现代教育技术与化学教学深度融合实践研究——以“科学探究与创新意识”维度核心素养的培养为例

冯文俊 曹文秀

（1.福建师范大学附属中学，福建 福州 350007；2.福州第十一中学，福建 福州 350001）

现代教育技术是指以计算机为核心的信息技术在教育、教学领域的运用。［1］2018 年4 月，教育部制定下发了《教育信息化2.0 行动计划》，明确提出要持续推动现代教育技术与教育深度融合，促进教育信息化从融合应用向创新发展的高阶演进，信息技术和智能技术深度融入教育全过程。此文件为打造信息化平台下的教育教学活动提供设计基础，加快教育现代化和教育强国建设，实现“教育信息化1.0”到“教育信息化2.0”的跨越。《普通高中化学课程标准（2017 年版2020 年修订）》提出，应鼓励教师运用现代教育技术提高课堂教学效率和质量，强化现代教育技术与化学教学的深度融合，促进教师教学方式和学生学习方式的改变。［2］

目前信息化软件的建设和应用是教育信息化2.0行动的重心，如何将现代教育技术与学科核心素养融合，是化学教学亟待解决的问题。

一、现代教育技术与化学教学融合的意义

2015 年，长江教育研究院推出的《中国教育黄皮书》，强调了现代教育技术与教育深度融合是教育改革与教育发展的双重需要。不仅需要从宏观的教育层次来研究探讨信息化教育改革，同时要从具体的教学层次来分析，由此引发的思考是信息化给教学，尤其是化学教学带来了什么。

顾明远认为，教学是以课程内容为中介的师生双方教和学的共同活动。［3］教师是活动的主导，学生是活动的主体，主导与主体通过寻找资源、途径、平台围绕教学目标进行教学活动。信息化并没有改变教学的关系，而是对教学的系列关系的强化，将教学目标更精确细化至每一个学生每一个知识每一个问题，将教学平台从课内拓展至课外，为教学提供了互动、立体、高清的数字化资源。现代教育技术丰富了信息的表征形式、流动方式、交流模式，从而实现教学系统诸要素“信息化”。［4］

因此，现代教育技术是在强化教师的主导作用，是强化课堂教学素养目标的辅助手段，是强化教与学信息及信息资源传递效率的承载平台。

二、现代教育技术与化学教学融合的诉求

在化学课堂中，实验是不可或缺的教学方式，学生可以在主动性实验中获取化学知识和能力，提升核心素养；化学也是宏微结合紧密的学科，在看得见的现象下，需要通过看不见的微观结构进行解释说明；化学还是与生活、生产联系紧密的学科，获取知识结论的方式随着学习年级的提高，学习情境从生活延伸到生产，从身边事物延伸到理论与理想实验、工业实践等等。因此教学中需要不断延伸课堂的空间，培养学生合理的逻辑推理能力与想象能力。

（一）真实与虚拟的融合，拓宽认识的大门

在中学阶段化学研究的对象范围主要是微观结构和宏观变化，因此现代教育技术在化学课堂中应注重对微观世界和宏观变化的展示。在化学教学中常用多媒体技术来展示化学反应的内在机理，比如使用计算机模拟微观世界，可生动展示各种微粒的分解和新物质的形成过程。虚拟实验能够将微观的化学实验现象宏观化，把抽象的化学概念具体化，并通过多感官的刺激强化学生的感知。［5］在无限模拟现实的同时，又增强虚拟的效果。

现代教育技术的应用曾经让真实的世界走向虚拟的环境，由于早期技术的制约，让学习者更多感受到的是不真实的现实，但这是真实与虚拟融合的第一步，即将真实进行虚拟。随着现代教育技术的发展，高清高速摄像技术将真实的变化过程从宏观向中观延伸，例如“美丽化学”的视觉产品带来了更美观、更细微、更震撼的认识体验。同时，在虚拟技术不断发展的环镜下，真实与虚拟的界线在慢慢模糊，虚拟现实与增强现实所代表的虚拟技术把实验场景从平面向立体空间延伸。真实的信息是什么，是真实的操作场景，真实的操作过程，真实的现象，真实的实验数据体现，真实的体感反馈。通过虚拟技术展现这些“真实”，是真实与虚拟融合的第二步。

（二）模拟与数字的融合，打开知识本质的窗口

信息化教学内容的呈现是教学重要的需求之一，在必修教学阶段为了降低学生认知的负荷，满足对学习化学兴趣的提升需求，以模拟化信息为主，在选修教学阶段，特别是化学反应原理和物质结构与性质模块，增强了对化学变化内在规律解释和学生认知能力的要求，需要更多数据支撑文字、图片、视频信息的解释，底层数据所体现的本质过程才是化学所需要的。在化学学科核心素养中，每一个维度的素养内容中，均提出对数据信息的获取和处理的要求，丰富的数字化信息可以为核心素养的培育提供有力的技术支持。

要实现模拟与数字信息的融合，在真实实验过程中，可以通过手持技术实现数据的呈现，在虚拟环境下，需要通过预设的数据库反映真实的实验过程，例如以NOBOOK 软件为代表的国产虚拟实验软件，注重对实验数据的呈现，并依据实验数据模拟实验现象的变化（如图1）。由于问题的出现是设定的而不是随机或意外出现的，软件背后需要庞大数据库的支撑，虽然目前呈现的实验结果的可选项不多，但这是虚拟实验的发展方向。

图1 实验室制取氯气虚拟实验的数据呈现图

（三）共性与个性的融合，搭建效率的平台

化学思维注重多线性的逻辑关系，在不同线性关系中需要调用不同模块的知识进行重组，因此，学生在解决问题时会遇到各自不同的障碍。信息化教学应结合学生共性和个性的需求。在共性模式下，学生完成相同的学习内容，呈现共同的学习障碍点；在个性模式下，不同的学生对同一问题产生不同的反应和不同的疑惑，凸显个体的差异性。通过ISR 智慧教室系统即时反馈、网络平台反馈等现代教育技术，可有效诊断学生共同的认知障碍，分离个体困惑和独特的思考角度，有助于教师进行针对性的知识补偿。从共性走向个性，是信息化教学的重要价值体现，同时也是大数据时代数据资源获取的需求。

三、现代教育技术与化学核心素养融合的分析

现代教育技术的使用是为更好达成教学中的素养目标，在教学中何时使用何种现代教育技术，能对核心素养的培养起到更好的融合作用，这既要熟练掌握好技术本身的使用，还要明晰信息化技术如何辅助教学环节需要达到的目标，以体现现代教育技术在核心素养培养中的价值。

2017 年高中化学课程标准（2020 年修订）中，核心素养在5 个维度下划分4 个素养水平，既是对课堂教学中的素养培养提出可操作性的要求，也可以作为信息化融合使用的具体实施依据。从教与学的需求出发使用技术，体现了现代教育技术使用的科学性。下面以科学探究与创新意识维度为例（如表1 所示），说明现代教育技术与核心素养的融合关系。

表1 化学核心素养科学探究与创新意识维度素养水平分析

王磊认为化学学科的认识活动和问题解决活动可以概括为：①知识和经验的输入——学习理解活动；②知识和经验的输出——应用实践活动；③知识和经验的高级输出——创新迁移活动。［6］以下结合当前主流信息化技术资源，说明4 个素养水平下的现代教育技术与化学学科活动关系。

（1）在水平1 的素养要求下，涉及的是知识和经验的输入——学习理解活动，信息化资源的作用是情境带入和辅助解释，例如在必修阶段认识元素化合物时，通过常见的动画、微课、视频等素材的使用，帮助学生理解物质变化过程，但信息内容本身不提供交互实践的场景，没有数据支持，仅提供单方面的说明性信息输出，属于描述和示范性的信息资源，适合学生对学习内容已有知识经验较少的情况。

（2）在水平2 的素养要求下，涉及知识和经验的输出——应用实践活动，现代教育技术的作用是提供互动实践场景，成为知识迁移的工具，例如在必修阶段整理提升对元素化合物的认识时，通过具备交互功能的动画、白板内容，以及VR 虚拟技术，帮助学生实践物质性质的应用，信息内容的交互功能直接影响学生对实践应用的感知，在操作上需要有足够的自由度，虚拟的实验场景和现象反馈尽可能接近真实。

（3）在水平3 的素养要求下，涉及知识和经验的高级输出，现代教育技术需提供深度数据分析，搭建多元评价的平台，例如在选修阶段认识化学反应的原理过程中，通过具有更强组合性和扩展性的DIS 手持技术、热量传感技术、带数据收集的虚拟实验，为学生深度认识反应过程搭建平台，创设深度思考的信息资源，适合学生对学习内容已有知识经验较多的情况。

可见，信息资源根据自身功能属性，可以分为描述示范性资源、互动探究性资源、平台合作资源。现代教育技术应用需要在课堂中有效整合信息资源，面对不同素养水平的教学目标，需要教师进一步的教学引导，发挥信息资源的功能属性特点。为充分发挥现代教育技术的功能和信息资源的价值，教师在备课时应根据化学学科自身教学特性，准确定位现代教育技术使用的素养培养目标，对于能达成至水平2、3 的信息资源，就不应只停留在水平1 的层次。

四、现代教育技术支持下的化学教学研究

教师在使用现代教育技术辅助教学之前，首先应考虑现代教育技术的融入是否有助于提升学科核心素养。例如，在化学教学中，元素化合物知识内容是学生最感兴趣的，能见识到多姿多彩的物质世界和化学变化现象，课堂教学需要将这种兴趣转变成更深入的思考，因此这部分的教学中融入现代教育技术，可以引发学生更大的兴趣，引导学生产生更多的思考，实现从低阶思维向高阶思维的发展。

下面以浓硫酸的性质教学为例，说明现代教育技术资源的选择和对素养目标达成的影响。稀硫酸是中学阶段的常用试剂，但是浓硫酸与稀硫酸的性质差异很大，浓硫酸的吸水性、脱水性学生知道现象但分不清二者原理，而强氧化性是学生相对陌生的硫酸性质，因此学生对学习内容已有的知识经验较少，教学前期应采用示范性和解释性的教学策略和信息资源，教学中后期，学生的知识经验增加，再增加互动性和探究性的教学策略和信息资源，如图2 所示。［7］在不同教学环节中，引入合适的现代教育技术资源，意在增强该环节的教学目标达成，如表2 所示。

表2 教学方式与现代教育技术资源应用的关联

图2 浓硫酸教学过程示意图

现代教育技术加持的目的是为了提高教学的效果，示范性和解释性的资源应注重视觉、听觉、触觉的效果，激发学生对知识的探索欲望，互动性和探究性资源应将探究的角度和深度搭载在更多元的平台上。例如，互动探究式信息资源应具备足够的系统数据，支持不同装置和试剂的组合以及实验现象的呈现。

五、现代教育技术融入化学教学面临的问题

（一）数字化信息冗余

面对庞大的线上资源，首先要进行有效资源的筛选和提取；其次，同样的内容，在更多的现代教育技术加持下，有时候会将简单内容复杂化，增加学习者的学习时间。盲目选择资源会造成学习时间成本的增加，反而降低课堂教学的效率。因此教师课前要进行优质资源的甄别和整合，这对教师个人及教学团队的资源积累和选择能力是一种考验。

图3 浓硫酸吸水原理解释示意图

图4 浓硫酸与碳反应三维实验组装示意图

（二）技术对学习的影响

阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米尔贫困行动实验室（JPAL）对126 项与教育技术用途的论文进行总结，认为扩大计算机和互联网等技术的使用，并不能提高K12年级的学生的成绩，但可以提高计算机的使用水平，同时，混合学习可能是一种经济高效的教学方法，但仅学习在线课程的学生的表现往往比仅接受面对面课程的学生差。［8］说明技术是一方面，技术的应用又是一方面，好的技术未必带来好的效果，现代教育技术与核心素养培养的融合还需要进一步的探索和实践。