè)計確定“羧酸”教學(xué)目標(biāo)如下：①?認(rèn)識“羧酸”的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能對“羧酸”進(jìn)行分類，預(yù)測“羧酸”的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)；②?通過探究“羧酸”的酸性強(qiáng)弱建立對“羧酸”電離的定量認(rèn)識，理解“從問題和假設(shè)出發(fā)確定研究目的、依據(jù)研究目的設(shè)計方案、基于證據(jù)進(jìn)行分析和推理”的科學(xué)探究過程；③?以“羧酸”酯化反應(yīng)為研究對象，探究有機(jī)反應(yīng)斷鍵成鍵位置的方法，能從反應(yīng)速率、限度等角度綜合分析并調(diào)控有機(jī)反應(yīng)，認(rèn)識性質(zhì)、轉(zhuǎn)化關(guān)系在生產(chǎn)和生活中的重要應(yīng)用。

教師利用布盧姆教育目標(biāo)分類表，從知識維度和認(rèn)知過程維度，對概念性知識（“羧酸”的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)）、程序性知識（基于官能團(tuán)、化學(xué)鍵與反應(yīng)類型認(rèn)識“羧酸”）、程序性知識（科學(xué)探究“羧酸”的性質(zhì)）等內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行歸類分析（見表3）。

（三）設(shè)計學(xué)習(xí)活動

教師為學(xué)生提供線上學(xué)習(xí)平臺，采用“NB虛擬實(shí)驗”配合“小管家”App提交前測、后測任務(wù)單加微信群多種方式教學(xué)。教師基于虛擬實(shí)驗支持的線上線下融合教學(xué)模式，為學(xué)生設(shè)計了“羧酸”的學(xué)習(xí)活動（如圖3）。

（四）教學(xué)過程

1. 課前線上階段

【線上活動】教師通過食醋釀造情境問題進(jìn)行課前診斷。教師引導(dǎo)學(xué)生以甲酸、苯甲酸、乙二酸、乳酸等生活中常見的“羧酸”為研究對象進(jìn)行分類，并結(jié)合熔點(diǎn)和沸點(diǎn)等數(shù)據(jù)分析解釋“羧酸”的物理性質(zhì)；預(yù)測“羧酸”的化學(xué)性質(zhì)，應(yīng)用NB虛擬實(shí)驗平臺自主探究“羧酸”的酸性。

【設(shè)計意圖】診斷學(xué)生的認(rèn)知起點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用有機(jī)化學(xué)的思維方式和方法學(xué)習(xí)“羧酸”知識，基于對“乙酸”和其他烴的衍生物的認(rèn)識，自主認(rèn)識“羧酸”的結(jié)構(gòu)、類別和物理性質(zhì)。應(yīng)用NB虛擬實(shí)驗平臺幫助學(xué)生經(jīng)歷“根據(jù)結(jié)構(gòu)預(yù)測性質(zhì)、選擇試劑并驗證、得出結(jié)論”的完整科學(xué)探究過程。

2. 課中線上線下融合階段

【線上線下活動】學(xué)生對課前線上學(xué)習(xí)成果進(jìn)行自評、互評。

【設(shè)計意圖】教師通過評價開闊學(xué)生認(rèn)識有機(jī)物的視野，讓學(xué)生從更多角度認(rèn)識事物，在自主建構(gòu)化學(xué)知識的過程中理解“組成、結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一觀念，凸顯基于物質(zhì)通性設(shè)計實(shí)驗的思維有序性。

【線上線下活動】學(xué)生應(yīng)用NB虛擬實(shí)驗平臺設(shè)計實(shí)驗，比較“乙酸”和碳酸、苯酚酸性的強(qiáng)弱，線下研討方案后，再次通過NB虛擬實(shí)驗平臺完善方案。

【設(shè)計意圖】教師將探究“羧酸”酸性強(qiáng)弱的實(shí)驗設(shè)計成開放性的探究活動，只給出學(xué)生實(shí)驗?zāi)康模惶峁﹥x器和試劑。預(yù)計到學(xué)生設(shè)計實(shí)驗時會忽視“乙酸”的揮發(fā)性，因此，教師在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用除去氣體雜質(zhì)的思維模型（溶解或反應(yīng)除去雜質(zhì)，不引入新的雜質(zhì)），培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計連續(xù)、多步實(shí)驗的思維的有序性和縝密性。學(xué)生應(yīng)用NB虛擬實(shí)驗平臺實(shí)現(xiàn)探究方案的“初步設(shè)計、評價、完善設(shè)計”，在短時間內(nèi)經(jīng)歷了兩次完整的科學(xué)探究過程（如圖4），初步建構(gòu)了“從問題和假設(shè)出發(fā)確定研究目的、依據(jù)研究目的設(shè)計方案、基于證據(jù)進(jìn)行分析和推理”的思維模型，提升了學(xué)生的證據(jù)推理意識和科學(xué)探究的素養(yǎng)水平。

【線上線下活動】學(xué)生觀看“乙酸乙酯的制備”實(shí)驗視頻，討論反應(yīng)斷鍵成鍵位置，分析反應(yīng)條件對反應(yīng)速率和平衡的影響，討論提升“乙酸乙酯”產(chǎn)率的措施。

【設(shè)計意圖】教師引導(dǎo)學(xué)生了解探究有機(jī)反應(yīng)斷鍵成鍵位置的方法；通過酯化反應(yīng)條件的調(diào)控，進(jìn)一步認(rèn)識“化學(xué)變化是有條件的”這一觀念對有機(jī)反應(yīng)也同樣重要，提升學(xué)生綜合運(yùn)用有機(jī)物結(jié)構(gòu)及性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)原理、科學(xué)探究等知識解決復(fù)雜問題的能力。

3. 課后線上階段

【線上活動】學(xué)生根據(jù)要求設(shè)計乳酸的轉(zhuǎn)化路線；結(jié)合相關(guān)資料設(shè)計實(shí)驗室合成乳酸異戊酯的實(shí)驗方案。

【設(shè)計意圖】教師引導(dǎo)學(xué)生遷移應(yīng)用概念性知識“羧酸的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)”、程序性知識“基于官能團(tuán)、化學(xué)鍵與反應(yīng)類型認(rèn)識羧酸”，分析羥基酸（乳酸）這一陌生有機(jī)物的性質(zhì)，嘗試應(yīng)用性質(zhì)設(shè)計轉(zhuǎn)化路線。引導(dǎo)學(xué)生在設(shè)計實(shí)驗方案的過程中，應(yīng)用程序性知識“科學(xué)探究羧酸性質(zhì)”和概念性知識“化學(xué)反應(yīng)速率和限度”解決實(shí)驗室合成乳酸異戊酯的問題。

三、虛擬實(shí)驗支持的線上線下融合教學(xué)反思

上述“羧酸”的教學(xué)案例是數(shù)字化教學(xué)環(huán)境下對教學(xué)模式進(jìn)行的實(shí)證研究。課前，教師開展虛擬實(shí)驗，讓學(xué)生基于已有概念、理論對陌生物質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行探究。在學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程的同時，教師實(shí)現(xiàn)了對學(xué)生認(rèn)知水平的診斷，這有利于教師在教學(xué)中跟進(jìn)指導(dǎo)。學(xué)生課前通過虛擬實(shí)驗平臺設(shè)計的方案，以圖片的形式在課上展示并接受評價，特別是同伴互評，有利于學(xué)生反省認(rèn)知、獲取知識。課中的虛擬實(shí)驗是開放性的探究活動，教師引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用NB虛擬實(shí)驗平臺進(jìn)行“初步設(shè)計—評價—完善設(shè)計”，凸顯學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性和個性化，幫助學(xué)生進(jìn)一步建構(gòu)“從問題和假設(shè)出發(fā)確定研究目的、依據(jù)研究目的設(shè)計方案、基于證據(jù)分析和推理”的思維模型。

實(shí)踐證明，依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)情和教學(xué)內(nèi)容確定教學(xué)目標(biāo)，按照布盧姆教育目標(biāo)分類學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，整合虛擬實(shí)驗等教學(xué)資源進(jìn)行線上線下融合教學(xué)，能有效引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)學(xué)科思維方法學(xué)習(xí)化學(xué)知識，在自主建構(gòu)化學(xué)知識過程中理解化學(xué)觀念，在解決問題的探究活動中發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

注：本文系國家新聞出版署出版融合發(fā)展（人教社）重點(diǎn)實(shí)驗室、人民教育出版社人教數(shù)字教育研究院2021年重點(diǎn)課題“信息化教學(xué)環(huán)境下基于虛擬實(shí)驗的化學(xué)學(xué)科工具對學(xué)生科學(xué)探究能力提升的研究”（課題編號：RJA0121011）的研究成果。

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（作者張偉系北京市第九中學(xué)教師；周業(yè)虹系人民教育出版社課程教材研究所編審，中國教育學(xué)會化學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會秘書長）

責(zé)任編輯：祝元志