基于数字化实验的高中化学校本课程的开发与实施.pdf

化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）一、问题的提出随着信息时代的到来，教育教学与信息技术的融合成为了新一轮课程改革的重点。1数字化实验是信息技术与教学融合的重要手段和工具之一，它具有定量化和可视化特点，可作为认知工具帮助学生克服一些概念学习中的“认知难点”，2科学感知与建构抽象化学概念。已有实证研究表明，手持技术对概念学习的确有促进作用。32017版普通高中化学课程标准提出“应鼓励教师运用信息技术提高课堂教学效率和质量，强化信息技术与化学教学的深度融合”4，在“教材编写建议”中要求“化学教材应精心设计学生必做实验，适当增加微型实验、家庭小实验、数字化实验、定量实验和创新实践活动等”4。新教材中也已经添加了一些数字化实验，如必修一中介绍了验证次氯酸光照分解产物的数字化实验。5但目前数字化实验用于常规教学还是相对较少的，更多的是在公开课中的展示。而开设数字化实验校本课程的学校就更少了。目前在中国知网能检索到的，将数字化实验运用到校本课程的研究仅有29篇，其中仅有5篇是与化学学科相关。仔细阅读后可知，很多老师没有将校本课程形成一个体系，更多的是一次或多次的规定实验或探究实验，不能让学生的定量思维和信息素养有系统性地锻炼和长期性地培养。其中做得最系统最成熟的是徐惠和马宏佳，6但仍存在三个问题：第一，课程内容集中在教材必修模块；第二，教学对象仅限高一学生，不能持续培养学生思维；第三，课程目标较为简单，不能提升学生更高阶的思维和能力，如实验创新和迁移应用。因此，作为广东省广州市番禺区的龙头学校，我们课题组着力于如何开发出一个系统、可行的数字化实验高中化学校本课程体系，旨在培养学生化学核心素养及信息素养，同时实现学生、教师、学校共同成长的目标。二、基于数字化实验的高中化学校本课程的开发本校本课程的开发着重于三大模块：课程目标的确定、课程内容的设计与课程规划的设计，其中，课程内容应基于课程目标来设计，而具体的课程内容则决定了课程安排的规划，具体的研究过程及内容如图1所示。提出实际问题选择教学策略新版教材手持实验学生水平设计教学过程评价教学效果初步感受改进创新研究学习项目学习学做简介开题报告实验操作解题报告撰写论文学段评价课程目标课程内容设计课程规划设计选取课程内容整合课程内容四学段六环节图1课程设计阶段的研究内容基于数字化实验的高中化学校本课程的开发与实施*庄建德1黄倩莹1李伟溪2（1.广东仲元中学广东 广州511400；2.广州市湾区实验学校广东 广州510000）摘要：本研究基于数字化实验，根据现有教材、新课标要求及学生情况，开发“四学段六环节”模式的高中化学数字化实验校本课程。学生在教师的指导下，从高一到高二共四学期有梯度地进行理论学习与数字化实验实践，进而达到所设定的教学目标。通过课堂观察、量表评价及开放式问卷等多种途径收集反馈，发现该模式下的化学校本课程能帮助学生树立定量意识，提高学生的化学学科核心素养。关键词：数字化实验；化学校本课程文章编号：1008-0546（2022）12x-0054-06中图分类号：G632.41文献标识码：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.12x.013课程与教材研究 课程与教材研究*本文系广州市教育科学规划（Guangzhou education scientific research project）2022年度课题“基于手持技术数字化实验的高中化学校本课程的开发研究”（课题编号：202214274）的阶段性研究成果。54化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）1.确定课程目标基于文献综述与新教材、新课标的分析结果，本系列化学校本课程的总目标有以下四点，分别对应不同学段：第一，熟悉数字化实验设备操作，树立定量分析意识，培养选择数据和理解证据能力；第二，融合教材与数字化实验，树立证据推理意识，培养采集数据和寻找证据的能力；第三，自选化学研究课题，树立科学探究意识，提高分析数据和得出结论能力，第四，合作撰写研究报告，树立学科融合意识，提高实验创新能力与信息素养。2.设计课程内容基于已有的数字化实验研究成果进行挑选，选择能够发挥数字化实验优势的实验并进行重整，设计成课程；要求考虑学生的现有水平及随着课程的进行其水平的提升，故选取的内容应具有一定梯度，符合学生认知发展的规律。下表1列出选取的部分供学生选择的实验内容。实验离子反应氧化还原反应常温下钠在空气中的反应探究过氧化钠与二氧化碳的反应碳酸钠与碳酸氢钠溶解的热现象碳酸钠和碳酸氢钠与酸反应的差异验证次氯酸光照分解产物的数字化实验菠菜中铁元素的检验浓硫酸的吸水性氨气的喷泉实验酸碱滴定盐酸与镁反应的热效应简易电池的设计与制作探究影响过氧化氢分解反应速率的因素不同浓度的盐酸对实验室制备CO2反应速率的影响硫代硫酸钠与硫酸反应速率的影响因素探究苯酚与饱和溴水反应的类型探究乙酸乙酯水解反应的实质传感器种类导电率传感器、滴数传感器、磁力搅拌站氧化还原传感器、滴数传感器、磁力搅拌站氧气传感器、二氧化碳传感器氧气传感器、二氧化碳传感器不锈钢温度传感器、磁力搅拌站pH传感器、滴数传感器、磁力搅拌站pH传感器、氧气传感器色度计或者分光光度计相对湿度传感器气体压力传感器pH传感器、滴数传感器、磁力搅拌站不锈钢温度传感器电压传感器、电流传感器气体压力传感器二氧化碳传感器不锈钢温度传感器、色度计或分光光度计导电率传感器玻璃pH传感器教材内容必修一P16必修一P20必修一P32必修一P35必修一P37必修一P37必修一P45必修一P71必修二P4必修二P13必修二P16必修二P32必修二P37必修二P43必修二P45必修二P57必修二P65必修二P80表1部分数字化实验内容挑选出合适的内容后，还需要将数字化实验与课本知识整合，设计成课程。在课程中，主要采用“问题解决”的模式进行授课，整合的主要思路主要为：先提出实际问题，然后考虑使用怎样的教学策略来解决问题，再设计使用该教学策略的教学过程来解决实际问题，最后选择适合的评价方式来评估问题解决的效果。按照这样的思路，将挑选出来的知识与数字化实验整合，设计成课程，撰写教案及学案。3.设计课程规划课程初步确定为每学期14课时，每课时约1个小时，上课地点为数字化实验室。其次，考虑到课程目标及学生对数字化实验的认识会随着课程的进程而不断发展，故将整个系列的校本课程规划为四学段六环节的课程体系，图2即为四学段六环节课程体系的整体规划图。由图2可见，整套课程共分为四个学段，分别为：初步感受数字化实验、改进创新教材实验、基于数字化实验的研究性学习、基于数字化实验的项目式学习。在学段1中，学生对数字化实验设备还尚未熟悉，故本阶段设计的实验难度偏低，课程目标主要是让学生熟悉实验设备的操作与用途，学会定量分析实验数据，为后续深入的学习打下基础。在学段 2中，学生需自行改进教材中的实验，这对其创新能力提出挑战。而在学段3与学段4的研究性学习、项目式学习中，对学生“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”的核心素养要求更高，甚至在学段4中课程与教材研究 课程与教材研究 55化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）学段4：基于手持的项目式学习学段简介课时14：师生共同对本学段的教学进行综合评价。课时11-13：教师指导学生撰写手持技术数字化实验论文，学生撰写论文后，进行汇报展示。课时9-10：由学生分组进行手持技术数字化实验结题报告及展示汇报。课时6-8：首先，由教师进行手持技术数字化实验操作与实验报告撰写的指导。然后，学生进行分组实验并撰写报告。课时3-5：教师进行手持技术数字化实验选题的指导，学生通过小组讨论学成选题，并进行开题报告。课时1-2：主要介绍课程的简介，介绍本学段的主题，明确此学段的方向与目标。由专家指导学生操作手持设备，学生初步感受手持技术数字化实验。开题报告实验操作结题报告撰写论文学做评价学段3：基于手持的研究性学习学段2：改进创新教材实验学段1：初步感受手持实验图2四学段六环节课程体系规划图进行学科交融方式的学习。四个学段整体呈梯度设计，符合学生认知水平与实验技能的发展，学生经历“了解模仿创新”的认知阶段，逐步完成课程目标。在四个学段的基础上，每学段的教学过程又细分为六个环节，分别为：学段简介、开题报告、实验操作、结题报告、撰写论文、学段评价。三、基于数字化实验的高中化学校本课程的实践该课程目前已经完整实施了一轮，授课对象为2020级选课学生，共30人，授课时间从2020年9月的高一上学期持续至2022年6月的高二下学期，共四个学期。第二轮也已经在进行中，授课对象为2021级选课的30名学生，同样进行四个学期的校本课程学习。在课程实施时，需要学校支持校本课程的设立、课题组成员与学生的参与、实验室在实验准备上的保障等。1.初步感受数字化实验阶段2020年9月16日，该校本课程正式第一轮开课，我们遵循着六环节中的学段简介、开题报告、实验操作、结题报告、撰写论文、学段评价，先由本校的三名主讲老师开展学段介绍，并着重介绍了实验设计流程及数字化实验仪器。然后华南师范大学钱扬义教授给学生上了精彩的指导课。接着学生在老师的指导下开始进行小组讨论选题，经过两课时的讨论和老师的指导，在第五次课时，学生初步设计了实验方案并展示汇报。本学段没有要求学生撰写论文，仅提供实验报告即可。2.改进创新教材实验阶段2020 年 3 月 3 日，校本课程已经来到了第二阶段。在寒假期间，老师要求学生在上学期课程的基础上，思考改进创新教材实验，在本学段的第一次课上，进行汇报展示。届时，各组都自信地汇报自己的实验设计，其他小组同学和老师对其做出评价和建议。从课堂的展示和学生做出的点评可以看出，学生的信息检索能力、实验设计能力及实验改进能力有所提高，但仍缺乏控制变量意识及实验设计的严密性，有时候理不清数据与概念间的关联（如图3、图4所示）。图3庄建德老师评价学生实验方案图4学生展示实验结果在老师的指导下，学生最终定出了如表2的五组方案。在第一轮预实验中，很多学生发现了方案的不足之处，并遇到与自己预测不符的实验结果。这时，课程与教材研究 课程与教材研究 56化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）老师便抓典型，为学生讲解如何采集理想数据并寻找到合适的证据，进而完成证据推理，做到理论与实际相符。在老师的讲解后，各组学生再次调整自己的实验方案，并开展了第二轮的正式实验，对实验结果没有问题的小组，则可开始撰写实验报告，对实验结果仍有问题的小组，则需指导其重做实验，直到数据合理，证据链条完善。由于学生的能力在逐渐提高，在本学段的最后，老师讲解了如何将实验报告改写为学术论文，并鼓励学生尝试。组别第一组第二组第三组第四组第五组选题利用pH和温度传感器探究中和反应相同浓度的醋酸其pH值随温度的变化情况研究含Al3+的盐溶液与强碱溶液滴定的电导率测定探究NaOH溶液与CO2反应中的pH变化探究不同类酸碱中和反应中的热量变化表2改进创新教材实验阶段五组学生实验选题3.基于数字化实验的研究性学习阶段该学段前半段由于疫情原因，没有办法集中上课，但由于有了前面的基础，在华南师范大学王辉教授和曾卓教授团队的指导与建议下，选择了让学生分组探究数字化实验在阳离子瓜尔胶取代度分析中的应用。瓜尔胶是重要的化学用品，但目前对其定性与定量表征的方法较为复杂。因此我们尝试使用数字化实验作为快速、准确、操作简便的表征方法。在水溶液中，阳离子瓜尔胶取代度越高其溶液离子浓度越大。溶液导电能力随离子浓度增大而增强，故可利用导电率传感器测试阳离子瓜尔胶溶液的导电率，来表征阳离子瓜尔胶的取代度。在教师讲解并提供研究方向后，学生自主选一个研究因素进行探究性实验，最终各组实验如表3所示。大组第一大组第二大组组别第一组第三组第二组第四组第五组探究内容探究大学自制阳离子瓜尔胶是否成功探究反应时间对自制阳离子瓜尔胶取代度的影响所用传感器pH传感器、电导率传感器表3研究性学习阶段五组学生探究内容选择本阶段非常考验并锻炼学生的信息素养能力，他们首先要自己收集资料，了解其中的反应原理，继而设计可行的实验方案。在做实验后，还需要分析曲线图带来的信息，学会多次实验，排除干扰，进而得出最终的结论，在过程中提高了分析数据和得出证据能力。最终在历时2个月后，两个大组内均能得到一致的实验结果，可以将数字化实验作为表征手段并验证了大学中的实验室制法可行，且阳离子瓜尔胶的取代度随着反应时间延长而增大。本学段虽受疫情影响不能过多地进行集中授课与展示评价，但学生在自主动手实验及教师的指导下，得到很多思维锻炼，整个过程苦并快乐着（图5、图6所示）。图5黄倩莹老师指导学生改进实验图6学生与老师分析实验结果4.基于数字化实验的项目式学习阶段最后一个学段老师和学生一致决定围绕仲元中学的环境进行展开，由于校园内有与外界连同的湖，因此选择了五个小组共同合作研究校内小微水体的水质。在本学段中，学生需要综合所有学科知识，可以从物理、化学、生物等角度对水质进行研究。每个小组根据所查资料讨论后，得到了表征水质的几大指标，如含氧量、浑浊度、氮磷含量、硬度、微生物种类（供氧还是耗氧）与数目等。之后，每个小组选择了其中一到几个指标进行研究，最后再讨论合写一份实验检测报告。在开题的过程中，学生已经能互相点评且一针见血，全面到位，老师只需要稍加补充即可。最终，各组学生的题目如表4所示。在实践过程中，从采样、测量、分析、得出结论等环节均能明显感受到学生的熟练，但在最后的撰写研究报告及研究论文方面还有所欠缺，主要体现在文字表达的完整性及严谨性。在最终的总结反思阶段，很多学生都表达了在本课程中学习到了很多课本内外课程与教材研究 课程与教材研究 57化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）的知识，且在实验过程中发现，其实学以致用是有难度的，尤其很多实验设计都要在实践中才知道是否可行，但明显能看到自己的进步（如图7、图8所示）。图7学生采集仲元湖湖水图8学生对湖水进行检测四、基于数字化实验的高中化学校本课程的评价课程评价可以较客观地反映校本课程的目标是否达成，并可根据评价结果对课程的设计与实施进行调整，故课程评价在课程开发过程中起着不可替代的作用。课题组在每个学段授课结束后对学生进行问卷调查，调查内容主要由两部分组成，第一部分是5点量表及总结感想，主要了解学生在经过本学段的学习后，是否可以达成课程目标；第二部分是开放性问题，主要了解学生对课程的意见与建议。从2020年9月至2022年6月，第一期课程的学生共接受了4次调查，调查问卷的内容会根据每个学段的课程目标进行调整。1.课程目标达成度学生的自我评价数据表明，每个学段的课程目标均基本实现，且学生认为校本课程在逐渐改进与完善，为他们提供了丰富且有深度的科学探究。从学生的感想中（如图9所示），我们可以感受到学生对本课程非常喜爱，并提到了在第二学段中“通过小组讨论可以解决一些问题”，并反思了小组实验中最突出的问题，进而改进了实验，获得了成就感。学生的话语可侧面说明他们在第二学段能树立证据推理意识，通过采集数据和寻找证据来改进实验，基本能达成本学段的目标。图9某学生在第二学段的总结感想2.对校本课程的意见与建议在被问及“对校本课程的建议”时，学生给出了一些实质性的建议，而根据建议，我们也对课程进行了适当的调整。如学生提及“传感器如果能多一点更好，有时候会不够用”，课题组积极与仪器供应商协商，争取在学段二的课程中增加传感器的种类与常用传感器的数量，做好硬件保障，保证在分组实验过程中，学生能有充足的传感器进行探究。“不是很会写实验报告，希望老师能再多指导或者给一些模板”等类似的建议也是我们关注的重点，在此建议下，授课教师马上增加对实验报告撰写的指导（如图10所示），并增加对学生所提交的实验报告的生生互评与教师指导。五、总结与反思在本轮校本课程实践中，我们凝练了一小批成果组别第一组第二组第三组第四组第五组探究水质指标探究水体硬度探究水体的含氧量、浊度及相关因素探究水体中微生物种类及含量探究水体中磷和氮是否超标所用传感器滴数传感器（传统滴定）、钙离子传感器pH传感器、溶解氧传感器、色度计、氧化还原传感器、滴数传感器光合作用日射强度计、数位显微镜、溶解氧传感器、二氧化碳传感器、流速传感器硝酸根离子传感器、铵根离子传感器、滴数传感器（传统滴定）表4项目式学习阶段五组学生探究水质指标的分工课程与教材研究 课程与教材研究 58化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）图10公众号推送记录课程2.指向学生核心素养的培养本课通过一表三线的设计，在教学过程中完成了知识图谱的构建。促进了学生的学科核心素养的发展（见图8）。教学内容构建图谱课时设计 单元指向 知识结构 素养剖析 一表（内容规划表）三线（知识线、活动线、问题线）图8指向学生核心素养培养的“一表三线”设计参考文献1 陈俊芳.通过“写”“做”“画”建构微粒观 J.化学教学，2019（8）：38-41.2 雷建云.高中化学教材中几个重要演示实验的改进研究J.发明与创新 职业教育，2021（7）：35-36.3 林建芬.基于文献统计和教材比较视角分析高中化学“胶体”教学 J.教学月刊 中学版（教学参考），2017（5）：37-42.4 王小利，汪欢，伍晓春.丁达尔效应能区分溶液和胶体吗?J.中学化学教学参考，2018（6）：67-68.5 陈永平，徐凯里.“高结构设计与低结构实施”：高效课堂的思与行 J.现代教学，2015（21）：4-5.（上接第37页）课程与教材研究 课程与教材研究 如公众号推送、每阶段的简报及学生实验报告等，也总结出了一定的实践经验。第一，校本课程的顺利开展离不开创建一支全面且分工明确的团队。本研究中，我们充分发掘了钱扬义教授提出的U-G-E-S的教研模式优势，即结合师范大学（University，华南师范大学）-地方政府教研机构（Government，广州市教育学会立项）-仪器公司（Enterprise，广东江凤光学仪器有限公司）-中学（School，广东仲元中学）四者的力量，组成一支强大的团队，保证校本课程顺利地开发与实施。第二，课程的设置一定要有梯度，理论与实践相结合。本校本课程采用了四学段六环节的教学模式，根据学生的具体情况及课程目标，有梯度地设置不同难度的理论与实践内容，由评价可知该模式效果较好。第三，仍需加强学生的写作指导与能力培养，从实验报告、最终的小论文及学生评价中可以看出，学生的写作能力仍有很大的提升空间，如写作的规范性、详略、严谨性等各个方面，都是下一轮课程要突破的重难点。同时，我们在实践过程中也遇到了如疫情不能开课，仪器供应不足等情况。因此我们思考了本课题以后的两个发展方向。第一，将课程资源网络化。目前课题组在组织学生拍摄数字化实验操作视频，并将此制作成微课传至公众号，这样就可以形成一个网络学习资源库，使学习不受时空和疫情的影响。第二，将课程区域化推广。本校本体系经过第一轮实践后，达到了不错的效果，因此在下一步要将其推广至其他兄弟学校，以扩大该成果的影响，形成区域教研合力。参考文献1 钱扬义，王立新，林惠梅.手持技术数字化实验教学研究：理论构建与创新实践 M.北京：科学出版社，2021，3.2 钱扬义.手持技术在研究性学习中的应用及其心理学基础 M.北京：科学出版社，2006.3 王立新，钱扬义，苏华虹，陈博殷，梁宏宇.手持技术数字化实验与化学教学的深度融合：从“研究案例”到“认知模型”TQVC概念认知模型的建构 J.远程教育杂志，2018，36（04）：104-112.4 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）S.北京：人民教育出版社，2017.5 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书（化学必修第一册）M.北京：人民教育出版社，2019.6 徐惠，马宏佳.“数字化实验”校本课程的开发与实施 J.化学教育，2017，38（7）：5-12.59