信息技术与高中化学教学深度融合的路径——以“晶体结构与性质”为例.pdf

2024 年第 4 期 中小学数字化教学|13化学专题随着科技不断发展，教育数字化已成为必然趋势。教育信息化 2.0 行动计划明确提出坚持将信息技术与教育教学深度融合的理念，整合数字化教育资源，有效促进教育发展的公平性、全面性、终身性，助力教育体系的现代化、网络化、智能化1。在高中化学教学中，教师应将信息技术和课程资源深度融合，设置真实情境和具有挑战性的问题或任务，创设积极探索、多重交互、互相合作、资源共享的学习环境。这有助于培养学生的化学学科核心素养，发展学生的科学思维和高阶能力。下面，以“晶体结构与性质”为例，探究信息技术与高中化学教学深度融合的有效路径，以优化高中化学教学。一、明确教学要求普通高中化学课程标准（2017 年版 2020年修订）强调“借助实物模型、计算机软件模型、视频等多种直观手段，充分发挥学生搭建分子结构、晶体结构模型等活动的作用，降低教学内容的抽象性，促进对相关内容的理解和认识”。一些学者将信息技术与化学教学深度融合，开展了虚拟现实（VR）积件的应用。它是关于化学理论或微观结构的最小化的知识单元，是应用虚在信息技术快速发展的背景下，研究团队基于高中化学教学实践设计出了“明确教学要求科学设计教学思路精准设计教学过程反馈教学效果”的数字化教学融合路径。以“晶体结构与性质”为例，教师按照新的融合路径教学，在创新课堂教学模式、丰富教学手段及发展学生“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”化学学科核心素养方面取得实效。实践证明，加强硬件建设，转变教师教学理念，提升教师信息素养，合理利用信息技术工具，丰富教学资源，创设多元的学习方式，加强学情管理，推进精准教学，是高中化学教学与信息技术深度融合的有效举措。关键词：信息技术；高中化学；深度融合；晶体结构与性质摘要：文|马雪梅 柳 威 高美琪 龙世佳信息技术与高中化学教学深度融合的路径以“晶体结构与性质”为例拟现实技术开发的三维积件2。学生可以使用手机扫描二维码，直观地认识晶体的三维模型，这凸显了 VR 积件的直观性、科学性、独立性、交互性和通用性等特点。教师充分合理地将 VR 积件运用在教学中，将抽象的化学理论具体化、可视化、形象化，帮助学生建立“宏观性质微观结构三维模型”三者之间的有机联系。随着信息技术手段不断创新，高中化学教师的教学手段和方法更具有创新性、多样性。高中化学教师有效利用信息技术可以优化教学过程，降低教学内容的抽象性，帮助学生深度理解并建立结构与性质之间的联系，增强学生的体验，提高学生“宏观辨识与微观探析”和“证据推理与模型认知”素养水平。二、科学设计教学思路教师巧妙整合数字化资源，设计多元化的化学课堂教学内容，按照“引其趣启其思激其情奋其志导其势凝其智”的思路（如图 1），各环节充分合理利用信息技术，让学生寓学于乐、乐中求学，真正践行“以学生为中心”的教学理念。教师将高中化学和信息技术深度融合，力求提高学生的学习水平，帮助他们从低阶能力向高阶能14|信息技术与高中化学教学深度融合的路径化学专题工具的基础上，支持学生高效地开展自主、合作、探究性学习，为学生个性化、创造性学习提供条件。三、精准设计教学过程（一）课前以学定教 学生任务：查阅资料并搭建“石墨烯、金刚石、二氧化碳、氯化钠”的球棍模型，比较几种晶体物理性质间的差异，并完成导学案任务；用手机扫描 VR 积件二维码，观察各晶体三维模型，完成教师在钉钉 App 上布置的作业任务。教师任务：基于对钉钉 App 上学生预习结果的分析，针对性整合教学内容，以保证精准教学。设计意图：教师明确教学目标，引导学生在巩固旧知的基础上探索新知，让学生在预习过程中有的放矢主动学习，独立思考自主完成模型搭建任务，扫码观看三维模型，激发学习兴趣，以此促进“证据推理与模型认知”素养的发展，充分体现以学生为本的教学理念。教师分析学生预习的反馈结果，“以学定教”，助力课上高效教学。（二）课中教学互动 教师创设情境：认识黑金之王石墨烯。“手机充满电真的只需几秒钟吗？史上最薄电灯泡薄到什么程度？存在光驱动飞行器吗？大家相信吗？科学家找到了一种只需借助铅笔中蕴含的单一化合物石墨烯。自此，关于石墨烯非凡应用的新闻不断出现在人们的视野中，石墨烯似乎已经成为无所不能的超级材料。石墨烯到底是什么？到底有什么特性让它备受推崇？下面，我们一起打开黑金之王石墨烯的神奇大门。”教师用 PPT 讲解碳纳米材料的发展和石墨烯的发现过程，让学生认识到为材料科学领域带来力转变，有效提升核心素养。数字时代，深度融合将使传统教学发生根本性变革，而其中的变量不应只有信息技术，还应有不同学科特性的教学方式和教学内容。为实现深度融合，教师需要把握学科特性，对学科内容与教学方式等进行深度解剖，以系统的、整体的眼光看待相互联系的要素。建设科学高效的协同机制是促进信息技术与教学深度融合的有力保障。基于此教师设计了教学流程（如图 2）。从操作层面看，教学设计纵向有教师活动、学生活动、技术支持三大要素，横向分“课前以学定教”“课中教学互动”“课后以学促教”三个维度。教师在充分利用网络平台和信息技术图 1 教学思路图 2 教学流程2024 年第 4 期 中小学数字化教学|15化学专题革命性进展的发现使用撕透明胶带的方法从石墨中分离出单层的石墨烯。为了让学生更直观地理解石墨烯的非凡特性，教师播放了一段关于石墨烯的性质的视频。学生小结：石墨烯是现有材料中厚度最薄、强度最高、导热性最好的新型二维材料，是重要的战略新兴材料；石墨烯具有强导电、高柔韧、高硬度、低密度等特性。1.分析石墨烯结构（任务 1）第一项活动：基于构成微粒认识石墨烯。在模型展示环节，教师搭建石墨烯的球棍模型并展示其空间结构。然后，教师让学生根据石墨烯的空间结构和构成原子结构的特点分组探讨石墨烯中碳原子的成键情况。学生 1：石墨烯为平面型结构，每个碳原子与周围三个碳原子形成平面三角形结构，所以石墨烯中碳原子为 sp2杂化。学生 2：杂化后，每个碳原子剩余的一个单电子在未杂化的轨道里，每个未参与杂化的 p 轨道互相平行重叠形成了大 键。第二项活动：基于微粒空间排布认识石墨烯。教师让学生用 ChemDraw 软件画出石墨烯晶体的一个晶胞，分组讨论并解释。学生分组汇报，展示作品（如图 3）。整块晶体可以看成无数晶胞无隙并置而成的。在教师的引导下，学生最终确定石墨烯晶体的一个晶胞图示应是作品 2 或作品 3。2.基于结构解释和预测石墨烯性质（任务 2）第一项活动：解释石墨烯的导电性。教师用PPT 资料展示：石墨烯具有强导电性，其导电效率是硅的 100 倍左右。因此人们期待用它来制作更薄、导电速度更快的新一代晶体管。学生讨论后得出结论：石墨烯中 C 原子采用 sp2杂化形成平面结构，未杂化的 p 轨道含有一个单电子，且互相平行，可以形成大 键，电子具有较好的流动性，故石墨烯具有超强的导电性。第二项活动：预测石墨烯的性质熔点高低（见表 1）。图 3 学生作品表 1 预测石墨烯的性质熔点比较原因分析石墨烯富勒烯石墨烯为共价晶体，碳原子之间形成共价键，作用力强，熔化时需破坏共价键；而富勒烯为分子晶体，熔化时只需破坏分子间作用力石墨烯金刚石二者都是共价晶体，由于石墨烯晶体中碳碳键除了键外，还存在大 键，故石墨烯内共价键键长比金刚石的键长短，作用力更大，破坏化学键需要更多能量教师引导学生基于晶体类型，构建物质结构与物质性质的关系（见表 2）。教师提示：对于晶胞来讲其顶点环境必须完全相同；晶胞在相应的各轴向上应具平稳性，表 2“二看三比较”判断物质熔沸点高低一看物质状态常温常压下，熔（沸）点：固态液态气态二看物质所属晶体类型共价晶体晶体硅、金刚石、石墨烯等共价键键能键长原子半径（半径越小，熔沸点越高）离子晶体硫化锌、氯化钠、氟化钙等离子键强度晶格能离子所带电荷及离子半径（离子所带电荷越多，半径越小，熔沸点越高）分子晶体C60、二氧化碳等分子间作用力范德华力、氢键相对分子质量（有氢键优先考虑氢键）3.基于结构与性质实现石墨烯功能化应用（任务 3）活动：石墨烯的非共价键改性。学生讨论后16|信息技术与高中化学教学深度融合的路径化学专题认为：由于-堆积、氢键、静电等作用，氧化石墨烯有优异的吸附性，有助于提取分离纯化中药有效成分，有助于提高提取分离效率，增强选择性，使得其在生物医药方面有重要应用。设计意图：教师以社会热点为切入点，创设情境帮助学生了解石墨烯，以激发他们的学习兴趣。通过结合信息技术和搭建球棍模型的实践活动，教师引导学生分组探究，使他们能够从宏观和微观两个层面深入认识石墨烯。这种教学方式不仅可以促进学生对晶体的全面理解，而且能帮助他们内化了思维建模知识，增强其概念意识和抽象思维能力。这一过程可以有效促进学生在化学学科核心素养方面的提升，特别是在“宏观辨识与微观探析”以及“证据推理与模型认知”方面的发展。（三）课后以学促教 教师给学生布置了三项任务：用 Xmind 软件绘制思维导图，分别归纳共价晶体、离子晶体、分子晶体的主要特点；尝试用 ChemDraw 软件绘制氯化钠、水分子的结构；完成钉钉 App 中相应的习题，并填写课后反馈单。设计意图：学生在课后有效利用信息技术自主绘制思维导图并拓展延伸，有利于提升其探究精神和创新能力。教师借助课后作业巩固强化，实现对课堂知识的有效内化，促进学生由“低阶能力”向“高阶能力”的转变；对课后反馈情况进行分析，进一步了解学生对本节内容的掌握情况，完善教学内容，提高教学效率。四、反馈教学效果教师利用三维模型 VR 积件教学，引导学生深入理解概念本质。同时，教师注重渗透思维方法的培养，实时监控学生在模型建构与应用中的思维过程，帮助他们动态把握要素与关系的变化，并建立起“宏观性质微观结构三维模型”三者之间的联系（如图 4）。学生学会在学习过程中不断建立并应用思维模型解决问题，在结构与性质相关联的探究活动中进一步深化物质的结构图 4 高中化学“微观宏观模型”三维矩阵观2，发展“证据推理与模型认知”素养。基于以上的思考和探索，笔者将高中化学教学与信息技术深度融合的经验总结为如下三点。其一，提供丰富的教学资源，促进教学数字化。在“物质结构与性质”模块中，学生对立体分子感知及具体形象思维的认知能力不强，对复杂知识的逻辑体系了解不够透彻，且有些知识本身非常抽象和繁杂，所以教师用传统方式教学效果不理想。针对化学学科的特性，教师利用信息技术突破原本难以研究的问题，可以使难以理解的抽象问题显性化、可视化3。教师应用中小学智慧教育云平台等数字化工具提供丰富的教学资源，拓展了教学时空，促进课堂教学的改革创新。例如，“晶体结构与性质”教学过程中，学生学习晶体的结构比较困难，因二维模型无法提供更形象具体的信息，利用三维模型 VR 积件教学，能让学生从多个角度进行分析理解，实现从二维到三维的转变，并构建“宏观性质微观结构三维模型”矩阵模型。在教学过程中，教师还让学生利用信息技术协同互联网技术开展学习活动，参与在线阅读、在线沟通、在线学习、线上模拟实验等活动，由此拓宽学生学习渠道，帮助他们积累经验，掌握更多的学习方法，提高学生自主学习效率，最大限度体现信息技术在化学教学中的功效，将抽象的化学知识具体化、形象化，为教学赋能，为学生赋能。其二，创设多元的学习方式，促进高效学习。2024 年第 4 期 中小学数字化教学|17化学专题数字时代，教师如何利用信息技术来创造多元的学习方式，促进学生高效学习？教师可从以下几方面着手。第一，教师积极利用多媒体课堂、网络教学平台、数字化学习平台等方式开展教学活动，让学生更好地了解化学前沿知识在不同行业的应用。第二，教师充分利用信息技术开展小组数字化实验，培养学生之间的合作精神，解决现象不明显、危险系数高等实际问题，设置沉浸式的虚拟实验场景、三维可视化的效果，以及实操、评分等环节，让学生以数字化学习方式学习实验知识，提高实验技能。第三，在教学过程中，教师要结合学生的学习情况针对性教学，在课前利用微课向学生展示具体案例，激发学生的学习兴趣；课堂上充分利用信息技术融合化学实验和虚拟实验，让学生感受化学魅力；课后，教师利用思维导图，对知识进行全面梳理，帮助学生构建完善的知识体系4，实现学生能力由“低阶”向“高阶”的转变。其三，加强学情管理，推进精准教学。在教学过程中，教师应建立数字化的质量评价和管理机制，对学生进行差异化管理，进一步完善精准化课堂教学体系。教师可利用信息技术“按需定教”，针对学生个性化发展需求，精准判断学情，精准设计目标，精准设计教学资源，精准干预5，根据教学内容，教师可适当调整教学方法，利用信息技术与化学知识各个层面的联系，促进数字化教学的有效开展，实现对学生学习状态和成果的精准把握。因此，高中化学教师应积极践行数字化教学理念，要有意识地借助信息技术改善课堂环境，挖掘与彰显化学魅力，而使课堂教学更具吸引力和趣味性，更能吸引学生和调动学生的积极性6。综上所述，合理利用信息技术开展高中化学数字化教学是大势所趋。构建现代化高效、高质量的高中化学课堂是新课改发展的目标。教师借助数字化手段提升学生自主探究能力，培养学生逻辑思维能力，激发学生化学思维，帮助学生构建完整的化学知识结构体系，促进学生的模型认注：本文系 2023 年天水师范学院人才培养质量提升项目、2023 年天水市科技计划项目（编号：2023-FZJHK-8287）、2022 年秦州区科技局项目（编号：2022-SHFZG-2112）、2024 年天水师范学院研究生指导教师教育研究项目（编号：TYXM2406）的结题成果。1何克抗.如何贯彻落实教育信息化 2.0 行动计划的远大目标 J.开放教育研究,2018(5):11-22.2余鑫海,余捷,余德润，等.化学三维模型 VR 积件的特点与应用 J.江西化工,2023(2):107-112.3项佳敏,钱华,马宏佳,等.信息技术与化学学科教学深度融合的案例研究：以数字化实验为例 J.化学教学,2020(9):21-27.4李礼上.信息技术 2.0 在化学教学中的运用 J.文理导航（中旬）,2023(6):28-30.5童桂芬.教育信息化背景下初中数学精准教学现状调查研究D.昌吉：昌吉学院,2023.6高巍.技术赋能教学创变：国际前沿教学创新的特征及其进阶：基于 20122021 年创新教学报告的内容分析法研究 J.华中师范大学学报（人文社会科学版）,2022(1):173-1817杨佳祎,孙可平.浅谈信息技术在化学物质结构建模教学中的应用 J.化学教学,2023(2):26-31.参考文献（作者马雪梅、柳威、高美琪系天水师范学院研究生；龙世佳系天水师范学院教授，通讯作者）责任编辑：祝元志知与模型建构7，有效提升综合能力。化学教师应合理使用信息技术，在实践中摸索出更高效、更合理的融合策略，避免信息技术应用表面化、复杂化，这对化学课程革新与发展有重要意义。