信息技術在高中化學教學中學生模型認知培養的應用

一、引言

隨著教育改革的深人推進，培養學生的學科核心素養成為教育教學的重要目標。在高中化學學科中，模型認知作為化學學科核心素養的關鍵組成部分，要求學生能夠通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律。傳統教學模式受限于抽象概念的呈現方式，學生常面臨“宏觀現象難關聯微觀本質”的認知障礙。以虛擬現實、大數據、人工智能為代表的信息技術快速發展，為教育教學帶來了新的機遇與變革。信息技術憑借其直觀性、交互性、動態性等特點，能夠將抽象的化學知識以更加生動、形象的方式呈現，為學生模型認知能力的培養提供了有力支持。在此背景下，探索信息技術在高中化學教學中對學生模型認知能力培養中的應用具有重要的現實意義。

二、信息技術與模型認知的理論基礎

建構主義認為，知識是在學習者與環境的互動中主動建構的。在化學教學中，學生通過信息技術工具（如虛擬實驗、動態模擬）主動探索化學模型能夠更直觀地理解抽象概念。例如，在學習原子結構時，學生可以通過三維模型動態觀察電子云分布，而非僅依賴靜態圖示。通過主動建構過程不僅提升了知識留存率，還增強了學生的探究能力[1。認知發展理論強調個體認知結構的逐步完善。信息技術通過分層次、漸進式的教學設計，幫助學生從簡單模型（如分子結構模型）過渡到復雜模型（如化學平衡模型）。例如，利用動畫演示化學反應的微觀過程，有助于學生逐步建立對反應機理的系統性認知，從而深化其對化學規律的理解。情境認知理論認為，學習應發生在真實或模擬的真實情境中[2。信息技術通過創設虛擬實驗室、情境化教學資源（如GIS地理輔助系統），將化學知識與實際應用結合。例如，在學習電解池原理時，學生可以通過虛擬實驗觀察電流方向與離子遷移的關系，從而將理論知識與實驗現象相關聯，從而提升模型認知的實用性。

三、高中化學教學中應用信息技術培養模型認知的實踐分析

（一）“化學能與電能”教學

1.案例背景

以“化學能與電能”教學內容為例，其在高中化學知識體系里占據重要地位。此部分內容深度涉及原電池與電解池的原理，包括電極反應的發生機制、離子的移動方向等；結構方面涵蓋電極材料的選擇、電解質溶液的特性、電池的整體構造及其在日常生活、工業生產等諸多領域的應用，如手機電池、電動汽車電池等。[3]在傳統教學模式下，學生普遍面臨理解困境。原電池和電解池微觀層面的電子轉移過程、離子的定向移動，以及能量轉化機制等抽象概念對于學生而言理解難度較大，導致模型認知的培養效果差強人意。課前調研顯示，72% 的學生認為原電池工作原理“抽象難懂”，僅 35% 能將原理應用于分析鋰電池等實際問題。如何通過信息技術將微觀過程可視化、復雜變量結構化，成為突破教學瓶頸的關鍵。

2.教學過程

（1）情境創設與模型引入

教師借助多媒體手段向學生展示一系列常見的電池圖片與視頻，如生活中常見的干電池、廣泛應用于電子產品的鋰電池，以及環保且可持續的太陽能電池等。學生使用“ChemAR”App掃描干電池、鋰電池實物，觸發三維模型動態拆解，直觀觀察電極材料（如干電池的鋅筒負極、碳棒正極）與電解質分布4。教師通過這些直觀的展示，自然地引出原電池的概念。隨后運用專業的化學模擬軟件生動形象地模擬原電池的工作過程。軟件畫面中清晰地呈現電子從負極流出，經過導線流向正極的動態轉移過程，同時展現氣泡的產生、金屬的溶解等電極表面發生的氧化還原反應現象。幫助學生初步構建原電池的模型框架，在腦海中形成對原電池工作過程的初步認知。

（2）虛擬實驗探究與模型深化

學生在教師的指導下，利用化學模擬軟件展開虛擬實驗探究。學生能夠自主改變原電池的關鍵條件，如更換不同的電極材料（如鋅、銅、鐵等），以及選用不同成分的電解質溶液（如硫酸溶液、硫酸銅溶液等）[5]。固定電解質為稀硫酸，依次測試 Z_n-Cu 、Fe-C、Al-C等電極組合的電流強度（數據儀表盤實時顯示： Z_n-Cu 組 2.3A 、Fe-C組1.8A、Al-C組2.7A），結合電極電勢差理論，歸納“電極活性差越大，電流強度越高”的模型規律。在改變條件后仔細觀察實驗現象隨之產生的變化，如電流計指針的偏轉幅度、電極表面的反應劇烈程度等。教師可以嘗試用Mg-石墨電極搭配酒精溶液組成原電池，觀察到電流始終為0，反向驗證“電解質需含自由移動離子”的模型必要條件。在此過程中，教師引導學生對實驗數據進行深入分析，從數據中總結出原電池的構成條件，如電極材料的活性差異、電解質溶液的導電性能等；明確電極反應類型，區分氧化反應和還原反應分別發生的電極；梳理能量轉化規律，理解化學能如何高效地轉化為電能。

（3）在線協作與模型應用

學生按照一定的分組方式，在在線協作平臺上展開關于原電池實際應用的討論。各小組的任務包括設計簡單可行的原電池裝置，從電極材料的選擇、電解質溶液的配置，到電路的連接方式等都要進行詳細規劃；分析常見電池在實際應用中的優缺點，如鋰電池具有高能量密度但存在安全性問題、干電池方便攜帶但續航能力有限等。小組圍繞“鋰電池工作原理”“氫氧燃料電池環保性”等主題繪制思維導圖，嵌人虛擬實驗中的電壓數據（如鋰電池電壓3.7V源于 Li⁺ 遷移效率）、能量轉化圖表（氫氧燃料電池效率 80% 以上），并鏈接生活案例（如手機電池續航衰減原因分析）。每個小組將精心設計的方案和全面深入的分析結果上傳至平臺。其他小組則針對該內容進行評價和反饋，并提出建設性的意見和建議。最后，教師組織學生對各小組的成果進行全面總結和客觀評價，引導學生將所構建的原電池模型靈活運用到實際問題的解決中，切實提高學生運用模型解決實際化學問題的能力，讓學生深刻體會到化學知識的實用性和價值。

3.教學效果

通過將信息技術深度應用于“化學能與電能”的教學過程中，學生對于原電池和電解池的模型認知有了顯著提升。學生能夠更加透徹地理解原電池和電解池復雜的工作原理，從微觀層面清晰把握能量轉化機制等抽象知識。學生能用“電極電勢差-離子遷移-能量轉化”原理（如 Zn²⁺ 泄漏對土壤的危害）。在虛擬實驗環節，學生能夠熟練且靈活地運用所構建的模型展開深入探究與細致分析，展現出較強的自主學習和探索能力。同時，學生能夠將所學的模型知識成功遷移并應用到實際問題場景中，有效解決相關的化學問題，真正做到學以致用。同時，在整個教學過程中，學生的科學思維能力得到了鍛煉，能夠從不同角度思考和分析問題；合作交流能力得到培養，在小組協作和平臺互動中提升溝通與協作技巧；創新意識也得到激發，在設計原電池裝置和分析電池優缺點等任務中不斷提出新穎的想法和獨特的見解。

（二）“有機化合物的結構與性質”課程教學

1.課前引導

在“有機化合物的結構與性質”課程教學中，教師利用VR技術構建了沉浸式的有機分子微觀世界場景。學生佩戴高分辨率VR設備后仿佛置身于分子級別的實驗室，能夠以納米級視角近距離觀察甲烷的正四面體、乙烯的平面結構、苯的共軛大 π 鍵等經典有機化合物的分子構型。學生通過手勢識別交互系統可隨意旋轉、放大分子模型，清晰捕捉C-H鍵的空間取向、官能團的立體效應，甚至能夠觀察到范德華力作用下分子間的微弱相互作用。系統還引入了量子化學計算結果可視化功能，以彩色云圖形式呈現分子軌道能級分布，幫助學生直觀理解電子云分布與化學鍵本質。例如，在乙炔分子觀察中，學生能看到 π 鍵電子云在碳碳三鍵兩側形成對稱分布的啞鈴狀結構，這種可視化呈現有效突破了傳統二維圖示難以傳達的立體化學概念。

2.課堂教學

為深化對有機反應機理的理解，教師運用高精度仿真模擬軟件，以慢動作、多視角的方式動態展示乙醇催化氧化反應中化學鍵的動態變化過程：首先，銅催化劑表面的活性位點吸引乙醇分子，使得 α∝-H 與羥基上的H逐漸遠離，C-O鍵與O-H鍵開始松弛；隨著反應進程推進化學鍵發生斷裂重組，乙醛分子的 C=0 雙鍵逐步形成，水分子脫離的全過程被清晰呈現。學生通過反復觀摩、暫停解析直觀感受到反應中電子云的遷移規律與空間位阻的影響機制。在模擬過程中，系統能夠同步顯示反應焓變曲線與過渡態結構數據，以幫助學生建立熱力學與動力學的綜合認知。例如，當模擬溫度參數調整時，學生能實時觀察到反應速率的變化，結合Arrhenius方程理解活化能對反應進程的調控作用。

在深度觀察的基礎上，教師引導學生結合教材理論知識，利用思維導圖工具自主構建有機化合物結構與性質關系模型。從“官能團決定化學性質”的核心理論出發，逐步延伸出電子效應、空間效應等影響因素，將抽象的化學規律轉化為可視化的邏輯框架。各學習小組通過線上協作平臺開展討論，借助實時批注、模型對比等功能完善模型細節，最終形成兼具共性規律與個性特征的知識網絡。部分小組還創新性地將思維導圖與分子動力學模擬結果相結合。例如，在分析鹵代烴親核取代反應時，通過模擬不同溶劑環境下的反應路徑，補充溶劑化效應、離子對中間體等細節使模型更具實踐指導價值。教師通過平臺后臺實時監控各小組的討論進程，及時推送文獻案例和引導性問題，從而促進學生的深度學習。

3.課后拓展

在課后環節，學生依托人工智能學習平臺進行分層練習。平臺通過機器學習算法精準分析學生在有機結構推斷、反應機理書寫等題型中的薄弱點，并針對性地推送反應實例解析視頻、3D分子互動練習、文獻拓展閱讀等資源。例如，針對空間構型認知模糊的學生，系統會推送螺旋烷烴等復雜分子的動態拆解視頻；針對反應機理理解不足的學生，系統可提供同位素標記法追蹤反應路徑的虛擬實驗。平臺還引入了虛擬實驗報告生成功能。學生完成虛擬實驗后，系統會自動匯總實驗數據、結構分析結果和誤差討論，并生成規范的實驗報告框架，以塑造學生科學探究的完整思維鏈條。同時，智能推薦系統會根據學生的練習進度和知識掌握情況，推送諾貝爾化學獎中有機化學相關成果的科普視頻，如2021年不對稱有機催化的研究進展，以激發學生的科研興趣。

4.教學效果

一個學期的教學實踐數據顯示，實驗班學生在有機化學單元測試中涉及分子結構分析、反應機理推導的題目正確率較對照班提升 27% ；在模型構建能力測評中能夠獨立完成復雜有機分子結構解析的學生比例從 35% 提升至 72% 。課堂觀察與問卷調查表明， 91% 的學生表示，VR與AI技術顯著提升了化學學習的趣味性； 83% 的學生主動參與課外有機化學拓展學習。后續追蹤發現，實驗班學生在高考選考有機化學模塊中，涉及空間結構分析和反應機理創新題型的得分率高出全市平均水平 15% 。這些數據均印證了信息技術在培養模型認知能力方面的長效性。

四、結束語

信息技術在高中化學教學中為學生模型認知能力的培養提供了全新路徑。通過多媒體資源、虛擬實驗、互動平臺和情境化教學，學生能夠更直觀地理解化學模型，提升科學思維與實踐能力。然而，技術的應用需與教學目標深度融合，避免形式化傾向。教師也需要不斷探索和創新教學方法，充分發揮信息技術的優勢，同時注重與傳統教學手段的有機結合，以實現更好的教學效果。隨著人工智能、大數據等技術的進一步發展，信息技術將在化學教學中發揮更大作用，為培養創新型人才提供有力支撐。

作者單位：黃新福建省南平第一中學

參考文獻

[1]王成槐.高中信息技術教學培養學生計算思維的策略[J].學周刊，2025（12）：131-133.

[2]賈志寶.信息技術在高中化學實驗教學中的應用[J].中國新通信 ，2025，27（4）：221-223+226. （20號

[3]趙霞.現代信息技術在高中化學教學中的應用探究[J].中國科技經濟新聞數據庫教育，2025（1）：097-100.

[4]黃永祥.信息化技術在高中化學實驗教學中的創新應用[J].中國科技經濟新聞數據庫教育，2025（5）：209-212.

[5]張云飛.多媒體信息技術在高中化學教學中的運用[J].中小學信息技術教育，2025（S1）：107-108.