指向科学思维发展的化学数字化教学探究

摘要：分析当前初中化学教学的一般思路和存在问题，教师结合《义务教育化学课程标准（2022年版）》提出的学业要求，借助数字技术赋能化学课堂教学，从定性和定量的视角剖析化学原理和概念。在“饱和溶液与不饱和溶液”的教学中，教师开展仿真实验，实时呈现实验现象和溶液浓度，引导学生进行定性与定量相结合的分析，理解“饱和溶液”的含义，大胆质疑“人的肉眼能观察到极少量固体的溶解吗”，同时适时引入电导率传感器，辅助学生建立饱和溶液定性与定量的联系，促进其科学思维发展，实现了学科育人价值。关键词：科学思维；化学数字化实验；仿真实验；饱和溶液《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）建议教师利用数字化实验装备改进传统实验，让学生借助可视化的数据认识化学问题的本质，培养学生多视角收集证据解决化学问题的能力[1]。数字化实验是指借助计算机平台完成的实验，包括仿真实验和借助传感器的实验及多媒体展现的实验[2]。数字技术赋能化学课堂教学，在学生科学思维发展中发挥着重要作用。初中化学“科学思维”主要包括：在解决化学问题中所运用的比较、分类、分析、综合、归纳等科学方法；基于实验事实进行证据推理、建构模型并推测物质及其变化的思维能力；在解决与化学相关的真实问题中形成的质疑能力、批判能力和创新意识[3]。科学思维既重视概念形成的结果，又关注概念的生成过程，发展学生科学思维的能力和品质是化学课程的重要目标之一[4]。下面，以“饱和溶液与不饱和溶液”为例，对指向科学思维发展的化学数字化教学进行探究分析。一、教学主题与现状分析“饱和溶液与不饱和溶液”是《义务教育教科书化学九年级上册》（上海教育出版社出版）“溶液”一节的第三课时教学主题。笔者将溶质的质量分数提前至第一课时讲授，第二课时用以讲授物质的溶解性。“饱和溶液与不饱和溶液”是认识溶液的延续，是连接“物质的溶解性”和“物质的溶解度”的桥梁。本课教学旨在为学生定性分析向定量计算过渡做好铺垫，在第三单元的教学过程中起承上启下的作用。笔者查阅文献，发现目前教师对“饱和溶液与不饱和溶液”的教学创新主要表现在以下四点。一是实验改进及呈现方式的创新。教师对教材上的实验进行改进[5]，以播放实验演示视频和展示学生家庭实验视频等方式教学，提高效率。二是创建模型，挖掘概念背后的本质或原理。教师逐步引导学生用模型（如“冰墩墩”[6]等）表征饱和溶液和不饱和溶液的转化过程。此举弥补了单纯改进实验而忽视概念理解的不足，但过度地引导学生借助模型解释不同方法下饱和溶液和不饱和溶液的转化过程，有将简单问题复杂化之嫌，增加了学生的理解难度。三是创设情境改变传统教学模式。教师指导学生制作“天气预报瓶”[7]，以做促学，体验实验探究过程，享受化学学习乐趣，让学生在电影情节“潘东子运盐三计策”[8]中身临其境解决真实问题。这样教学仍然存在对概念缺乏深层理解的问题。四是利用数字化实验赋能化学课堂教学。邵敏[9]将氢氧化钙粉末逐渐加入水中，测量溶液电导率判断溶液的饱和状态。上述操作对数字化传感器在教学中应用潜力的挖掘尚浅。胡博凯[10]等将虚拟仿真实验融入课堂教学，因允许添加的溶质种类只有一种，且不能改变温度，故不能完整归纳并得出饱和溶液的正确定义。笔者借鉴上述经验，以帮助学生提升“科学思维”为目的，按照新课标提出的“能从定性和定量的视角说明饱和溶液的含义”的学业要求[11]，以数字化实验为突破口，精心设计，优化教学。二、教学设计思路（一）以活动为载体，发展学生的“科学思维”科学思维的内涵是像科学家一样思考与探究，在科学实践活动中，进行知识建构和推理应用[12]。皮亚杰认为，活动既是感知的源泉又是思维发展的基础。笔者尝试充分利用学生已有的概念，设置不同类型的探究活动，以问题驱动学生在活动中自主建构和完善概念并表达自己的观点，实现“科学思维”发展（如图1）。（二）借助数字传感器实验，帮助学生理解概念本质教师在教学中需要引导学生判断溶液的饱和状态——对于烧杯底部没有溶质固体的溶液，怎样验证溶液的状态呢？在教学中教师往往引导学生加入少量的溶质，让他们根据溶质是否溶解来判断溶液的状态。但是，人的肉眼能观察到极少量的固体的溶解吗？答案是否定的。为破解上述难题，笔者引入电导率仪，根据电导率的变化情况判断溶液的状态。学生发现随着溶解的溶质增多，溶液的电导率增大，继而认识到可以将电导率增大作为判断溶质能继续溶解的证据。这样教学可以渗透“证据支持假设”的思想，加深学生对概念本质的理解。（三）引入虚拟仿真实验，利于达成教学目标为解决实验较多、耗时较长的问题，在保证实验科学性的前提下，笔者利用相关平台的虚拟仿真实验对实验进行改进（实验装置如图2所示），避免学生因等待溶解和蒸发而感到枯燥乏味。实验现象逼真，浓度数据实时同步直观呈现，使“定性与定量相结合”的研究思想在学生心中生根发芽。笔者让学生分组改进实验，总用时少、成功率高。笔者采取一系列改进措施可使课堂活动在课内全部完成，有效达成教学目标。三、教学目标与教学流程（一）教学目标根据新课标的内容要求和学业要求，笔者为设定具体教学目标，让学生做到以下五点。其一，知道绝大多数物质在溶剂中的溶解是有限度的，了解饱和溶液的含义。其二，能總结饱和溶液和不饱和溶液相互转化的方法。其三，构建“饱和溶液”概念，体会科学概念的认识过程，学会运用类比、预测、推理、分析和归纳等科学方法解决科学探究过程中遇到的问题。其四，学会使用虚拟仿真实验装置、数字传感器，认识定量研究的意义。其五，解决生产生活中的问题，认识溶液在生产生活中的应用价值。（二）教学流程笔者设计了“饱和溶液与不饱和溶液”教学流程，纵向5个问题贯穿到底，横向6个实验、9项证据逐步推进，具体流程如下（如图3）。四、教学过程笔者设计系列活动和问题串，让学生在数字化工具的加持下思考和探究，完成实验任务，提升思维能力和实践能力。（一）初步构建“饱和溶液与不饱和溶液”概念活动1：探究在一定温度下，一定量的水能否无限溶解某种溶质。学生在仿真实验装置中任意选择固体溶质加入水中，观察实验现象和浓度传感器示数。设计意图：学生利用仿真实验室自主尝试与探索，了解到随着溶质的加入，溶液浓度变大，当溶液达到饱和后浓度不再改变。学生初步体会定性与定量相结合的思想，为后续使用电导率仪验证溶液饱和状态打基础。在教师的启发下，学生用自己的认知系统尝试解释，从而建立“饱和溶液”的初概念，即不能再溶解溶质的溶液。（二）修正“饱和溶液与不饱和溶液”概念活动2：实验探究硝酸钾饱和溶液能否溶解其他溶质。可选择的固体药品有硫酸铜、氯化钠、高锰酸钾。设计意图：无色溶液变成蓝色或紫红色，给学生带来强烈的视觉冲击。这有利于学生迅速得出结论，完成对初概念的第一次修正，即指出是哪种溶质的饱和溶液。实验探究分预测、观察、解释三步进行，为后续实验探究指明方向。活动3：讨论如何使饱和溶液中未溶解的硝酸钾固体溶解。设计意图：学生会想到采用振荡试管、加水、加热等方式溶解固体。此活动一方面为完成对“饱和溶液”概念的第二次修正打基础，另一方面为后续归纳饱和溶液与不饱和溶液的转化方法做铺垫。活动4：分组实验，使饱和溶液中未溶解的硝酸钾固体溶解。设计意图：在对活动3进行讨论的基础上，设计振荡试管、加水和加热三种方式的分组实验，提高课堂教学效率。实验中，学生发现采用振荡试管的方式并不能溶解固体，进而认识到振荡试管能加快溶解速率但无法增加溶解量。实验汇报中，有学生提到以加水或加热的方式使溶液变成不饱和溶液，其他同学找到了思维漏洞，从而自然引出问题：试管底部没有固体时，一定是硝酸钾的不饱和溶液吗？如何证明溶液是否饱和呢？学生想到以加溶质的办法观察能否继续溶解从而判断溶液是否饱和。教师进一步追问“加多少溶质”，引导学生意识到加入溶质的量要少，因为如果加入过多溶质，固体无法全部溶解，会导致现象不明显而无法判断。以此为活动5实验验证做方法铺垫。活动5：验证当试管底部没有固体时硝酸钾溶液是否饱和。设计意图：实验过程中，部分学生存在疑问“人的肉眼能否观察到极少量的固体的溶解吗”，引发全体学生讨论“如何判断加入的少量固体是否溶解”。至此，完成了对“饱和溶液”概念的第二次修正，即强调实验条件：温度一定、水量一定。如此逐层递进建立完整的概念，同时这也是总结饱和溶液和不饱和溶液的转化的实验依据。（三）用电导率判断溶液饱和情况活动6：讨论判断在溶液中加入少量固体是否溶解的方法。设计意图：在对活动5中的问题积极思考的基础上开展讨论，为下个环节以定量的方法用电导率判断溶液的饱和情况打基础。讨论中，学生想到要是有仪器能像仿真实验一样同步显示浓度值就好了——如果加入的固体溶解，浓度就变大。教师适时引出可以借助电导率传感器来判断，电导率数值与溶液溶度成正比，如果加入的固体后电导率变大，说明加入的固体溶解。活动7：演示如何用溶液的电导率判断溶液饱和情况（扫码看视频）。【步骤1】点击“采集数据”后，教师向水中加入少量氢氧化钙固体。提问1：电导率增大说明什么？提问2：一段时间过后，电导率不再变化，说明什么？提问3：此时溶液是饱和还是不饱和呢？提问4：接下来如何验证溶液是否饱和？【步骤2】教师向溶液中继续加入少量氢氧化钙固体。提问1：电导率增大说明什么？提问2：现在电导率趋于稳定，此时溶液是饱和还是不饱和呢？提问3：实验依据是什么？（学生观察到溶液变浑浊。）提问4：如果继续向烧杯中加入氢氧化钙固体，电导率曲线会变化吗？【步骤3】教师向溶液中再次加入少量氢氧化钙固体。【步骤4】停止采集数据，取上层液体注入新烧杯，重新置入传感器探头，点击“采集数据”。提问：电导率始终稳定在30000，氢氧化钙溶液的饱和状态变化了吗？【步骤5】教师向溶液中加入少量水。提问：电导率始终保持不变，说明加入少量水后，溶液的饱和状态如何？【步骤6】教师沿烧杯内壁缓慢倾倒大量水。提问1：电导率减小，溶液状态有何转变？提问2：综观整个实验，电导率数值和溶液饱和状态有何关系？设计意图：学生质疑用肉眼能否观察到极少量的固体的溶解情况，考虑改进实验。学生开展仿真实验，已知溶质溶解会造成浓度增大，联想到了可以测浓度判断溶解情况，继而在教师的提示下，以测定溶液电导率的方式判断溶质在水中的溶解情况。整个实验，学生向水中分三次加入氢氧化钙固体，再取上层液体加水，分析每步实验操作后电导率变化的原因，判断并验证溶液的饱和状态。数字化实验可以促进学生系统深入地学习知识，提升科学思维。（四）建立“饱和溶液”与“不饱和溶液”的转化关系活動8：讨论饱和溶液与不饱和溶液转化的方法和实验依据。设计意图：学生基于实验，总结饱和溶液与不饱和溶液相互转化的方法，逐步培养证据意识。讨论中，部分学生发现活动4中硝酸钾溶液冷却后有晶体析出，直观地感受结晶的神奇，并完善了将不饱和溶液转化成饱和溶液的方法。活动9：模拟蒸发溶剂的操作，使不饱和溶液变饱和。设计意图：学生开展仿真实验，模拟蒸发，可快速感知晶体析出的过程，对溶液状态转化再次深入总结，逐步形成矛盾的双方在一定条件下可以相互转化的辩证思想。用饱和溶液的概念解决实际问题，与引入问题相呼应，有利于学生理解化学在生活生产中的应用。五、经验总结对于本课的教学，笔者主要有以下三方面的经验与体会。（一）数字化实验赋能化学课堂教学教师开展虚拟仿真实验，将实验现象和浓度数值呈现，引导学生建立定性和定量相结合的思想。在实验中，学生质疑“人的肉眼能观察到极少量固体的溶解吗”，

想到可以用测量溶液溶度的办法判断。教师适时引入电导率传感器帮助学生探索化学概念的本质。教学真正发挥了数字化实验在定性与定量相结合、从宏观辨识转到微观探析、证据采集、信息汇总、交流分享等方面的作用。教师应积极主动顺应数字化趋势，利用数字化促进教学内容重构、流程再造、方式优化。（二）深度学习促进科学思维提升教师精心设计了五大驱动问题，以问题链推进课堂教学。在教师引导下学生逐步构建清晰深入的概念认知，学习知识