应用数字教材优化初中化学实验教学的实践探索

摘要：根据《义务教育化学课程标准（2022年版）》应用的理念和要求，教师从建构主义学习理论出发，分析实验教学的改进方向，提出数字教材优化实验教学的“技术赋能清晰呈现实验现象，虚实结合让探究真正发生”等策略，并基于“知识回顾，情境引入；自主探究，设计方案；动手操作，真实实验；观察现象，得出结论；回顾反思，开展评价”的教学实践加以验证，梳理再造实验教学流程，实现了数字教材为教学赋能增效。关键词：数字教材；初中化学；实验教学化学是一门以实验为基础的自然科学。《义务教育化学课程标准（2022年版）》指出，以实验为基础是化学学科的重要特征之一，化学实验对全面发展学生的核心素养有着极为重要的作用[1]。实验是学生“学中做”和“做中思”的重要過程。实验课上，学生需要调用已学的知识设计实验方案，自主探索或与同伴交流协作，确定实验方案；需要规范操作完成实验，观察现象，分析判断，得出结论。如实验失败，学生要反思，分析原因，改进方案并再次尝试。化学实验不仅是研究化学知识的重要方法和手段，而且是学生应用知识解决问题、发展关键能力的有效路径。新课标建议教师尽可能多地为学生提供动手实验的机会，注重发挥现代信息技术的作用，合理运用计算机模拟实验，但不能用来完全替代真实的化学实验[2]。教育主管部门或教研机构在学业质量评价中也注重考查学生整合信息、实验探究、分析解决问题等化学学科的关键能力。因为现实原因，化学实验教学中仍存在“缺乏实验器材”“实验现象难以观察”“学生兴趣不浓，参与度低”“实验情境单一，缺乏拓展和创新”“限定实验操作方案，无法创新探索”“过于关注实际操作、忽视能力培养”等问题。教师用好集教材、资源、数据和工具于一体的数字教材，可以破解这些难题。笔者结合教学实践，分析如何利用数字教材优化实验教学。一、利用数字教材优化实验教学的策略根据建构主义学习理论，笔者认为实验教学的改进需要做到以下三点：一是创设真实问题情境；二是提供工具和安全的环境，开展真正的探究；三是师生充分互动和交流。在复习课教学中，教师应以学科大概念为核心，紧紧围绕“原理、装置、操作、现象、结论”，重组复习单元，帮助学生构建学科知识体系，深化对实验的理解与内化，促进实验的迁移与运用[3]。初中化学数字教材，除了载有纸质教科书的内容之外，还加载了多种数字化教学资源，有利于教师丰富教学素材，拓宽教学的深度和广度，创设实验情境。教师使用交互动画等形式的资源，可以将抽象的、微观的知识内容直观呈现，帮助学生突破难点，理解知识，实现意义建构。数字教材中的实验视频和虚拟实验可以为实验教学和科学探究提供工具和平台，为学生的自主探究提供安全可靠的环境，帮助教师优化实验教学。基于数字教材优化实验教学的主要策略如下。（一）技术赋能，清晰呈现实验现象化学反应发生过程往往伴随着强光或高热，有的反应发生太快，有的反应发生太慢，不利于学生观察实验现象。数字教材配备有纸质教科书中全套实验的演示视频，借助技术手段，清晰呈现反应过程和细节，支持学生反复观看（也有暂停功能），便于观察和分析。在教学中，实验视频和真实实验配合，主要应用场景有：（1）实验前的操作说明与规范指导，即教师让学生对实验的操作技巧、步骤过程和预期结果形成整体的认识，进而为实验做好准备；（2）实验中的参考比对，即学生将自己的实验现象同视频中的现象比对，及时地调整和改进；（3）实验后的总结提升，即教师结合实验视频的画面，分析实验原理，进行提炼和总结；（4）复习课中的快捷回顾，即教师在复习环节，利用数字教材的书签功能，带领学生快速浏览多个相关实验，总结要点，系统性建构知识。（二）虚实结合，让探究真正发生虚拟实验注重实验操作的交互性和实验结果的仿真性，实验者可以像在真实环境中一样完成各种实验项目。虚拟实验的优势在于安全无损坏。学生借助虚拟实验工具进行探究，可以将自己的想法付诸实施，自由尝试和探索。借助虚拟实验，学生可以设计出富有创新性的实验方案，真正开展探究，还可以可视化地呈现思维过程，便于交流和改进。虚拟实验与真实实验结合的应用场景主要有：（1）示范，即教师用虚拟实验在一体机的大屏幕上进行演示，一边操作，一边讲解要点和细节；（2）纠错，即教师用虚拟实验重现学生的错误操作，展示虚拟实验系统的报错提示，或者爆炸、燃烧、损毁等虚拟情境，让学生认识到错误操作的后果（当然，损坏的虚拟仪器可以轻易修复，不影响继续使用）；（3）支持创新探究，即学生用虚拟实验无风险地验证方案的准确性（探究性实验的问题情境相对真实和复杂，学生有了初步想法需要验证）；（4）呈现思维过程，即学生用虚拟实验展示自己的方案及模拟操作，交流探讨；（5）复习环节快速实验，在只需要设计方案、不必要做真实实验的情况下，学生可以开展虚拟实验快速提出方案，并进行展示交流。二、基于数字教材开展实验教学数字化资源和技术工具不能完全替代真实的实验，但是教师可以依托数字教材设计实验教学活动，利用信息技术手段弥补现实的不足，发挥学生的自主性，让他们有效探究，以此提升教学质量和效果，培养学生学科核心素养。笔者以学生必做实验“二氧化碳的制取”为例，分析如何依托数字教材的资源和工具创造性地高效教学。笔者根据教学分析和学情分析结果，确定本节课的教学目标如下。第一，引导学生初步学习二氧化碳的实验室制法，开展探究活动，充分发挥学生必做实验的功能，借助虚拟实验工具，为学生提供充分的动手实践和动脑思考的机会。学生运用所学知识，探索实验室制取二氧化碳的思路，交流、对比、评价、完善，确定最终的实验思路，经历完整的探究过程，提高科学思维和实践能力。第二，学生参与实验室制取二氧化碳的具体操作，掌握反应原理，学会制作、验证等技能，养成严谨求实、敢于质疑的科学态度与习惯。第三，引导学生综合所学知识，在反思和交流的基础上，归纳制取气体的一般思路与方法，深化对化学科学及科学探究本质的理解，发展科学探究能力和创新意识。教学重点是实验室制取二氧化碳的原理和制取气体的一般方法，难点是实验装置的设计。教师利用人教数字教材，采用探究法教学。教师提出问题，让学生借助虚拟实验工具探求解决方案，积极探讨形成最终实验方案，开展实验，总结方法。教学过程如下。环节一：知识回顾，情境引入本环节，教师安排两个板块的教学活动。第一个板块是复习与本节课相关的既有知识，如实验室制取氧气的方法、碳单质的化学性质等。在这节课中，学生需要迁移应用氧气的制取方法，所以要重点复习。考虑学生可能有遗忘，教师使用书签功能，将制取氧气的视频资源链接到本节课的数字教材中，供学生观看，回忆相关内容。教师将其他单元的视频资源迁移用作复习巩固的教学素材，有利于打通不同章节，按照教学需求个性化地组织知识，构建结构化的课程。第二个板块是設置学生感兴趣的情境，引出问题，激发学生的学习欲望，开始探究思考。教师出示二氧化碳灭火器、碳酸氢钠溶液照片，说明二氧化碳与生活密切相关，在生活中有着大量的用途，由此引出实验室制取二氧化碳的课题。环节二：自主探究，设计方案第一项探究活动：确定反应物和反应原理。学生结合所学的碳单质的相关知识，提出制取二氧化碳过程中可能的反应物。教师再引导学生对各种可能的反应物组合进行评议。学生在评议的过程中，充分应用所学的物质性质等知识，从常规状态下实验是否可行、实验现象是否明显、气体是否可以收集、制取的气体是否纯净等角度进行分析。除此以外，酸的浓度、药品颗粒大小等也对制取有影响，如盐酸与碳酸钠粉末反应，反应速率过大不易控制。教师可以开展虚拟实验进行模拟，对不同反应物快速验证，为判断提供参考依据。学生积极讨论和交流，在质疑和辩解中提升了他们严谨求实、敢于质疑的精神和科学思维能力。经过讨论，师生共同确定选择反应物为碳酸钙颗粒和稀盐酸，反应方程式为：CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑

+H2O第二项探究活动：确定反应装置和操作步骤。确定反应装置和操作步骤是实验探究的重要环节。因为有可能损坏器材，且操作具有一定的危险性，在传统教学中，学生只能按照教师给定的方案进行实验。没有真正探究，学生学习的主体性和参与度就大打折扣，且问题也无法暴露。教师借助数字教材中的虚拟实验工具，让学生大胆地、自由地尝试，根据系统的反馈，通过师生的评价和交流，发现存在的问题和知识漏洞，不断改进。教师应用虚拟实验系统可使学生的思维过程可视化，便于指导和交流（扫码看视频）。在实验装置确定后，教师让学生继续利用虚拟实验系统探索气体检验方法及验满方法的设计，开展模拟实验，掌握实验操作的步骤和正确的操作方法。学生利用虚拟实验系统进行模拟操作，例如往试管添加碳酸钙（石灰石）颗粒，让他人观察和评价，对错误的实验操作进行纠正。教师开展虚拟实验将操作规范要求落实到教学中，同时避免造成实验器材的损坏。环节三：动手操作，真实实验在学生充分理解实验反应物、反应原理、实验装置设计和实验操作步骤之后，教师让学生分组进行实验。教师将确定的实验方案在大屏上呈现，供学生参考。因为有充足的铺垫和准备，学生进行实验操作时目的明确、步骤准确，安全性和成功率都得到了保障。环节四：观察现象，得出结论实验完成后，师生要进行以下两方面总结。一方面是回顾实验过程，分析实验现象。此时，因为实验已结束，教师借助数字教材里的实验视频，暂停在实验过程的关键环节或者实验现象的地方，结合视频画面回顾分析实验过程，总结相关知识。另一方面对比氧气和二氧化碳制取方法，总结制取气体的一般方法。教师打开数字教材，出示对应的教材内容，带领阅读、圈画，做总结。教师利用“大屏”呈现数字教材内容，有效解决了纸质教科书在师生共同阅读方面的难题。环节五：回顾反思，开展评价实验完成后，教师一定要带领学生回顾整节课的学习过程，反思自己的学习态度、知识和方法掌握情况等。在教学过程中，教师一直观察学生的表现，以便实施过程性评价。在这个环节，教师从知识运用、探究思考、实验操作、学习品质的维度设计问题，引导学生对自己的学习行为、态度和能力进行客观准确的评价，提升学生的学习元认知能力。三、教学流程再造与模式提炼在信息技术加持下，数字教材实现了教材模块化、内容立体化、资源功能化——围绕教材重难点提供示范性、多层次的数字教学资源，并通过资源的交互性设计和即时评价等功能，服务于自主探究式教学。针对实验教学实施的痛点和难点，笔者设计了基于数字教材的实验教学活动流程（如图1）。借助数字教材，教师可以创造性设计实验活动。在教学流程方面，传统的“教师讲解—教师示范—学生模仿—总结知识”的流程变为“情境问题—探究设计—交流完善—实验实施—总结方法”，如此学生的参与度大幅提升。在实验方案设计方面，以往教师提供方案让学生机械地照做，现在学生用虚拟实验工具自主探究设计方案，经过交流研讨得到成熟方案，更能发挥学生的主观能动性，以及暴露学生前认知的局限和隐藏的问题。在实验操作细节和要领方面，以往教师只能反复强调实验危险，对学生触动甚微，现在学生借助虚拟实验呈现自己的真实想法，在交流讨论中发现错误，或在模拟实施遇到困难时，认识到自己的思维误区，不断试错纠正，完善知识体系。在学业评价方面，传统方式是借助纸笔测验来静态检测学生对知识的掌握情况，现在教师借助信息技术将评价贯穿学习全过程，使学生的学习任务兼具评价职能，呈现学生的知识基础、方法技能、情感态度以及意志品质，完成发展性、过程性的评价。在思维层次上，学生在问题驱动下，亲身参与经历探究全过程，不仅发现并掌握了学科知识，而且提炼总结了分析问题、解决问题的方法与技巧，更是在解决新旧知识认知冲突的时