指向科學思維發展的化學數字化教學探究

李同靈?顧鋒

摘要： 分析當前初中化學教學的一般思路和存在問題，教師結合《義務教育化學課程標準（2022年版）》提出的學業要求，借助數字技術賦能化學課堂教學，從定性和定量的視角剖析化學原理和概念。在“飽和溶液與不飽和溶液”的教學中，教師開展仿真實驗，實時呈現實驗現象和溶液濃度，引導學生進行定性與定量相結合的分析，理解“飽和溶液”的含義，大膽質疑“人的肉眼能觀察到極少量固體的溶解嗎”，同時適時引入電導率傳感器，輔助學生建立飽和溶液定性與定量的聯系，促進其科學思維發展，實現了學科育人價值。

關鍵詞：科學思維；化學數字化實驗；仿真實驗；飽和溶液

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）建議教師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問題的本質，培養學生多視角收集證據解決化學問題的能力^[1]。數字化實驗是指借助計算機平臺完成的實驗，包括仿真實驗和借助傳感器的實驗及多媒體展現的實驗^[2]。數字技術賦能化學課堂教學，在學生科學思維發展中發揮著重要作用。初中化學“科學思維”主要包括：在解決化學問題中所運用的比較、分類、分析、綜合、歸納等科學方法；基于實驗事實進行證據推理、建構模型并推測物質及其變化的思維能力；在解決與化學相關的真實問題中形成的質疑能力、批判能力和創新意識^[3]。科學思維既重視概念形成的結果，又關注概念的生成過程，發展學生科學思維的能力和品質是化學課程的重要目標之一^[4]。下面，以“飽和溶液與不飽和溶液”為例，對指向科學思維發展的化學數字化教學進行探究分析。

一、教學主題與現狀分析

“飽和溶液與不飽和溶液”是《義務教育教科書 化學 九年級 上冊》（上海教育出版社出版）“溶液”一節的第三課時教學主題。筆者將溶質的質量分數提前至第一課時講授，第二課時用以講授物質的溶解性。“飽和溶液與不飽和溶液”是認識溶液的延續，是連接“物質的溶解性”和“物質的溶解度”的橋梁。本課教學旨在為學生定性分析向定量計算過渡做好鋪墊，在第三單元的教學過程中起承上啟下的作用。

筆者查閱文獻，發現目前教師對“飽和溶液與不飽和溶液”的教學創新主要表現在以下四點。一是實驗改進及呈現方式的創新。教師對教材上的實驗進行改進^[5]，以播放實驗演示視頻和展示學生家庭實驗視頻等方式教學，提高效率。二是創建模型，挖掘概念背后的本質或原理。教師逐步引導學生用模型（如“冰墩墩”^[6]等）表征飽和溶液和不飽和溶液的轉化過程。此舉彌補了單純改進實驗而忽視概念理解的不足，但過度地引導學生借助模型解釋不同方法下飽和溶液和不飽和溶液的轉化過程，有將簡單問題復雜化之嫌，增加了學生的理解難度。三是創設情境改變傳統教學模式。教師指導學生制作“天氣預報瓶”^[7]，以做促學，體驗實驗探究過程，享受化學學習樂趣，讓學生在電影情節“潘東子運鹽三計策”^[8]中身臨其境解決真實問題。這樣教學仍然存在對概念缺乏深層理解的問題。四是利用數字化實驗賦能化學課堂教學。邵敏^[9]將氫氧化鈣粉末逐漸加入水中，測量溶液電導率判斷溶液的飽和狀態。上述操作對數字化傳感器在教學中應用潛力的挖掘尚淺。胡博凱^[10]等將虛擬仿真實驗融入課堂教學，因允許添加的溶質種類只有一種，且不能改變溫度，故不能完整歸納并得出飽和溶液的正確定義。

筆者借鑒上述經驗，以幫助學生提升“科學思維”為目的，按照新課標提出的“能從定性和定量的視角說明飽和溶液的含義”的學業要求^[11]，以數字化實驗為突破口，精心設計，優化教學。

二、教學設計思路

（一）以活動為載體，發展學生的“科學思維”

科學思維的內涵是像科學家一樣思考與探究，在科學實踐活動中，進行知識建構和推理應用^[12]。皮亞杰認為，活動既是感知的源泉又是思維發展的基礎。筆者嘗試充分利用學生已有的概念，設置不同類型的探究活動，以問題驅動學生在活動中自主建構和完善概念并表達自己的觀點，實現“科學思維”發展（如圖1）。

（二）借助數字傳感器實驗，幫助學生理解概念本質

教師在教學中需要引導學生判斷溶液的飽和狀態——對于燒杯底部沒有溶質固體的溶液，怎樣驗證溶液的狀態呢？在教學中教師往往引導學生加入少量的溶質，讓他們根據溶質是否溶解來判斷溶液的狀態。但是，人的肉眼能觀察到極少量的固體的溶解嗎？答案是否定的。為破解上述難題，筆者引入電導率儀，根據電導率的變化情況判斷溶液的狀態。學生發現隨著溶解的溶質增多，溶液的電導率增大，繼而認識到可以將電導率增大作為判斷溶質能繼續溶解的證據。這樣教學可以滲透“證據支持假設”的思想，加深學生對概念本質的理解。

（三）引入虛擬仿真實驗，利于達成教學目標

為解決實驗較多、耗時較長的問題，在保證實驗科學性的前提下，筆者利用相關平臺的虛擬仿真實驗對實驗進行改進（實驗裝置如圖2所示），避免學生因等待溶解和蒸發而感到枯燥乏味。實驗現象逼真，濃度數據實時同步直觀呈現，使“定性與定量相結合”的研究思想在學生心中生根發芽。筆者讓學生分組改進實驗，總用時少、成功率高。筆者采取一系列改進措施可使課堂活動在課內全部完成，有效達成教學目標。

三、教學目標與教學流程

（一）教學目標

根據新課標的內容要求和學業要求，筆者為設定具體教學目標，讓學生做到以下五點。其一，知道絕大多數物質在溶劑中的溶解是有限度的，了解飽和溶液的含義。其二，能總結飽和溶液和不飽和溶液相互轉化的方法。其三，構建“飽和溶液”概念，體會科學概念的認識過程，學會運用類比、預測、推理、分析和歸納等科學方法解決科學探究過程中遇到的問題。其四，學會使用虛擬仿真實驗裝置、數字傳感器，認識定量研究的意義。其五，解決生產生活中的問題，認識溶液在生產生活中的應用價值。

（二）教學流程

筆者設計了“飽和溶液與不飽和溶液”教學流程，縱向5個問題貫穿到底，橫向6個實驗、9項證據逐步推進，具體流程如下（如圖3）。

四、教學過程

筆者設計系列活動和問題串，讓學生在數字化工具的加持下思考和探究，完成實驗任務，提升思維能力和實踐能力。

（一）初步構建“飽和溶液與不飽和溶液”概念

活動1：探究在一定溫度下，一定量的水能否無限溶解某種溶質。學生在仿真實驗裝置中任意選擇固體溶質加入水中，觀察實驗現象和濃度傳感器示數。

設計意圖：學生利用仿真實驗室自主嘗試與探索，了解到隨著溶質的加入，溶液濃度變大，當溶液達到飽和后濃度不再改變。學生初步體會定性與定量相結合的思想，為后續使用電導率儀驗證溶液飽和狀態打基礎。在教師的啟發下，學生用自己的認知系統嘗試解釋，從而建立“飽和溶液”的初概念，即不能再溶解溶質的溶液。

（二）修正“飽和溶液與不飽和溶液”概念

活動2：實驗探究硝酸鉀飽和溶液能否溶解其他溶質。可選擇的固體藥品有硫酸銅、氯化鈉、高錳酸鉀。

設計意圖：無色溶液變成藍色或紫紅色，給學生帶來強烈的視覺沖擊。這有利于學生迅速得出結論，完成對初概念的第一次修正，即指出是哪種溶質的飽和溶液。實驗探究分預測、觀察、解釋三步進行，為后續實驗探究指明方向。

活動3：討論如何使飽和溶液中未溶解的硝酸鉀固體溶解。

設計意圖：學生會想到采用振蕩試管、加水、加熱等方式溶解固體。此活動一方面為完成對“飽和溶液”概念的第二次修正打基礎，另一方面為后續歸納飽和溶液與不飽和溶液的轉化方法做鋪墊。

活動4：分組實驗，使飽和溶液中未溶解的硝酸鉀固體溶解。

設計意圖：在對活動3進行討論的基礎上，設計振蕩試管、加水和加熱三種方式的分組實驗，提高課堂教學效率。實驗中，學生發現采用振蕩試管的方式并不能溶解固體，進而認識到振蕩試管能加快溶解速率但無法增加溶解量。實驗匯報中，有學生提到以加水或加熱的方式使溶液變成不飽和溶液，其他同學找到了思維漏洞，從而自然引出問題：試管底部沒有固體時，一定是硝酸鉀的不飽和溶液嗎？如何證明溶液是否飽和呢？學生想到以加溶質的辦法觀察能否繼續溶解從而判斷溶液是否飽和。教師進一步追問“加多少溶質”，引導學生意識到加入溶質的量要少，因為如果加入過多溶質，固體無法全部溶解，會導致現象不明顯而無法判斷。以此為活動5實驗驗證做方法鋪墊。

活動5：驗證當試管底部沒有固體時硝酸鉀溶液是否飽和。

設計意圖：實驗過程中，部分學生存在疑問“人的肉眼能否觀察到極少量的固體的溶解嗎”，引發全體學生討論“如何判斷加入的少量固體是否溶解”。至此，完成了對“飽和溶液”概念的第二次修正，即強調實驗條件：溫度一定、水量一定。如此逐層遞進建立完整的概念，同時這也是總結飽和溶液和不飽和溶液的轉化的實驗依據。

（三）用電導率判斷溶液飽和情況

活動6：討論判斷在溶液中加入少量固體是否溶解的方法。

設計意圖：在對活動5中的問題積極思考的基礎上開展討論，為下個環節以定量的方法用電導率判斷溶液的飽和情況打基礎。討論中，學生想到要是有儀器能像仿真實驗一樣同步顯示濃度值就好了——如果加入的固體溶解，濃度就變大。教師適時引出可以借助電導率傳感器來判斷，電導率數值與溶液溶度成正比，如果加入的固體后電導率變大，說明加入的固體溶解。

活動7：演示如何用溶液的電導率判斷溶液飽和情況（掃碼看視頻）。

【步驟1】點擊“采集數據”后，教師向水中加入少量氫氧化鈣固體。

提問1：電導率增大說明什么？

提問2：一段時間過后，電導率不再變化，說明什么？

提問3：此時溶液是飽和還是不飽和呢？

提問4：接下來如何驗證溶液是否飽和？

【步驟2】教師向溶液中繼續加入少量氫氧化鈣固體。

提問1：電導率增大說明什么？

提問2：現在電導率趨于穩定，此時溶液是飽和還是不飽和呢？

提問3：實驗依據是什么？（學生觀察到溶液變渾濁。）

提問4：如果繼續向燒杯中加入氫氧化鈣固體，電導率曲線會變化嗎？

【步驟3】教師向溶液中再次加入少量氫氧化鈣固體。

【步驟4】停止采集數據，取上層液體注入新燒杯，重新置入傳感器探頭，點擊“采集數據”。

提問：電導率始終穩定在30000，氫氧化鈣溶液的飽和狀態變化了嗎？

【步驟5】教師向溶液中加入少量水。

提問：電導率始終保持不變，說明加入少量水后，溶液的飽和狀態如何？

【步驟6】教師沿燒杯內壁緩慢傾倒大量水。

提問1：電導率減小，溶液狀態有何轉變？

提問2：綜觀整個實驗，電導率數值和溶液飽和狀態有何關系？

設計意圖：學生質疑用肉眼能否觀察到極少量的固體的溶解情況，考慮改進實驗。學生開展仿真實驗，已知溶質溶解會造成濃度增大，聯想到了可以測濃度判斷溶解情況，繼而在教師的提示下，以測定溶液電導率的方式判斷溶質在水中的溶解情況。整個實驗，學生向水中分三次加入氫氧化鈣固體，再取上層液體加水，分析每步實驗操作后電導率變化的原因，判斷并驗證溶液的飽和狀態。數字化實驗可以促進學生系統深入地學習知識，提升科學思維。

（四）建立“飽和溶液”與“不飽和溶液”的轉化關系

活動8：討論飽和溶液與不飽和溶液轉化的方法和實驗依據。

設計意圖：學生基于實驗，總結飽和溶液與不飽和溶液相互轉化的方法，逐步培養證據意識。討論中，部分學生發現活動4中硝酸鉀溶液冷卻后有晶體析出，直觀地感受結晶的神奇，并完善了將不飽和溶液轉化成飽和溶液的方法。

活動9：模擬蒸發溶劑的操作，使不飽和溶液變飽和。

設計意圖：學生開展仿真實驗，模擬蒸發，可快速感知晶體析出的過程，對溶液狀態轉化再次深入總結，逐步形成矛盾的雙方在一定條件下可以相互轉化的辯證思想。用飽和溶液的概念解決實際問題，與引入問題相呼應，有利于學生理解化學在生活生產中的應用。

五、經驗總結

對于本課的教學，筆者主要有以下三方面的經驗與體會。

（一）數字化實驗賦能化學課堂教學

教師開展虛擬仿真實驗，將實驗現象和濃度數值呈現，引導學生建立定性和定量相結合的思想。在實驗中，學生質疑“人的肉眼能觀察到極少量固體的溶解嗎”，?想到可以用測量溶液溶度的辦法判斷。教師適時引入電導率傳感器幫助學生探索化學概念的本質。教學真正發揮了數字化實驗在定性與定量相結合、從宏觀辨識轉到微觀探析、證據采集、信息匯總、交流分享等方面的作用。教師應積極主動順應數字化趨勢，利用數字化促進教學內容重構、流程再造、方式優化。

（二）深度學習促進科學思維提升

教師精心設計了五大驅動問題，以問題鏈推進課堂教學。在教師引導下學生逐步構建清晰深入的概念認知，學習知識背后的方法和思維，學會批判性理解，強調信息整合和證據推理，促進知識建構，遷移應用知識解決問題。教師應循序漸進培養學生科學思維能力，在實驗過程中進行知識構建和推理應用，提高認知水平，實現全面發展。

（三）情感教育滲透學科育人價值

實驗是化學學科的基礎與特色，學生需要積極參與化學實驗探究活動，獲得直接經驗，這能激發學生的興趣、調動其情緒情感，對發展學生核心素養具有獨特價值^[13]。教師在信息技術支持下開展化學實驗，激發學生學習興趣。學生在實驗探究活動中進行思維碰撞，揭示問題的本質，實現從知識學習向化學思維品質提升的升華。

參考文獻

[1][3][11]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022．

[2] 傅忠.高中化學數字化實驗教學研究[D].濟南：山東師范大學，2012.

[4] 陳穎，黃燕寧.《義務教育化學課程標準（2022年版）》案例式解讀[M].上海：華東師范大學出版社，2023．

[5] 陳培亮，許雪珠.初中化學“飽和溶液”實驗的比較和改進[J].中小學實驗與裝備，2022（6）：44-46．

[6] 陳培亮，張燕，許雪珠.基于實驗和模型表征培育“科學思維”的教學實踐：以“飽和溶液”為例[J].化學教學，2023（5）：54-59.

[7] 樂連春，劉秋芳，柯文炳.PBL在初中化學課堂教學中的實踐與思考：以“飽和溶液”的教學為例[J].中小學教學研究，2022（6）：42-48.

[8] 唐雪云.基于情境走向真實問題解決的教學：“飽和溶液”為例[J].化學教與學，2023（3）：50-52.

[9] 邵敏.“素養為本”的化學課堂教學模式的運用研究：以“飽和溶液和不飽和溶液”為例[J].中學教學參考，2022（14）：64-66.

[10]胡博凱，胡寶川，薛松，等.基于PhET虛擬仿真實驗的中學化學教學設計：以“飽和溶液”為例[J].化學教與學， 2023（3）：50-52.

[12]胡欣陽，畢華林.化學科學思維的內涵及其發展路徑：讓學生像化學家一樣思考[J].化學教育，2022（5）：1-7.

[13]胡巢生.中學化學教師實驗創新素養及其形成路徑[J].中小學教師培訓，2021（7）：20-23.

（作者李同靈、顧鋒系上海市浦東外國語學校東校教師）

責任編輯：祝元志