數字化賦能中學化學課堂教學

摘要： 教學數字化，借助數字技術實現教學的變革，旨在建立一種新的教學環境。以改進“質量守恒定律”教學設計為例，分別介紹應用數字化技術改進實驗，促進學生深度學習，培養學生高階思維；以及借助數字化技術改進學案，賦能課堂教學活動。結合課例，從教、學、評三方面總結數字化賦能化學教學的經驗。

關鍵詞： 中學化學； 教學數字化； 教學設計； 質量守恒定律

文章編號： 1005-6629（2024）07-0030-06 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

教學數字化，借助數字技術實現教學的變革［1］，旨在建立一種新的教學環境，有以下兩個特點：以學生為中心，使學習者有效地參與學習、掌握知識，達到更好的學習效果；以探究性學習活動為核心，將現代信息技術與教育教學過程相結合，有效改善傳統教育的不足，促進學生深度學習。

教學數字化內容包括：（1）教學內容數字化［2］。將傳統教學內容轉換為數字化形式，如電子教材、在線教學資源、教學視頻等，以便學生通過電子設備隨時隨地訪問和學習；（2）教學方法數字化［3］。采用在線課堂、虛擬實驗室、遠程教育等新的教學方法和工具，提供更加互動和個性化的學習體驗，激發學生的學習興趣；（3）評價與反饋數字化［4］。借助平板電腦、墨水屏、智慧筆等工具，將學生的評價與反饋數字化，教師可以及時收集學生各類活動的書面反饋，并進行數據統計，這樣教師既可從整體對教學進行及時反饋，又可關注到每一個學生的評價結果，及時調整教學策略；（4）實驗數字化［5］。借助各類傳感器對傳統的化學實驗進行數字化改進，及時獲取實驗過程中的各類數據，繪制成各類曲線，便于教師挖掘實驗背后的原理，開展證據與推理、符號與表征等學生探究活動。

2022年版義務教育化學課程標準指出，“質量守恒定律”對學生認識“物質的變化與轉化”的大概念起著承上啟下的作用［6］。它是定量研究化學變化的開端，也是后續分析物質變化中定量關系的理論依據。在研制低碳行動方案過程中，“質量守恒定律”的學習能夠幫助學生基于守恒觀念認識碳中和技術，為后續學習化學方程式的書寫和計算，從成本角度分析低碳行動方案的可行性奠定基礎。因此，以“質量守恒定律”為例，既可充分應用各類數字化技術賦能課堂教學，又具有一定的代表性，大力推廣數字化技術。

2 原教學設計

在上海教育出版社《化學九年級第一學期（試用本）》中，“質量守恒定律”位于第2章“浩瀚的大氣”第3節“化學變化中的質量守恒”［7］。教材首先從微粒視角闡釋化學變化的本質，隨后聯系多組實驗證據，驗證質量守恒定律，從宏觀和微觀、定性和定量的視角深入研究化學變化。最后結合“設計方案驗證質量守恒定律”的探究與實踐活動，引導學生初步形成“基于實驗事實進行證據推理”的科學思維，樹立嚴謹求實的科學態度。

本課程原有的設計思路是引導學生經歷以探究為主的學習活動，通過提出問題、形成假設、實驗驗證、總結反思等過程構建概念。教學流程如圖1所示。

原設計有以下幾個特點：（1）基于學情，順應學生思維脈絡發展，通過開展學生活動，讓學生在活動中探究各類化學反應前后的質量變化；（2）依循教材的教學邏輯，從分析微觀模型到宏觀實驗驗證，引導學生經歷以探究為主的學習活動，通過提出問題、形成假設、實驗驗證、總結反思等過程構建概念；（3）開發化學史中的教學資源，結合名人名言，感悟科學研究對化學科學發展的重要意義。分析波義耳、拉瓦錫的經典實驗，收集支持質量守恒定律的證據，比較學生在課堂上認識質量守恒定律的過程與人類發現定律的歷程，體會化學家進行科學探究的思路和方法，初步理解科學探究的本質。

但存在以下不足：（1）缺少以大量數據支撐的定量實驗，無法讓學生通過分析大量的實驗數據，感受實驗探究的過程，理解質量守恒定律；（2）導入情境不夠真實生動，無法激發學生的學習欲望；（3）未設計即時反饋學習情況的學生活動。

3 學情分析

結合課前訪談發現，學生目前的學情表現為：（1）在“2.1人類賴以生存的空氣”中已學過“空氣中氧氣體積分數的測定的數字化改進實驗”，初步了解數字化傳感器改進的化學實驗和如何讀取分析實驗數據圖表，感知化學反應中“量”的變化，但定量研究化學反應的意識較薄弱；（2）已學過“能量守恒”，對“守恒”概念較為熟悉，通過課內外途徑對質量守恒定律有所了解，但認識還不精準，集中表現在“參加反應的”和“反應生成的”兩個關鍵詞上；（3）對構成物質的微粒有一定了解，但尚未形成結合宏觀與微觀視角研究化學變化的認識方式；（4）有一定的探究問題的經歷，但尚缺乏實驗探究的一般思路及方法。

4 教學目標

（1） 通過對木炭燃燒等多個實驗進行數字化改進，從宏觀角度探究化學反應前后物質的質量關系，并從微觀視角闡釋質量守恒定律的本質，聯系宏觀與微觀視角理解質量守恒定律的含義。

（2） 借助數字化實驗獲取的實驗圖像與數據，用證據支持假設的方法探究化學反應前后物質的質量關系，初步形成基于實驗事實進行證據推理的科學思維。

（3） 借助數字化技術設計實驗裝置探究碳酸鈣與稀鹽酸反應前后的質量變化，在不斷完善實驗裝置的過程中，發展提出解決實際問題初步方案的能力。

（4） 結合質量守恒定律的探索歷程，感悟定量研究對化學科學發展的重要作用，體會化學家進行科學探究的思路和方法，樹立嚴謹求實的科學態度。

5 設計思路

順應原有的設計思路，在保持原教學策略的基礎上，以數字化賦能課堂教學，在以下三處融入數字化教學的內容：（1）借助木炭燃燒的數字化改進實驗串聯課程，以木炭燃燒產生的二氧化碳的量作為教學情境引入課堂，再以數字化實驗數據初步分析形成假設，最后以遞進的分析數據結尾并達成認識進階；（2）用大理石與稀鹽酸的數字化改進實驗替代原有的驗證實驗，借助實驗數據，設計學生活動，探究實驗背后的本質，從而形成守恒觀念；（3）借助數字化學案，既可及時收集學生實驗數據，共享數據從而進一步學習，還能及時反饋學生學習情況，并將

原有的四環節調整為五環節，具體設計流程見圖2。

6 借助數字化技術改進教學設計

6.1 環節一：提出問題

［師］我們借助無線氧氣傳感器和無線二氧化碳傳感器，對密閉容器中木炭燃燒反應過程中空氣中的氧氣濃度與二氧化碳濃度進行采集，得到數據曲線（見圖3）。

［師］通過該實驗，大家發現氧氣、二氧化碳體積分數在反應時是如何變化的？

［生］氧氣的體積分數在不斷減小，二氧化碳的體積分數在不斷增大。

［師］現在可以確認木炭燃燒產生二氧化碳的量了嗎？

［生］可以對實驗所得數據進行計算。

［師］我們再來看看，木炭燃燒時，二氧化碳和氧氣的質量變化是否存在聯系？

［生］存在聯系。

［師］那么，請你猜猜，木炭燃燒前后物質的質量關系可能是怎樣的？

［生］反應前裝置內木炭與氧氣的質量等于反應后二氧化碳的質量。

設計意圖：激發學生探究木炭燃燒生成二氧化碳的量的實驗欲望，再借助傳感器等數字化技術改進原有實驗，測定木炭燃燒時相關氣體含量的變化，并借助實驗數據探究氧氣與二氧化碳的量的關系，引發學生思考化學變化中反應物與生成物的質量關系。

6.2 環節二：形成假設

［師］請大家再結合數據圖像（見圖3）思考，裝置內的氧氣都變成二氧化碳了嗎？

［生］沒有，還有很多殘留。

［師］大家說得很好，空氣中的氧氣有參加化學反應生成二氧化碳的，也有未參加反應繼續留在裝置內的。那么反應前裝置內是否存在二氧化碳呢？

［生］存在，因為空氣中本來就有二氧化碳。

［師］是的，由于反應前裝置內也存在二氧化碳，因此，反應結束后裝置內的二氧化碳應包含反應生成的和裝置內原來有的。這么看來，我們之前的假設“反應前裝置內木炭與氧氣的質量等于反應后二氧化碳的質量”似乎有點不妥，請大家修正剛才的假設。

［生］應該是“參加反應的木炭與氧氣的質量等于生成的二氧化碳的質量”。

［師］很好，那么它們的質量是否相等呢？是不是所有化學反應也符合這種情況呢？我們今天就來研究參加化學反應的物質和化學反應生成的物質的質量變化關系。

設計意圖：通過學生依據熟悉的木炭燃燒實驗，得到該實驗化學反應前后質量變化的初步假設。但此處的假設不夠完整，教師繼續借助數字化實驗所獲取的實驗始末的數據，啟發學生深度思考。

6.3 環節三：實驗驗證

6.3.1 數字化技術匯總學生實驗數據

智慧筆是一種借助攝像記錄學生書寫痕跡的教育數字化技術，需要教師課前在學案上進行專用技術處理。教師通過智慧筆技術，設計如下學案，讓學生記錄氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液反應前后的質量，并比較是否相等。

設計意圖：課上讓學生用智慧筆進行填寫，教師即可實時得到全班的反饋（見圖4），也可調取任意一位學生的反饋，同時還能統計學生的參與度及各類選項的百分數（見圖5）。

通過上述全班39組實驗數據，教師應強調該結論不是一次偶然實驗即可獲得的，而是通過對同一實驗的多次進行得到的結論，與之后的化學史的教學相呼應。

6.3.2 數字化技術即時反饋學生的實驗裝置設計圖

教師通過智慧筆技術，設計如下數字化學案。

設計意圖：實驗的難點在于學生需要通過現有的實驗裝置設計一個密封體系，傳統的教學手段很難獲取學生從敞口裝置到密閉裝置的思維過程，也很難關注到每個學生所設計的實驗裝置。數字化學案可以再現學生繪制裝置的過程，有助于思維的可視化，如圖6是某學生的設計過程，從呈現反應裝置到添加分液漏斗，實現固液分離，再到氣球密封，清晰地展現了整個思考過程。

6.3.3 數字化實驗驗證假設

［學生活動］設計并完善大理石與稀鹽酸反應的實驗裝置。

［數字化實驗］測量反應過程中質量的變化，并將獲取的數據繪制成曲線圖（見圖7）。

6.4 環節四：得出結論

［師］圖7中橫坐標表示時間，縱坐標表示質量，每秒采集一個數據，實驗共進行了276秒，通過該圖的變化曲線，你能得到什么結論？

［生］反應前后物質的質量相等。

［師］判斷物質質量相等的依據是什么？需要幾個數據？

［生］反應前的物質質量和反應后的物質質量。

［師］那么276個數據的意義一樣嗎？

［生］不一樣，因為每一秒反應都在發生。

［師］結合276個數據中的任意兩個，是不是都能論證一次反應前后質量不變？

［生］是的。

［師］所以，老師借助數字化實驗，可將一次實驗獲得的多個數據，多次驗證了反應前后物質的質量不變。

設計意圖：借助數字化儀器，對傳統實驗密閉容器中大理石與稀鹽酸的反應前后的質量變化進行了改進。通過應用數字化傳感器測量每秒反應過程中的質量變化數據，由于每秒反應過程中密閉容器內反應物與生成物的量都發生了改變，因此前一秒所測得的質量和后一秒所測得的質量相等，即能驗證每一次反應前后的質量是守恒的。原本只有一次驗證價值的課堂實驗變成了多次驗證，再次回歸到了該反應前后質量不變的結論不是一次偶然實驗即可獲得的，而是通過對同一實驗多次進行測量而得到的。課堂上該數字化實驗的使用大大提高了課堂效率，讓學生充分感受到了多次實驗對于實驗結論的重要價值，進而將實驗驗證方法推廣到更多實驗乃至所有實驗做好了鋪墊。

6.5 環節五：認識進階

［師］針對一開始木炭燃燒的實驗，我們借助實驗軟件，將反應過程中氧氣減小的濃度與二氧化碳增大的濃度相除，由于是在密閉容器中，該比值可轉化為反應過程中n（O2）／n（CO2）的比值（見圖8），我們發現反應過程中n（O2）／n（CO2）始終為1，這說明了什么？

［生］說明每消耗1mol氧氣就會生成1mol二氧化碳。

［師］能否從微觀的角度，就某一種微粒的守恒，對該數據進行解釋。

［生］因為反應前后氧原子守恒，所以反應前1mol氧氣中有2mol氧原子，反應后1mol二氧化碳中也有2mol氧原子。

［師］現在能否判斷木炭燃燒中反應物與生成物的質量關系，依據是什么？

［生］質量相等，因為反應前后氧原子守恒，木炭燃燒屬于化學反應，符合質量守恒定律。

設計意圖：在學生形成假設、實驗驗證、得出結論后，教師再次利用木炭燃燒數字化改進實驗的數據，借助實驗軟件，將反應過程中氧氣減小的濃度與二氧化碳增大的濃度相除，求出比值，并繪制出隨時間變化的數據圖像，依據阿伏伽德羅定律，在密閉容器中，該比值可轉化為反應過程中n（O2）／n（CO2）的比值。結合學生剛學習的質量守恒定律及微觀分析，促進學生走向深度學習。

7 教學效果

通過觀測學生的課堂表現、課后與學生的訪談，以及智慧筆獲取的回家作業完成情況，本節課的教學效果良好，主要有以下幾處表現：（1）學生課堂參與度較高，豐富的學生活動讓學生在體驗中感悟質量守恒定律研究的過程與不易；（2）數字化實驗助力形成證據推理思維，課上各類數字化實驗獲取的數據及圖表幫助學生初步學會收集各種證據并提出假設，再基于證據進行分析推理，在“探究小蘇打和食醋反應前后的質量變化”這一開放型的課后作業中，發現全班所有學生都關注到了實驗所需的定量儀器和物理量，尤其是產生氣體的質量；（3）通過數字化作業對全班學生作業進行統計，全班共39位學生，作業完成率為100%，且基本都在18：00前完成，所有客觀題的平均正確率為92.3%，較以往回家作業情況有顯著提升。

8 教學反思

8.1 數字化促學，在深化實驗中培養學生的高階思維

本節課以傳感器測定木炭燃燒過程中氧氣濃度與二氧化碳濃度的變化引入課堂，激發學生的學習興趣，并在課的末尾，再以實驗數據與微觀視角重新認識該實驗。教師在教學中挖掘該實驗數據的意義，分別從數據曲線的起點、變化和終點三個維度，從不同角度認識木炭燃燒實驗背后的物質守恒關系。讓傳統的化學實驗更具有說服力，同時引導學生讀表識圖，通過分析圖表中的信息，得出結論，從而培養學生的證據意識。測定密閉容器中大理石與稀鹽酸反應過程中質量變化的數字化實驗，教師借助實驗數據設計問題，挖掘數據背后的化學學科價值，讓學生通過基于實驗事實進行證據推理、建構模型、推測物質及其變化等一系列的高階思維活動，進一步認識化學學科本質，逐步形成科學思維。

8.2 數字化促教，在實踐應用中走向教學深度

本課的數字化學案是基于智慧筆的一項數字化技術，它可以幫助教師及1Y6aARjfQ17oyTpCHbbkOA==時獲取學生的學習情況。智慧筆與常規書寫用筆大小一致，方式一致，便于學生使用，大大降低了教師與學生的學習成本。教師可以將原有的學案通過相應軟件，設計成適用于智慧筆的數字化學案。課堂上學生使用智慧筆在學案上的所有記錄都可以實時地反饋在教師端，針對像選擇題、是非題等客觀題可以即時統計學生反饋情況，讓教師可以有針對性地開展進一步的教學。針對像文字描述、繪圖等主觀題可以隨時調取某一學生的回答，并回放學生的解題過程，針對過程性的問題進行深入的講解。可以說，數字化技術將原本難以達成的教學內容變成了可能，借此可以觀測到學生的思維過程，進行更為精準的指導，提升教學效率。

8.3 數字化促評，推動評價的即時化、科學化與多元化

本課的數字化學案中設計了課上即時評價環節，隨時掌握學生對質量守恒定律的學習情況。數字化技術在評價方面，可以助推教師在課堂上即時收集學生的反饋，并依循學生的評價情況，及時調整課堂教學策略，同時借助各類數字化技術，傳統的評價在信息技術的加持下由原來的選擇、填空等形式可以拓寬為pk賽、繪圖、三維建模等多元化的形式。原本傳統課堂無法解決的問題，通過這些技術手段在一定程度上都可解決。因此對于數字化技術，教師可做到合理應用、因材施教，設計符合學情的課堂教學活動，從而賦能課堂教學。

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