课题申报书：教育数字化转型中高中化学实验教学范式创新与实践探索研究

教育科学规划2025年度重点课题申报书、课题设计论证求知探理明教育，创新铸魂兴未来。教育数字化转型中高中化学实验教学范式创新与实践探索研究课题设计论证一、研究现状、选题意义、研究价值（一）研究现状随着信息技术的飞速发展，教育数字化转型已成为当今教育领域的重要趋势。在高中化学实验教学中，数字化技术的应用逐渐受到关注，为教学带来了新的机遇和挑战。当前，部分学校已开始尝试将数字化资源融入化学实验教学，如利用虚拟实验室软件让学生进行模拟实验操作，借助数字化传感器实时采集实验数据并以直观图表呈现，使实验结果更加精准、可视化。然而，教育数字化在高中化学实验教学中的普及程度仍有待提高，不同地区、学校之间存在较大差异。一些经济发达地区和重点学校在硬件设施、师资培训等方面投入较多，能够较好地开展数字化实验教学实践，且取得了一定成果，如提升学生学习兴趣、增强对实验原理的理解等。但在许多偏远地区或普通学校，受限于资金、技术支持以及教师信息化素养不足等因素，数字化实验教学的开展面临诸多困难，传统实验教学模式仍占据主导地位。从教学实践效果来看，已实施数字化实验教学的案例呈现出一些优势。一方面，数字化实验能够突破时空限制，为学生提供更多自主探究的机会，学生可以随时随地反复进行实验操作、观察现象，有助于培养其自主学习能力和创新思维。例如，通过虚拟化学实验室，学生能够模拟一些具有危险性或对实验条件要求苛刻的实验，如易燃易爆、有毒有害的化学反应，既保障了学生安全，又拓展了实验视野。另一方面，数字化技术所提供的精准数据采集与分析功能，有助于学生深入理解化学原理中的定量关系，提升科学探究的严谨性。如利用pH传感器实时监测酸碱中和反应过程中pH值的变化，让学生直观看到反应进程中细微的变化趋势，加深对化学反应本质的认识。然而，现有实践也暴露出一些问题。首先，部分教师对数字化技术与化学实验教学融合的深度理解不够，仅仅将数字化工具作为传统实验的简单补充，未能充分发挥其优势，构建全新的教学范式。其次，数字化教学资源质量参差不齐，一些虚拟实验软件存在与教材内容不匹配、操作不便捷、仿真度不够高等问题，影响了教学效果。再者，在教学评价方面，尚未建立起适应教育数字化转型的完善评价体系，仍多以传统的考试成绩、实验报告撰写为主，难以全面、客观地衡量学生在数字化实验学习过程中的综合素养提升情况。（二）选题意义契合教育发展趋势：当今时代，数字化技术正以前所未有的速度改变着社会各个领域，教育领域亦不例外。选择该选题顺应了教育数字化转型的时代潮流，探索如何将先进的数字化技术深度融入高中化学实验教学，是推动教育现代化、培养适应未来社会人才的必然要求。在高中化学教育中，实验教学是培养学生实践能力、科学思维以及创新精神的关键环节，通过数字化转型，能够为这一关键环节注入新的活力，使其更加符合新时代人才培养的需求。改进传统教学局限：传统高中化学实验教学受限于时间、空间、实验条件等诸多因素，存在一定的局限性。部分实验由于仪器设备不足、药品昂贵或具有危险性，无法让学生充分亲自动手操作；实验现象转瞬即逝，后排学生可能观察不清；实验数据采集往往依靠人工，精度有限且耗时费力。而教育数字化转型为解决这些问题提供了可能，借助虚拟实验、仿真模拟、实时数据监测等技术手段，能够让学生突破现实条件束缚，更全面、深入地参与实验探究，提升实验教学的质量与效率。培养学生综合素养：高中化学学科素养涵盖化学知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等多个维度，实验教学在其中起着核心支撑作用。通过数字化实验教学范式创新，学生不仅能够熟练掌握化学实验操作技能，更能在自主探究、数据分析、问题解决等过程中，培养创新思维、批判性思维以及团队协作精神。例如，在数字化探究实验中，学生需要自主设计实验方案、运用数字化工具采集和分析数据，并依据结果进行推理与论证，这一系列过程将有效提升学生的综合素养，为其未来的学习与工作奠定坚实基础。（三）研究价值理论完善：本研究有助于丰富教育数字化转型的理论体系，尤其是在高中化学实验教学这一特定领域。深入探讨数字化技术如何与化学实验教学深度融合，将从教学模式、学习理论、资源开发与利用等多方面为相关理论注入新的内涵。通过剖析数字化实验教学过程中学生的认知规律、教师的角色转变以及新型教学环境下师生互动模式的变化，进一步完善数字化教育时代的教学理论框架，为后续教育实践提供坚实的理论基石。实践指导：对于广大高中化学教师而言，研究成果将具有直接的实践指导价值。通过总结提炼出一系列可操作性强的数字化实验教学范式、策略与方法，包括如何选择合适的数字化教学资源、设计基于数字化平台的实验教学活动、引导学生在数字化环境下进行有效探究等，为教师日常教学提供清晰的行动指南。帮助教师克服在教育数字化转型初期面临的迷茫与困惑，使其能够自信、熟练地运用数字化技术开展化学实验教学，切实提升教学效果。同时，研究成果也可为教育行政部门制定相关政策、规划教育资源配置提供参考依据，助力教育数字化转型在高中化学教学领域的全面、深入推进。二、研究目标、研究内容、重要观点（一）研究目标构建高中化学实验教学数字化转型的新模式：结合数字化技术特点与高中化学实验教学目标，打破传统教学范式的束缚，设计并构建一套涵盖课前预习、课堂教学、课后拓展的全方位、多层次数字化实验教学新模式。该模式应充分体现学生的主体地位，激发学生自主学习与探究的热情，使实验教学流程更加优化、高效。开发与整合优质数字化实验教学资源：针对高中化学不同模块、不同类型的实验内容，筛选、开发与之相匹配的数字化教学资源，包括虚拟实验室软件、仿真实验动画、数字化实验数据采集与分析工具等。同时，建立资源整合平台，实现各类资源的有机融合与便捷共享，确保资源的丰富性、精准性与易用性，满足教师教学与学生学习的多样化需求。提升学生化学学科核心素养与数字化能力：通过创新的数字化实验教学实践，观察并记录学生在知识掌握、实验技能、科学探究、创新思维等方面的成长轨迹，分析数字化实验教学对学生化学学科核心素养提升的具体成效。同时，关注学生在运用数字化工具进行学习过程中数字化素养的养成，如信息检索、数据处理、软件操作等能力的发展，为学生适应未来数字化社会奠定基础。形成具有推广价值的实践案例与指导策略：在多所学校开展教学实践试点，总结提炼出一系列具有代表性、可操作性强的数字化实验教学成功案例。从教学方法、资源应用、课堂管理、教学评价等多个维度，归纳出行之有效的实践指导策略，为广大高中化学教师提供有益借鉴，推动教育数字化转型在高中化学实验教学领域的广泛普及。（二）研究内容高中化学实验教学现状调研：深入了解当前高中化学实验教学中数字化技术的应用程度、教师对数字化教学的认知与实践情况、学生对传统及数字化实验教学的反馈等。通过问卷调查、实地访谈、课堂观察等方式，收集不同地区、不同层次学校的数据，剖析现有教学模式存在的问题及面临的挑战，为后续研究提供现实依据。数字化技术在高中化学实验教学中的应用策略研究：依据高中化学课程标准与实验教学大纲，探索如何将虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、仿真模拟、大数据分析等数字化技术精准融入化学实验教学的各个环节。例如，在实验预习阶段，利用VR技术创设沉浸式虚拟实验室环境，让学生提前熟悉实验流程、仪器操作；在课堂教学中，借助仿真模拟软件展示微观化学反应过程，辅助学生理解抽象的化学原理；在实验数据处理环节，运用大数据分析工具帮助学生挖掘数据背后的规律，培养科学探究精神。数字化实验教学资源的开发与优化：针对高中化学实验的多样性，如物质制备实验、性质验证实验、定量测定实验等，开发与之适配的数字化教学资源。一方面，与专业软件公司合作或组织教师团队自主研发虚拟实验软件，确保软件在实验内容的科学性、操作的便捷性、现象的逼真度等方面达到较高水准；另一方面，整合网络上分散的优质数字化资源，建立资源库，并依据教学实际需求进行分类、标注与更新，方便教师和学生快速检索与使用。基于数字化的高中化学实验教学评价体系构建：摒弃传统单一以实验报告、考试成绩为主的评价方式，构建多元化、过程性的教学评价体系。充分利用数字化技术实时记录学生在实验预习、课堂操作、小组协作、课后拓展等各个阶段的表现，如参与度、操作熟练度、问题解决能力、数据处理能力等，通过数据分析为每个学生生成个性化的学习画像，为教师调整教学策略、实施精准教学提供有力支持，同时也让学生能够清晰了解自身学习状况，激发学习动力。（三）重要观点数字化转型是高中化学实验教学变革的核心驱动力：随着信息技术的飞速发展，数字化手段为高中化学实验教学带来了前所未有的机遇。它不仅能够突破传统实验在时间、空间、资源等方面的限制，还能以直观、动态、交互的方式呈现化学知识，激发学生学习兴趣，改变学生学习方式，促使教师教学理念与教学方法的更新，进而推动整个化学实验教学体系从教学目标、教学内容到教学评价的全方位变革。学生主体地位的彰显是数字化实验教学的关键落脚点：在数字化环境下，高中化学实验教学应更加注重学生的个性化需求、自主探究能力与创新思维的培养。通过为学生提供丰富多样的数字化学习资源与自主学习平台，让学生能够根据自身学习进度与兴趣爱好，主动参与实验设计、操作、分析与反思，真正成为学习的主人。教师则从传统的知识传授者转变为学习引导者、组织者与促进者，围绕学生的学习需求提供精准指导与支持，确保教学活动始终围绕学生展开，促进学生全面发展。数字化与传统实验教学应深度融合、协同发展：尽管数字化实验教学具有诸多优势，但传统实验教学在培养学生基本实验技能、动手操作能力、真实情境体验等方面仍有着不可替代的作用。因此，在教育数字化转型进程中，应避免盲目追求数字化而摒弃传统实验，而是要将二者有机结合，发挥各自所长。例如，对于一些基础实验操作训练、现象直观明显的实验，传统实验教学可夯实学生基本功；对于一些复杂、微观、具有危险性或对实验条件要求苛刻的实验，数字化实验教学则能提供有力补充，二者相辅相成，共同提升高中化学实验教学质量。三、研究思路、研究方法、创新之处（一）研究思路本研究将遵循理论与实践相结合、定性与定量相融合的研究思路，按以下步骤有序推进：准备阶段：首先，组建涵盖化学教育专家、一线化学教师、教育技术人员的跨学科研究团队，明确各成员职责与分工，确保研究工作的专业性与全面性。团队成员通过系统学习教育数字化转型相关理论，深入剖析高中化学实验教学大纲与课程标准，精准把握研究方向与重点。同时，广泛收集国内外已有相关研究文献资料，运用文献计量分析等方法梳理研究现状，找出当前研究的热点、难点与空白点，为后续研究奠定坚实理论基础。在此基础上，制定详细的研究方案，包括研究目标、内容、方法、步骤以及预期成果等，确保研究工作有条不紊地开展。现状调研阶段：依据研究方案，选取不同地区、不同层次的高中学校作为样本，综合运用问卷调查、实地访谈、课堂观察等多种方法，全面深入了解高中化学实验教学中数字化技术的应用现状。从学校硬件设施配备、教师数字化教学素养与实践、学生对数字化实验教学的接受度与反馈等多个维度收集数据，并运用统计分析软件进行量化分析，结合案例剖析，精准诊断现有教学模式存在的问题及其根源，明确教育数字化转型面临的现实挑战，为后续实践探索提供现实依据。实践探索阶段：以问题为导向，依据前期调研结果，结合现代教育教学理论与数字化技术特点，设计并开发具有针对性的高中化学数字化实验教学范式与资源。在多所试点学校开展教学实践，采取行动研究法，边实践边反思，不断优化教学方案。例如，在实验预习环节，利用虚拟现实（VR）技术创建虚拟实验室，让学生身临其境地熟悉实验流程、操作仪器，激发学习兴趣；课堂教学中，借助仿真模拟软件展示微观化学反应过程，辅助学生理解抽象化学原理，同时运用数字化传感器实时采集实验数据，引导学生基于数据进行探究分析，培养科学思维；课后，通过在线学习平台布置拓展任务，鼓励学生自主探究，深化知识理解。在实践过程中，注重收集过程性数据，包括学生的课堂表现、学习成绩、问卷调查反馈、教师教学反思日志等，以全面评估教学实践效果。总结推广阶段：对教学实践过程中积累的丰富资料进行系统整理与深入分析，运用扎根理论等方法，从大量实践案例中提炼出具有推广价值的高中化学数字化实验教学模式、策略与方法。构建多元化教学评价体系，不仅关注学生知识技能掌握情况，更注重对学生化学学科核心素养、数字化能力等综合素养发展的评价，通过对比分析验证数字化实验教学对学生成长的促进作用。在此基础上，撰写研究报告，制作教学案例集、资源库等成果，通过举办学术研讨会、教师培训等活动，将研究成果向更广泛的教育领域推广，为推动高中化学实验教学数字化转型提供有益借鉴。（二）研究方法文献研究法：全面搜集、整理国内外关于教育数字化转型、高中化学实验教学以及二者融合应用的相关文献资料，包括学术期刊论文、学位论文、研究报告、专著等。通过对文献的系统梳理，了解前人在该领域的研究成果、研究方法与实践经验，明确研究现状与发展趋势，为本研究提供坚实的理论基础与研究思路借鉴。例如，分析已有研究中数字化技术在化学实验教学各环节的应用模式，找出可借鉴之处以及有待完善的方向，避免重复劳动，使研究站在更高起点上推进。调查研究法：设计科学合理的调查问卷、访谈提纲与课堂观察量表，选取不同地区、不同类型高中学校的化学教师与学生作为调查对象，从多个维度收集高中化学实验教学现状信息。问卷调查主要了解教师对数字化技术的掌握程度、应用现状、教学需求以及学生对传统与数字化实验教学的态度、学习体验等；访谈则针对问卷中发现的重点问题，深入挖掘教师在教学实践中面临的困难、对数字化转型的期望以及学生的个性化需求；课堂观察聚焦于真实课堂情境下实验教学的实际开展情况，包括数字化技术的使用频率、方式、效果等。对收集到的数据运用统计软件进行量化分析，结合质性分析方法深入解读数据背后蕴含的信息，精准把握当前高中化学实验教学数字化转型存在的问题与挑战，为后续研究提供现实依据。行动研究法：在多所试点学校开展高中化学数字化实验教学实践，研究团队与一线教师紧密合作，以解决实际教学问题为出发点，按照“计划行动观察反思”的循环模式，边实践边研究。在实践过程中，依据前期调研结果与理论指导，制定详细的教学计划，包括教学目标、教学内容、教学方法以及数字化资源的运用等；教师在课堂中付诸实践，研究团队实时观察记录教学过程、学生反应等情况；课后，组织教师与研究人员共同反思教学效果，分析实践过程中遇到的问题，如数字化资源与教学内容的适配性、学生操作熟练度提升、教学组织形式优化等，并据此调整教学计划，开启下一轮实践。通过多轮循环，不断优化数字化实验教学模式与策略，提升教学质量，同时积累丰富的实践案例与经验。案例分析法：选取具有代表性的高中化学数字化实验教学案例，包括成功案例与典型问题案例，进行深入剖析。从教学目标设定、教学内容组织、数字化技术应用方式、教学过程实施、教学评价设计以及学生学习效果反馈等多个维度，运用课堂录像分析、学生作品分析、教师教学反思等资料，详细解析案例的优势与不足。通过对比不同案例之间的差异，总结数字化实验教学实践的关键要素与有效策略，为广大教师提供直观、可操作的实践参考，同时也为研究成果的提炼与推广提供有力支撑。例如，对比分析采用虚拟实验室进行实验预习的不同案例，总结出提升预习效果的最佳实践方式，如虚拟实验任务的设计、引导学生自主探究的方法等。（三）创新之处教学范式创新：突破传统高中化学实验教学以教师演示、学生模仿为主的单一模式，构建以学生为中心的数字化探究式教学范式。在该范式下，学生借助数字化平台，在课前自主预习实验知识、规划实验方案；课堂上，利用虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等技术沉浸式体验实验过程，运用数字化传感器实时采集与分析实验数据，自主探究化学原理；课后，通过在线学习社区与同学、教师交流互动，拓展实验探究深度与广度。这种全程参与、自主探究的教学范式，充分激发学生学习兴趣与主动性，培养创新思维、实践能力与合作精神，有效提升学生化学学科核心素养。技术融合创新：将多种前沿数字化技术深度融合应用于高中化学实验教学，发挥技术协同优势。例如，整合虚拟现实（VR）与仿真模拟技术，创建高度逼真的虚拟化学实验室，学生不仅能直观观察实验现象，还可模拟操作复杂实验仪器、自主设计实验流程，解决传统实验受时空、资源限制的问题；结合大数据分析与人工智能技术，对学生在数字化学习平台上产生的海量学习数据进行深度挖掘，精准分析学生学习行为、知识掌握薄弱点，为教师提供个性化教学建议，实现精准教学。通过多技术融合创新应用，为高中化学实验教学打造智能化、沉浸式学习环境，提升教学效能。评价体系创新：摒弃传统以实验报告和考试成绩为主的终结性评价方式，构建基于数字化技术的多元化、过程性教学评价体系。利用学习管理系统（LMS）实时记录学生在实验教学各个环节的表现，包括预习参与度、虚拟实验操作熟练度、课堂互动情况、小组协作能力、数据处理与分析能力等多维度数据；引入电子档案袋评价，收集学生在数字化学习过程中的作品、反思日志等资料，全面反映学生学习成长轨迹；借助人工智能自动批改与教师人工评价相结合的方式，对学生实验报告、在线测试等进行及时反馈，不仅关注知识结果，更注重学习过程评价。通过创新评价体系，激励学生积极参与数字化实验学习，为教师调整教学策略提供科学依据，促进教学相长。四、研究基础、条件保障、研究步骤（一）研究基础前期实践成果：在过往的教学实践中，课题组成员已积极尝试将部分数字化技术引入高中化学实验教学。例如，利用化学实验教学软件开展虚拟实验，辅助学生进行实验预习，使学生提前熟悉实验流程与仪器操作，有效提高了课堂实验的成功率；运用数字化传感器进行简单的化学定量实验，让学生直观感受数据的动态变化，增强了学生对化学原理的理解深度。这些初步探索不仅积累了一定的实践经验，还获得了学生和同行教师的积极反馈，为本次深入研究奠定了实践基础。团队成员经验：本研究团队成员结构合理，涵盖了化学教育专家、一线高中化学骨干教师以及精通教育技术的专业人员。化学教育专家具有深厚的学科理论造诣，能够为研究提供坚实的理论指导，把握研究方向的科学性与前沿性；一线骨干教师长期扎根教学一线，熟悉高中化学实验教学的实际情况，对学生的学习需求、教学难点痛点有着敏锐的洞察力，他们在日常教学中已积累了丰富的教学实践经验，能够将研究成果有效转化为教学行动；教育技术人员则精通各类数字化技术，擅长将先进技术与教学需求精准对接，开发出符合教学实际的数字化资源与工具，保障研究中的技术实现与应用创新。团队成员过往参与多项教育科研项目，具备严谨的科研态度和扎实的研究方法运用能力，在教育研究领域已取得了一定的成果，发表了多篇相关学术论文，这些都为课题的顺利开展提供了有力的人才支撑。（二）条件保障人力支持：学校高度重视本课题研究，调配校内优质师资力量全力参与。从化学学科组选拔出教学经验丰富、对教育数字化有浓厚兴趣且勇于创新实践的骨干教师，作为课题实践的核心力量，他们能够全身心投入到教学实验、数据收集与分析等一线研究工作中。同时，学校邀请校外化学教育专家组成顾问团队，定期为课题研究提供专业指导，把关研究方向、方法与成果质量，确保研究的科学性与学术性。此外，教育技术部门安排专业人员与课题团队紧密合作，负责解决数字化技术应用过程中的技术难题，保障各类教学软件、硬件设备的稳定运行与持续优化，为课题研究提供全方位的人力支持。物力支持：学校已配备了较为先进的信息化教学设施，如多媒体教室、计算机实验室、智能录播系统等，满足课题研究中线上教学、虚拟实验、课堂实录等多样化需求。在化学实验教学方面，拥有齐全的常规实验仪器与药品，同时购置了一批数字化实验设备，包括高精度的传感器（如pH传感器、温度传感器、压强传感器等）、数据采集器以及配套的实验分析软件，为开展数字化化学实验提供了硬件基础。此外，学校图书馆拥有丰富的教育类、化学学科类以及信息技术类书籍期刊，校园网络畅通，方便课题组成员随时查阅国内外最新研究资料，获取前沿信息，为课题研究创造了良好的物力条件。资金支持：学校设立专项科研经费，全力保障课题研究的资金需求。经费主要用于以下几个方面：一是购置研究所需的数字化教学资源、软件工具以及实验设备的更新维护，确保研究硬件条件与时俱进；二是支持课题组成员参加各类学术培训、研讨会，拓宽研究视野，学习最新的教育理念与技术应用方法，提升团队整体研究水平；三是用于调研活动的开展，包括问卷印刷、调研差旅费等，确保能够深入不同地区学校收集全面准确的研究数据；四是对研究成果的整理、发表与推广提供资金支持，如论文发表版面费、教学案例集印刷费等，助力研究成果的广泛传播与应用，为课题的顺利推进提供坚实的资金后盾。（三）研究步骤第一阶段：准备阶段（第13个月）组建跨学科研究团队，明确团队成员职责分工，涵盖化学教育专家、一线教师、教育技术人员等，确保研究的专业性与全面性。组织团队成员开展系统的理论学习，深入研究教育数字化转型相关理论、高中化学课程标准与实验教学大纲，精准把握研究方向与重点。全面收集国内外教育数字化与高中化学实验教学融合的相关文献资料，运用文献计量分析等方法进行梳理，撰写文献综述，明确当前研究热点、难点与空白点，为课题研究奠定坚实理论基础。结合前期调研与理论学习成果，制定详细的课题研究方案，包括研究目标、内容、方法、步骤以及预期成果等，细化任务分工与时间节点，确保研究工作有条不紊开展。第二阶段：现状调研阶段（第46个月）依据研究方案，选取不同地区、不同层次的高中学校作为样本，采用分层抽样的方法，确保样本的代表性。设计科学合理的调查问卷、访谈提纲与课堂观察量表，针对化学教师与学生展开全面调研。问卷调查聚焦教师对数字化技术的掌握程度、应用现状、教学需求以及学生对传统与数字化实验教学的态度、学习体验等；访谈则围绕问卷中发现的重点问题，深入挖掘教师在教学实践中面临的困难、对数字化转型的期望以及学生的个性化需求；课堂观察着重记录真实课堂情境下实验教学中数字化技术的使用频率、方式、效果等。运用统计软件对收集到的大量数据进行量化分析，结合质性分析方法深入解读数据背后蕴含的信息，精准剖析当前高中化学实验教学数字化转型存在的问题及其根源，撰写详细的现状调研报告，为后续实践探索提供现实依据。第三阶段：实践探索阶段（第718个月）以问题为导向，依据前期调研结果与现代教育教学理论，结合数字化技术特点，设计开发具有针对性的高中化学数字化实验教学范式与资源。如针对物质制备实验，开发虚拟实验软件，让学生在虚拟环境中自主设计实验方案、操作仪器，模拟真实实验过程；针对微观化学反应原理学习，运用仿真模拟技术制作动画，直观展示分子、原子层面的变化过程。在多所试点学校开展教学实践，采取行动研究法，按照“计划行动观察反思”的循环模式推进。首先制定详细的教学计划，明确教学目标、内容、方法以及数字化资源的运用细节；教师在课堂中付诸实践，研究团队实时观察记录教学过程、学生反应等情况；课后，组织教师与研究人员共同反思教学效果，分析实践过程中遇到的问题，如数字化资源与教学内容的适配性、学生操作熟练度提升、教学组织形式优化等，并据此调整教学计划，开启下一轮实践。通过多轮循环，不断优化数字化实验教学模式与策略，提升教学质量，同时积累丰富的实践案例与经验。在实践过程中，注重收集过程性数据，包括学生的课堂表现、学习成绩、问卷调查反馈、教师教学反思日志等，建立完善的教学实践数据库，为后续深入分析教学效果提供数据支撑。第四阶段：总结推广阶段（第1924