基于化學史情境下高中化學微課的設計與制作

肖舒月　王悅　溫博雅　夏小晴　高鶴鳴　崔克宇

摘 要：在21世紀，人們的生活中充斥著各式各樣的短視頻，為了適應時代的發展，教育也應當與時俱進，深化教育現代化。在眾多現代化手段中最易普及的便是微課。本文從化學史和情境式教學的角度出發，思考HPS在教育中的重要性，并以晶體化學為例，探討化學微課在化學教學中如何設計與制作，如何更好地用微課解決高中化學教學中存在的部分問題，減輕師生負擔，提高學習效率。

關鍵詞：微課；晶體結構；HPS

中圖分類號：G633.8? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）11-0109-04

1 引言

隨著科學技術的進步，教師的數字素養越來越受到重視，黨的二十大報告提出推進教育數字化。2022年11月30日教育部印發《教師數字素養》行業標準，提出了對教師數字化意識、數字化應用、數字技術知識與技能以及數字社會責任的要求，數字化教育的重要性和趨勢可見一斑。筆者看來性價比最高的數字化教育當屬微課。

但微課僅僅進行純知識的講授是不夠的，不能吸引學生的學習興趣。難以達到預期的效果，也不符合課程標準對于學生培養的要求，情境式教學可以很好地彌補這一不足，因此將微課與情境式教學相結合勢在必行。情境式教學有很多種，包括生活情境、社會情境、認知矛盾、化學史情境等，其中化學史情境又可以結合科學哲學形成了一種衍生的教學模式—HPS模式[1]。HPS教學模式是由孟克和奧斯本所提出的一種將科學史（history）、科學哲學（philosophy）和科學社會學（sociology of science）結合的一種教育思想。

一些國家的課程標準建議HPS作為一種適當的教學策略，以促進對科學內容的深入理解，發展高階思維技能，并獲得對科學本質的充分理解[2]。HPS模式得到了越來越多的經驗證據的支持，這些證據指出，歷史信息、過去科學實驗和歷史上對HPS的反思對科學課程產生了積極影響。科學教育工作者和研究人員強調HPS的潛力，HPS可以有效提高學生對科學的興趣，培養學生對歷史和哲學的積極態度。與此同時他還有助于發展學生的論證技能，構建學生科學系統的知識體系。

隨著互聯網的高速發展，教師的授課形式與學生的學習方式等都受到不同程度的影響。為了適應信息技術的發展，采用不同的新媒體手段，開發多種數字化教學資源，實現線上輔助線下、線下反饋線上的線上和線下教學相結合的模式，是時代發展和教學改革的必然趨勢。從另一角度看，近年來因疫情、流感、臺風等原因線上課程比重增多，僅通過網絡觀看教學PPT或者錄屏回放，很大程度影響了化學教學效果。因此，根據化學課程的特點和知識結構體系，開發多種的數字化教學資源和學習方式，可以有效地緩解這一問題，有利于激發學生學習積極性、提高教學質量。在眾多數字化教學資源中，微課具有主題突出、內容精煉、觀看靈活等特點[3]。設計優良的微課，對于提高教學質量和教學效果十分重要。不僅如此，從教材內容和習題的變化形式可知，國家越來越重視學科本質的教育，本研究將HPS 教育融入高中化學微課是教育改革的需求，更是時代發展的需求。

為了更好地體現HPS與微課結合的應用，筆者專門設計并制作了一節微課，配合說明其可行性與必要性。

2 微課的構建

2.1 整體的構思與設計

本文中晶體結構微課的整體構思見圖1。本節以文獻《金相學史話（2）：β-Fe的論戰》中科學家們為β-Fe是否存在而產生了論戰的故事為依據[4]，以晶胞的性質及計算為內容，以問題：“β-Fe是否存在？”為導向，帶動學生進一步探索，向學生生動地展示了科學家們探究真理時所進行的思辨活動以及他們科學的方法與素養。培養學生宏觀辨識與微觀探析的能力、建立證據推理與模型認知的思維、提高學生的科學探究精神與創新意識、明確化學學習者的科學精神與社會責任，為學生的未來發展奠定堅實基礎。

除此之外，在明確β-Fe的來龍去脈和定義之后，可以進一步講授晶胞與合金之間的關系，例如碳鐵合金、錳鐵合金與青銅黃銅為什么性質差異這么大，不銹鋼為什么不生銹，與他們的晶胞有什么關系等一系列問題，都是很好的切入點。

2.2 化學史的運用

化學史教育有助于學生理解化學學科發展的歷史、現狀及前景，同時也揭示了化學學科一些潛在的規律[5]，其中蘊含的豐富的科研成果、科學精神、科學思維和科學方法非常適合與微課融合。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》也強調了化學史，不僅在基本理念的第3點規定“選擇體現科學性和時代性的化學課程內容”，在每個主題中都提出了相應的化學史情境素材，并建議化學教師的教學過程應盡量結合此內容[6]。化學史作為化學學科的一部分，應當被開發和利用起來，在中學化學教育中發揮積極作用。

化學史可以激發學生的學習興趣，提高科創能力，使學生掌握科學方法和思維，培養其核心素養[7]。不僅如此，化學史在中學化學教學中的滲透方式也多種多樣，利用信息技術可以將化學史巧妙地穿插在導課中，可以以化學史為線索穿插于各個知識點之間，也可以進行探究活動時再現相關的化學史。

教師在教育教學過程中，HPS教育對于中學化學教學具有深遠的意義，它能在一定程度上改善傳統化學教育，培養全面發展的、個性化發展的學生。面對如此重要的化學史教育，如何將化學史教育潛移默化地傳授給學生，則是眾多教育研究者以及一線教師需要關注的問題。與此同時，我們也要注意，不能死板地將化學史教育與中學化學教學鎖定在一起，更不能主次顛倒使化學史的地位越過教材知識，而是應該在恰當的時候，選擇恰當的化學史內容，以一種潛移默化的形式將這種素養傳遞給學生。這樣才能更好地提升教育教學質量，將化學史教育更好地融入教學中。

2.3 化學哲學與化學社會學的思考

教育部在《普通高中化學課程標準（2017年版）》中著重提出高中化學教學的五大核心素養，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”“科學精神與社會責任”5個維度。化學哲學融入化學教學、融入核心素養有助于學生深入理解化學理論知識，落實學生核心素養的培養，有助于跨學科構建完整的知識體系[8]。化學哲學教育在高中化學的教育中屬于隱性教育，是潛移默化的，對促進學生對科學本質的理解、發展學生的“化學智力”、培養學生的探究能力等方面有著很大的影響。

此外，《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020）》指出，“強化培養為民為國的大學生的社會責任意識”是教育改革與發展的重點。在成為優秀大學生之前，首先要在高中打下良好的基礎。高中是人生三觀養成的關鍵階段，是身心發展的重要一環。教師應盡職盡責引導學生培養正確的個性、責任心與道德品質[9]。綜上，HPS教育的三點在教育中缺一不可，化學史、化學哲學與化學社會學并重，三者相輔相成互相融合，共同在中學化學教學中發揮作用，才能達到立德樹人的根本目標，才能更好地促進學生化學核心素養的形成與發展。

3 技術選取

一個微課的設計，離不開各種軟件的支持，本次微課著重使用了Diamond和Focusky兩款軟件，接下來將介紹一些軟件使用的相關事項。

3.1 利用Diamond制作晶體模型

Diamond軟件是晶體學領域內應用比較廣泛的結構作圖軟件之一。晶體是由晶胞與晶胞之間無隙并置、不斷重復排列所組成的，具有明顯的周期性。但這種結構并不直觀，一開始學習起來有一定的難度，再加上學生抽象到具象的想象能力還有待進一步發展，對于晶體的各種微觀結構理解起來有些困難。因此這就要求教師能主動利用相關專業軟件熟練制作這些微觀結構模型。

使用Diamond前，需要先在網站上查找所需晶體的cif文件，獲取cif文件的方法有很多，使用者可以利用劍橋晶體學數據中心（https：//www.ccdc.cam.ac.uk/）和晶體學公開數據庫（http：//www.crystallography.net/cod/）進行查詢和下載[10]。再利用Diamond打開。打開文件后可以根據課程安排自由地調整改變參數、比例、顏色、透明度等，如果想做微課，可以直接在操作時錄屏，如圖2所示。

3.2 利用Focusky制作轉場效果

為了增加微課的質感，使整體更加流暢協調，使用了Focusky進行整體化學史的穿插以及轉場的設計，如圖3所示。Focusky以畫布為依托（畫布是無限大的），以幀的設置來呈現動畫效果，比傳統PPT更加靈活生動。Focusky有著豐富的flash角色、GIF動畫、圖表，如果喜歡用PPT做課件，但是又想用Focusky的素材，該軟件可以直接將PPT打開進行再編輯。

4 利用微課做好引導，開啟課前自主預習

奧蘇貝爾提出的先行組織者教學理論強調，利用具有更高概括性和包容水平的引導性材料對所學的新內容進行任務關聯，建立新舊知識框架，引起學生求知熱情，促進有意義學習的發生[11]。在實際教學中，課前引導通常是枯燥的填空卷子，多數學生難以達成課前預習的效果。因此，基于先行組織者理論，在課前階段教師可以將課程內容高度濃縮成有趣的小微課，讓學生既有學習的方向，又有學習的樂趣。課前微課是為學生的課前預習服務，課前預習又是為課堂教學服務，學生課前利用課前微課進行自學，對即將要上的內容有所了解，對本節課的重難點有基本的認知，可以在上課時聽課松弛有度，從學生被老師牽著走變成學生主動和老師走，教師課堂松弛有度，學生課堂全身心投入，教師重點講清楚了，學生把重點掌握好了，大大提高了課堂效率。將微課素材投放于課堂導學階段的情境教學，能更好地發揮其創新精神，提高其實踐能力，使學生快速進入化學課堂學習狀態，從而提高教學的有效性。

例如，在“β-Fe的論戰”這一微課中通過兩派學者的認知沖突，引發學生們的興趣和思考：β-Fe到底是否存在？進而引出微課的中心——晶胞。若基本單元不一致，則存在β-Fe；反之則不存在。學生將帶著這個問題學習本節課，并主動關注晶胞的異同，更有利于學生自主總結結論，使學生感受化學的樂趣，為學生后續探究學習奠定了良好的基礎。

就中學化學教學而言，其教學重難點涉及對物質的結構特征、變化規律、理化性質的理解，對化學微觀現象、原理的探究，以及生活中化學相關問題的解決等內容，學生理解起來有一定的難度，容易對化學產生畏難心理[12]。基于此，教師可根據學生的學情，從學生的舊知識、生活常識、影視節目等情境入手制作微課。其好處在于可以在短時間創設出問題情境并引導學生進行思考，發現其中的化學現象獲得相應的知識和能力。最終達到掌握化學實驗中的重難點知識，提高教學效率的目的。

5 課程思政的融入

中學課程不僅傳授知識、培養能力，還具有進行思想政治教育的功能。在“β-Fe的論戰”微課中，晶體的介紹以鐵的晶胞為例，鐵在生活中無處不在，因此學生們對這個知識的接受程度高一些，進一步給學生樹立化學無處不在的思維。通過給出一些數據，為后面的結論提供理論事實依據，使學生明白，任何理論都需要有大量實驗數據的支撐，培養學生基礎的化學素養和思維。在教學過程中，可以結合晶體結構的特點，幫助學生樹立正確的“晶胞”的概念，提高學生對微觀化學的理解。通過對晶體相關計算的講解，培養學生嚴謹和實事求是的科學態度。教導學生成功不是一蹴而就的，它是一個量的積累過程，一個一個如同“晶胞”一樣的小知識點、小技巧，當量積累到一定程度才會躍遷，從而產生質變。這告誡學生只有憑借務實的態度和日常學習中不斷地積累，才能獲得成功。

6 結語

本文從化學史角度出發，以微課為媒介，生動地講解了晶體結構與計算的教學設計。在傳授知識的同時，促進了學生對化學學科本質的理解，有利于化學學科核心素養的形成與發展。將化學史融入教學中，將化學知識的產生和發展過程呈現給學生，以期幫助學生更好地理解化學學科本質。借鑒歷史人物的思考方式和研究方法能讓學生更好地探究世界并掌握科學的研究方法，提高發現和解決問題的能力，加速核心素養的形成。

但微課是傳統課堂教學的補充，不能替代課堂教學，因此在教學中應注意適度使用微課，合理安排微課教學，充分發揮教師主導作用，讓學生自主融入課程學習中。在今后的教學中，也更應不斷關注學生的反饋，及時對微課內容進行調整，發揮微課的最大作用，提高教學質量，促進教學改革。

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