利用信息技术和诊断手段促进学生深度学习

钱颖丹

摘要： 为探索信息技术赋能学生深度学习的有效路径，教师以化学实验“金属防护和废金属回收”为例，设计了基于数据诊断的自主学习型实验教学流程，利用数据诊断技术精细分析学生自主学习的效果，借助传感器技术引导学生深入探究铁生锈的原理和过程，实现学生从自主学习到探究学习、从浅层学习到深度学习的转变，培养了学生获取信息、整合知识、探索研究的素养和能力。

关键词：化学;数据诊断;数字化实验;自主学习;深度学习

深度学习指学生在教师引领下，围绕具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程。深度学习的主体是学生。在教师的引导下，学生根据当前学习活动去联想、调动、激活以往经验，以融会贯通的方式对学习内容进行组织，从而构建自己的知识结构，并能将内化的知识外显^[1]。信息技术赋能可促进深度学习的发生，教师根据数据反馈，聚焦学生问题，组织教学活动，调整教学节奏，能够有效帮助学生构建新知、化解困难、克服困难、提升能力^[2]。“双减”背景下，如何利用信息技术促进学生深度学习，提高课堂教学有效性，是一个值得研究的问题。

一、基于数据诊断的自主学习型实验教学流程的设计

笔者按照以下思路设计数字化实验教学：教师基于课前、课中、课后的数据反馈，聚焦学生遇到的真实问题，针对重点目标、关键内容并结合学生实际开展精准教学活动（如图1）。笔者在学生合作探究深化学习阶段引入传感技术，增强学生的直观感知，引导学生多角度深入探究化学问题，培养学生实验探究和实验分析能力，促进学生深度学习，优化学生学习和协作的质量、广度和深度。这是提高学生思维水平，发展科学思维能力，促进学生化学学科核心素养发展的有效方法。

笔者以沪教版《化学》九年级上册第五章第三节“金属防护和废金属回收”为例，探索化学实验教学的新路径、新流程。在生活中，学生已经知道钢铁制品在表面不洁、潮湿空气等条件下容易生锈，也掌握一些简单的防止钢铁生锈的方法，但对于到底是哪些因素导致钢铁锈蚀和如何防止钢铁锈蚀未能深入探究。为了解决这一问题，笔者引导学生自主学习，对相关知识进行初步归类。基于此，笔者以学生自主学习为课程教学起点，设计了如下教学流程（如图2）。

以学生课前预习为起点，笔者根据数据反馈结果精准锁定学生在自主学习过程中遇到的问题，带领学生总结铁生锈实验探究的原理和方法、铁生锈的条件及相关知识。之后，笔者以铁生锈过程是否消耗空气中的氧气为起点问题，借助传感器更深入地探究铁生锈的原理并进行相应的数据分析，让学生了解信息技术在化学实验中的应用。最后，以铁生锈由“弊”转“利”为拓宽问题，开展数字化实验，让学生了解铁生锈反应在生活中的应用，认识化学的价值。

二、科学使用技术手段全程助力学生深度学习

（一）基于数据，解决问题

笔者根据教学需要，设计了课前预习知识检测。学生解决问题的情况持续反馈到数据端并被统计、分析。笔者查阅诊断报告，精确分析学生对不同知识点的掌握情况，了解学生在学习中遇到的问题。在课堂教学中，笔者对学生未掌握的知识进行查漏补缺，为学生设计有针对性的个性化学习方案。针对学生课前自主学习遇到的问题，课堂上笔者组织学生分组交流、研讨，让每位学生自主思考，公平实践、探究、表达，完整参与学习全部过程，提出自己的疑问和解决问题的方案，并进一步探索、修订和优化，从而学会高效学习。

笔者在查阅学生课前自测成绩和得分率统计图表（如图3）后发现，学生在第3、4、5、6小题上得分率较低，对应的知识点分别是：（1）铁生锈实验操作的作用;（2）防锈的原理;（3）铁锈的结构。

课堂教学中，笔者向学生展示其课前预习结果，让学生按以下流程分组交流：先组内合作解决课前预习遗留问题;再交流收集到的与金属生锈、金属防护以及废金属的有关信息。

学生针对教材上的实验（如图4），研讨如下问题：（1）试管②中水为什么要煮沸？（2）试管④中稀硫酸或者醋酸为什么要倒去？（3）试管①②为何要加橡皮塞？（4）防锈的原理有哪些？（5）铁锈是怎样的结构，与氧化铝结构有何差异？（6）如何利用5支试管做对比实验得到铁生锈条件的？

小组展示其归纳知识的结果，并补充完善（如图5）。笔者让学生课前自主学习，基于精准的数据分析结果在课堂上组织研讨活动，调动了学生学习的积极性，同时以讨论修正、争论辨析、结果分享，取代单纯的记忆、模仿和练习，关注学生的体验、理解和思考。

（二）巧用技术，深度研讨

在学习过程中，学生获取知识、加深理解和迁移应用是交叉进行的——只有在理解中尝试应用，才能在应用中加深理解，构建新的认识，形成新的思路和方法。教师要促进学生深度学习，就要为学生设计深度互动的学习过程。学生深度学习有利于他们利用所学知识、技能和方法解决问题。学生只有在学习中遇到情境特别是与现有认知冲突的问题，才能真思、真做。教师让学生面对真困难，解决真问题，有利于锤炼其意志品质，提高能力和素养。

教师利用问题链，通过主干问题驱动学生深入思考、构建知识，让学生在解决问题的过程中积累学科活动经验并体验学科问题解决的思路和方法，在冷静思考后表达交流，是促进学生深度理解的有效途径^[3]。应用传感器开展化学实验为学生深度探究提供了技术条件。基于传感器的数字化实验具有操作方便、测量准确、现象直观、原理可视等优点，结果表达具有数据化、图像化的特点，可以展现动态的数据链，有助于提高学生解决问题、数据分析的能力。教师用传统方法做化学实验往往只能粗略定性探索反应原理，运用数据传感器则可实现化学实验定量化和精密化，便于学生分析数据，探究规律。例如，学生参考教材上介绍的方法，观察5支试管在实验中的现象并进行对比，只能得出铁生锈需要“与空气接触”的结论，而不能得到“与氧气反应”的结论，实验结论较为模糊。教师开展数字化实验，则可以将教材内容作为研究的起点，引出问题让学生延伸探究，形成问题链，步步深入。

在课堂教学中的合作探究环节，笔者陈述问题：阅读教材，思考5支试管提供的条件是空气，何以确定铁生锈一定是与空气中的氧气作用造成的。学生立刻陷入深思。在学生困惑之际，笔者为学生提供了有效的检测工具——氧气数字传感器。笔者现场实验，对于氧气浓度不断减小的情况学生直观可见，实验数据直接说明问题。

至此，通过研讨形成如下问题链：

（1）课前教师参考教材选取5支试管利用氧气传感器进行了测量，形成相应的反应时间和氧气浓度的图像（如图6），对比实验数据看看能得到哪些与铁生锈条件有关的信息。

（2）进一步利用温度和压强传感器检测得到与铁生锈有关的其他数据，分析实验数据，看看对铁生锈过程有哪些更深的认识（如图7、图8）。

（3）根据传感器数据结果，回顾教材第一单元铁生锈实验，解释红墨水倒吸很慢的原因。

化学反应原理一般都较为抽象。教师演示教材上的铁生锈探究实验，现象明显，用它引导学生分析铁生锈的原理，可以增强学生的感性认识，但是现象尚不能直接揭示反应原理，铁生锈是否真的是与氧气发生反应，学生并无直观感受。传感器实验在现象和原理之间筑起桥梁，并且能多角度测量反应系统中的多种物理量的变化，将其直观呈现在学生面前，揭示反应实质。此次实验要求学生学会利用控制变量法来进行实验探究。学生利用传感器测量，可以从定量的角度用对比法探究。这不仅是控制变量法的再利用，而且是对知识的深度探究。同时，该数字化实验增加了压强和温度传感器的测量，丰富了实验数据，深化了学生对铁生锈过程的认识——不仅仅是教材上描述的缓慢放热，而且是基于真实的数据。此外，教师关联已有知识经验（铁丝生锈实验），引导学生再分析、再判断、再辩证，能培养学生的科学能力和精神。

（三）拓展思维，学以致用

实现深度学习最显著的标志之一，是学生能够将学到的知识、技能、方法运用到真实问题的解决中。学生解决生活中的实际问题，有利于主动地提出问题，分析问题，解释现象;或者经过分析推理，沟通交流，最终解决问题。教师应用数字传感器探究实际问题，可以增加情境素材的丰富性，通过数据在情境和知识之间建立联系，让学生去理解、领会、评判、体验、感受，让知识“活起来”，将学习过程转变为学生能力发展的过程。除了利用数据传感器探究教材上的实验，师生还探究了铁生锈反应的实际应用——暖贴是如何发热的，将知识应用于生活，解决实际问题。笔者使用传感器对暖贴进行测量，得到温度和氧气浓度随时间的变化图像（如图9），与普通的铁生锈过程进行比较，让学生分析实验数据，得到相关结论。

同时，学生根据数据分析情况，应用所学知识，进一步讨论“利用铁生锈测定空气中氧气含量和利用红磷测定空气中氧气含量两组实验各有什么优缺点”（如图10），拓宽思维，交流讨论，批评辨析，真正理解知识，而不只是简单记忆。课堂结尾，笔者联系生活实际讲解双吸剂的应用原理，让学生认识到数据分析具有很大的应用价值。

（四）总结反思，当堂检测

笔者带领学生总结后，利用当堂检测、数据扫描和分析等手段，及时把控学生学习状况，使学生的学习实现闭环。课堂上，笔者当堂检测，在技术支持下扫描、统计，快速找到学生在学习过程中存在的问题;课后，通过“学生自纠”“同伴互助”“教师指导”等形式进行矫正。教师通过数据分析，掌握学生的具体需求，不仅能实时捕捉有效信息，根据学生遇到的困难及时干预，而且能帮助学生巩固、深化和运用所学知识，直至最终达成学习目标。

三、信息技术助力精准教学实现学生素养提升

笔者开展实验教学，基于数据，应用技术，收到实效，促进了学生深度学习。

（一）智慧教学，实现自主学习、自主探究

深度学习的主要特征就是要让学生进行“活动与体验”，即让学生主动研究而不是被动接受知识，用身心去体验知识的发生、发展和形成。学生主动学习活动的发生离不开教师的引导，也离不开教师对学生学习过程的精心设计。笔者在课前安排学生自主学习，利用数据扫描技术找到学生学习的薄弱点;用数据扫描技术当堂检测，评估学生学习的效果，分析个体差异;让学生分组合作，自主学习，沟通交流;利用信息技术启发学生对铁生锈知识进一步探究，引导学生自主探索、思考、合作释疑，都是为了实现学生深度学习。学生在学习过程中质疑、探究、归纳、演绎，在知识和内容之间建立了紧密联系。

（二）善用技术，实现探究体验、深度思考

笔者带领学生使用传感器对铁生锈过程中的数据变化进行分析，实现了从定性到定量、从粗略到精准、从浅表到深层的科学探究。如此，教学不再是简单讲授、反复记忆和重复训练，而是利用精准实验，让学生体验到数据也可以“说话”。教学中，改进实验用以验证化学原理，启发诱导学生探究，从认知、意志、情感、行为多角度促进学生发展，帮助学生把握知识的内在联系和本质，同时在实验过程中通过传感器的数据分析技术的应用，增大了学生的思维容量，促进了学生思维进阶发展，帮助他们理清思路、提炼方法，提高了批判性思维和创新能力。

（三）联系生活，实现迁移应用、素养提升

学生面对陌生的、较复杂的真实问题，能够较快地形成整合资源、分析问题、解决问题的能力（特别是深度学习能力），是教师教书育人的追求。培养这种素养最重要的载体就是情境素材。学生在解决真实问题的过程中能将知识进行有效转化、应用。在学生掌握知识、技能、方法后，笔者还为学生提供了真实的生活素材暖贴，将数据传感器的测量结果作为解决问题的支架，让学生探索、发现新知，并进一步联系原有知识（铁生锈实验），深度解决问题。笔者设置的问题具有开放性并且留给学生足够的时间进行研讨。学生在探讨过程中，独立思考，互相评判，提出疑问，持续反思，最终得到结果。

注：本文系江苏省基于测试分析的跟进式改革项目重点课题“基于数据诊断深化自主学习型课堂建设的研究”（课题编号：2019jyktzd-03）、江苏省中小学教学研究第十二期重点课题“初中化学促进深度学习的课例研究”（课题编号：2017JK12-ZB11）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] 刘月霞，郭华.深度学习：走向核心素养[M].北京：教育科学出版社，2018.

[2] 梅建芬.重构·迭代·创生：自主学习型课改实践优化路径[J]. 中小学数字化教学，2021（12）：69-73.

[3] 唐恒钧，张维忠，陈碧芬.基于深度理解的问题链教学[J].教育发展研究，2020（4）：53-57.

（作者系江苏省常州市武进区湖塘实验中学教师）

责任编辑：祝元志