基于課標“學習活動建議”改進數字化實驗的研究

摘要： “學習活動建議”是《義務教育化學課程標準（2022年版）》化學課程內容重要組成部分之一。加強信息技術的應用，創新內容呈現形式，探索開發數字化教材，提供更加豐富的教學資源與多樣化的學習方式，是新課標對教材內容的組織與呈現要求之一。在對教材進行二次開發時，教師應利用“學習活動建議”中安排的“實驗探究活動”“調查與交流活動”“項目式學習活動”等內容，引導學生開展定量的科學探究，借助可視化的數據認識化學問題的本質，培養他們多視角收集證據解決化學問題的能力。

關鍵詞：化學；課程標準；學習活動建議；手持技術；教材二次開發

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）以促進學生核心素養發展為導向，設置了五個學習主題，每個學習主題的教學提示，包括教學策略建議、情境素材建議和“學習活動建議”。新課標提供核心素養發展導向的學習機會和學習環境建議，旨在優化課程目標和學業質量在每個學習主題中的實現途徑，促進教學方式和學習方式的轉變^[1]。在明確了“教什么”“教到什么程度”的同時，新課標還強化了“怎么教”的具體指導。化學教材是化學課程重要的物化形態與文本素材，是實現化學課程目標的重要載體，是開展化學教學的主要資源之一^[2]。“如何使用教材（教科書），是‘教教材還是‘用教材教，這是區分教師專業化程度的標尺”^[3]。教師“用教材教”的能力實際上就是教師的?“教材二次開發能力”，它也是教師應具備的關鍵能力之一^[4]。教師在教學中，應堅持核心素養導向的課程資源觀，充分發揮課程資源開發和利用的主體作用，加強信息技術的應用，創新內容呈現形式，探索開發數字化教材，為學生提供更加豐富的教學資源與多樣化的學習方式^[5]，促進全面育人目標的實現。如何以新課標中“學習活動建議”為依據，推動數字化實驗在化學教材^[6]開發中的應用？下面，筆者談談自己的認識和做法。

一、對“學習活動建議”的理解

“學習活動建議”是義務教育化學課程內容重要組成部分之一，是學生參加化學學習活動重要內容。教學中，教師不僅要讓學生學習新課標里規定的“所要達到的最基礎的學習要求”，而且還要根據“學習活動建議”，明確探究和實踐任務，放手讓學生探究和實踐，鼓勵學生以自主與合作方式參與活動，并給予必要的指導與支持。

（一）研究“學習活動建議”有利于探尋實踐思路與方法

“學習活動建議”建立了學生活動的標準，規范了學生“怎么學”，指導著教學評一體化學習任務的設計。任務是開展探究實踐的主體，有了任務才能激發學生去探究思考并設計方案，積極觀察、分析，形成探究實踐的思路與方法。教師參考“學習活動建議”設計任務，指導學生探究才具有有效性和權威性。另外，“學習活動建議”提出了活動的實施方案，為教與學指明了方向。

（二）落實“學習活動建議”有利于激發學生的探究欲望

義務教育化學課程作為一門自然科學課程，具有基礎性和實踐性^[7]。學生應像“科學家一樣思考問題”，學習化學。教師呈現“學習活動建議”，讓學生探尋自己喜歡的學習內容和適合自己的學習方法，逐漸增強探究興趣。

“學習活動建議”對探究實踐素養的培養具有重要的作用。在教學中，教師應吃透新課標中“學習活動建議”，在利用教材內容的基礎上，應用信息技術并使之與化學實驗深度融合，切實做好化學教材二次開發工作。

二、對教材二次開發的認識

（一）科學使用化學教材

對于教材內容的呈現，教師應領會新課標的內涵及要求，不能簡單堆砌事實材料，而應注重內容的內在聯系，體現學科思想和方法。但受篇幅影響，教材給予的素材往往只是諸多素材中的一部分。

化學課程內容具有趣味性、基礎性，教學內容體系也充分符合學生的認知發展規律，滿足學生在不同水平上的進階發展需求。孔子說“不憤不啟，不悱不發”。“憤”和“悱”二字詮釋了學生在學習中，會產生“認知沖突”，經歷“平衡—不平衡—新平衡”的學習過程。教師應該根據學生的實際情況和教學需要，積極鉆研如何有效地對教材進行創造性開發和使用。教師對教材的二次開發，也充分體現了教師的教學智慧和教學創新^[8]。

教材^[9]突出了學科特點，考慮到不同區域、不同學生的發展需求，留有一定的彈性和靈活性，便于教師的創造性教學和學生的個性化學習^[10]。如教材給出了用灼燒火柴梗來判斷蠟燭燃燒外焰、內焰和焰心溫度高低的方法。該實驗是學生正式學習化學后接觸的首個探究性實驗，對于培養學生的科學思維、科學探究與實踐等化學核心素養、敏銳觀察能力、嚴謹科學思維有著重要作用^[11]。再如，教材中采用紅磷燃燒法“測定空氣里氧氣的含量”，該實驗的設計思想源于拉瓦錫著名的“12天實驗”^[12]。教材編寫者如此設計，尊重并沿用拉瓦錫實驗思路，且實驗易操作，現象明顯。教材中“探究”和“實驗”等欄目都是重要的教學資源，但教師平時使用教材中的這些資源時，不能只是一味地“拿來”，還應該學會分析實驗內容編寫與實際教學中存在的“不一致”^[13]，對教材進行二次開發，更加合理、有效地使用教材。

（二）改變學生學習知識方式

在《初中化學教學設備配置標準》的科學探究主題中，專門列出了數字化探究實驗的專題。該文件建議學校選配計算機、數字采集器、軟件及多種傳感器在內的計算機數據采集處理系統，并根據不同的傳感器類型，給出了一系列活動建議。

教學中，教師應堅持以“以融合促發展”的思想，即依托教材又不依賴教材，突破教材的限制，挖掘數字化實驗資源，對教材進行二次開發。這樣不僅能充分發揮傳統實驗蘊含的教學價值，而且能對該實驗有效擴展，讓學生獲得更為豐富的科學探究體驗，提高實驗教學效率。

教師將數字化實驗應用于教學中，有助于增強學生獲取、加工、處理信息的能力。在教學中科學開展數字化實驗有利于開闊學生的視野，豐富學生的知識體系，為學生知識體系的建構提供強大的技術支持，提高學習效率^[14]，促進學習方式的改變，有效實現深度學習。在手持技術的支撐下，教師能更好地實現“學生為主、教師為輔”的教學方式，將以往“教師提供問題和方法，學生通過實驗結果得出結論”的教學過程轉化為數字化環境下的“教師創設情境，學生發現問題，主動找出方法，最后討論得出結論”的教學過程，讓學生體驗實驗樂趣，提高主觀能動性^[15]。

三、手持技術和教材開發深度融合的實踐

筆者結合新課標中“科學探究與化學實驗”“物質的性質與應用”“物質的組成與結構”“物質的化學變化”“化學與社會·跨學科實踐”五個學習主題，依據“教學提示”中“學習活動建議”的內容，整理出手持技術數字化實驗在初中化學教材編寫內容基礎上的拓展內容，有效推動教材深度開發。下面，以“學習活動建議”中“探究鐵釘生銹的條件”和“探究常見酸溶液、鹽溶液與金屬發生的置換反應及規律”兩個活動在教材開發中應用為例介紹如何將手持技術和教材二次開發深度融合。

（一）探究鐵釘生銹的條件

按照教材給出的探究方案，學生需要課前用1周左右的時間準備，以對照、觀察的方式探究鐵制品銹蝕的原因（發生反應的條件）。在教學中，有學生提出能不能縮短實驗時間并且實現氧氣、水的變化情況可視化。為了滿足學生的學習需求，筆者對該實驗進行改進：用還原性鐵粉和取暖貼等代替鐵釘，在密閉容器中，用濕度傳感器、氧氣傳感器、溫度傳感器等實時監測容器中水分、氧氣和溫度的變化情況。這樣不僅縮短了實驗時間，而且便于學生根據曲線判斷鐵生銹氧氣、水的變化情況，了解該反應放熱的特點。同時，學生對反應快慢的影響因素和“鐵生銹”的應用有了新的認識。

在開展傳統實驗時，學生觀察到用植物油液封的水中鐵釘銹蝕了。為了探究用油膜法能否制造無氧環境，筆者采用定性和定量研究相結合的方式，設計嚴謹的實驗方案，用山泉水、大豆油、鐵釘等做實驗（如圖1）。實驗過程中，在去除溶解氧的水中倒入大豆油，同時插入光學溶解氧傳感器、不銹鋼溫度傳感器，連續采集3天水中溶解氧的數據^[16]（如圖2）。學生展開定性、定量研究，查閱文獻，根據溶解理論判斷，用油膜法無法制造水中無氧環境，進而提出了對傳統實驗的改進方案。

（二）探究常見酸溶液、鹽溶液與金屬發生的置換反應及規律

以“鐵與硫酸銅溶液反應”為例。教材設計了“反應前后物質的質量關系”的探究內容，對于其中的方案二用“鐵與硫酸銅溶液”在密閉容器中反應，有學生提出疑問，“從反應原理分析，沒有氣體參加反應也沒有氣體生成，為什么要在密閉環境中進行”。為了答疑解惑，筆者用pH試紙檢測硫酸銅溶液的酸堿度，讓學生知道溶液顯酸性且酸性較強。學生根據“酸溶液與金屬”發生置換反應的特點，知道該反應有氫氣生成，對為何設置密封裝置有了正確的認識。隨著認知水平的提高，學生又提出疑問，“溶液中的pH應該逐漸變大，為何用pH傳感器測定發現結果恰恰相反，溶液的酸性不降反升”。筆者繼續和學生一起分析。學生根據反應體系的特點，提出“有可能氧氣參加了反應”，用溶解氧傳感器測定，發現溶解氧在不斷地減少。為了進一步驗證上述措施能否真正排除氧氣對此實驗的干擾，師生改用去氧蒸餾水配制成的硫酸銅溶液，放入鐵釘后用pH傳感器測定（如圖3），發現?pH沒有再下降而是上升（如圖4）。這說明控制住氧氣這一干擾因素后，鐵與硫酸銅溶液反應的現象回歸“正常”^[17]。筆者融合手持技術開展數字化實驗，從定性定量相結合的視角，促進了學生高階思維的發展。

除了上述兩個案例外，教師可全面結合“學習活動建議”在教材開發中融入數字化實驗開展初中化學教學（掃碼查閱表格）。

四、總結

教育家葉圣陶先生說：“教材只能作為教課的依據，要教得好，使學生受益，還要靠老師的善于運用。”

對教材的二次開發，應在保證科學性的前提下開展。教師要注意學生的可接受性，在敘述和描述時注意語言通俗、承接順暢、邏輯清晰；應正確理解課程改革精神，結合新課標中的“學習活動建議”，促進數字技術和化學教學深度融合，真正實現教材開發的創新；應努力將大概念的建構、思路方法的形成、態度責任的養成與化學核心知識的學習、科學實踐活動的開展有機融合，促進學生核心素養有效提升；應利用數字化實驗裝備改進傳統實驗，讓學生借助可視化的數據認識化學反應本質，培養學生多視角收集證據解決化學問題的能力^[18]，實現數字技術在教材開發中的高效應用。

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（作者系江蘇省昆山開發區青陽港學校化學特級教師、正高級教師）

責任編輯：祝元志