借助信息技术提高化学课堂学生参与度的实践研究

梅芳 周业虹

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》提出了“鼓励教师运用信息技术提高课堂教学效率和质量，强化信息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”的建议。信息技术的快速发展，对化学教学改革与创新产生了重大的推动作用[1]。信息技术的应用使高中化学教学更加多元化，为学生带来更加丰富的学习体验，有助于提高学生的课堂参与度，多维度强化教学效果。笔者以高中化学“电解原理的应用”为例，从教学的不同维度，探讨如何利用信息技术提高学生课堂参与度。

一、科学应用信息技术，设计教学流程

教师充分发挥信息技术优势，有助于在课堂上开展旨在提高学生化学学科素养的教学，为学生呈现化学的丰富内涵，让学生更加积极地参与到化学课堂活动中，发挥学生的主体作用，引导他们自主建构思维模型并应用模型解决实际问题，达成教学目标。化学教师在教学中应用信息技术，将改变传统教学模式、学生学习模式、化学教学内容的呈现形式，以及师生、生生互动方式。教师在讲解电解原理时要注重模型的构建和应用，但模型的构建过程比较抽象，且模型应用情境复杂多变，这对学生的思维能力提出了较高要求。为此，教师尝试利用多种技术手段丰富学生的学习体验，提高参与度，调动学生学习积极性，进而多维度提高教学效率。笔者将结合信息技术在“电解原理的应用”教学中的应用情况，多视角、多维度说明科学应用信息技术提高学生课堂参与度的必要性和可行性。基于这些理论和设想，笔者设计了融合信息技术的“电解原理的应用”教学流程（如图1）。

二、创设有效的问题情境，激发学生学习兴趣

教师创设真实问题情境教学，有助于培育学生科学精神和社会责任感，信息技术的融入可提供多样化的视频动态情境[2]，比单纯的教师讲授更加生动。学生接受数字化视听刺激，学习兴趣变浓，学科核心素养得以提高。“电解原理的应用”是《普通高中化学课程标准（2017 年版2020年修订）》中“化学反应与能量”主题下的内容，其教学目标是帮助学生深入了解化学在物质转化方面功能，建立能量转化观念，认识化学在能量转化方面的价值，以及电化学对人类社会的重要作用。

在“化学反应与能量”教学中，教师在引入环节选用了戴维电解法发现金属和中国第一个电化厂两个素材。教师利用第一个素材，强化学生关联氧化还原原理分析电化学微观放电顺序的思维路径，让学生感受电解作为特殊的氧化还原手段的独特功能和价值，同时学习科学家的科学探究精神。教师利用第二个素材（中国第一个电化学工厂——天原电化厂的历史），让学生感受我國化学家的责任和担当（如图2），激发学生的民族自信心和自豪感。这两个素材在后续的教学中则作为真实的问题情境使用。教师提出问题：“为什么制备金属钠等需要电解法冶炼？冶炼金属钠和氯碱工业都是以NaCl为原料，得到的产品有什么差别？”学生回顾分析电解池装置的一般思路与方法，进一步熟悉模型。教师带领学生比较两电解池差异，强化微粒观，证明氧化还原与电解原理的相关性，进一步完善知识体系，提高解决复杂电化学问题的能力。

在教学过程中，笔者借助电镀工厂生产过程视频和粗铜精炼的视频，创设复杂情境，引导学生基于实际电解装置提出电解池一般模型，培养学生的逆向思维能力，让他们加深对电化学模型的理解，明确应用思路。真实情境的展现，增强了理论的可信度，有利于学生理解电解原理的应用价值。学生觉得自己所学并非纸上谈兵，实验热情高涨，这有利于后续教学的展开。

三、虚实结合开展实验教学，提高实验探究的有效性

实验探究是“电解原理的应用”教学的重点且贯穿始终，教师只有充分发挥实验探究的功效，才能真正提高学生的学科核心素养。实验探究并不仅仅是动手操作那么简单。学生需要了解“原理分析→实验设计→实验验证”等基本步骤并深度参与实践。完整的实验探究对提高学生思维能力至关重要。在以往的教学中，受条件限制，往往是教师引导讨论并给出实验方案，很难做到全员参与，难以让每个学生充分表达想法，同时也无法诊断学生的思维情况。实验过程中，教师有时过于强调学生观察实验现象。很多学生也仅仅照方抓药，等着看现象，没有自己的思考。一些学生在整个实验探究过程中思维参与度都不高，他们的化学知识建构有赖于教师后续不断讲解，甚至是死记实验结论来完成。如此，学生自然不能较好地理解、应用知识，实验探究也失去了本来的意义。

为解决上述问题，体现实验教学的价值，笔者在氯碱工业、电镀铜和粗铜精炼的实验探究环节，均采用了虚拟实验与学生实验相结合的教学策略。虚拟实验平台为每个学生提供独立的操作界面。每个学生是独立的实验设计和实施个体，须独立完成任务。在实验过程中，学生只有充分调用已学电解池模型相关原理等知识，进行分析和设计，才能完成任务。在这样的技术环境和文化氛围中，学生全员参与，积极思考，都希望自己设计的装置能够实现预期目标。教师将虚拟实验融入教学中，大大提高了学生的思维参与程度。数字化实验是学生对原理进行内化的重要途径，胜过教师千言万语讲解，避免出现“别人想，我照做”的无效实验状态。笔者关注学生思维能力发展，课堂教学有效性得到大大提高。

虚拟实验与学生实验的结合的第一种方式：先实验，再通过虚拟实验进行改进。对于氯碱工业装置的改进就是采取这一方式教学，学生先做实验发现随着电解的进行滴有酚酞溶液的试纸变红的范围越来越大，说明OH-发生了迁移。学生讨论后发现OH-的迁移会影响氯气的产量和氢氧化钠的纯度，应该避免。基于实验事实，学生以防止OH-的迁移至阳极为改进目标，利用虚拟实验技术改进装置。这样设计实验过程，目标明确，降低了实验设计的难度，在不拖堂的情况下，让学生专注于解决关键问题。这种方法适用于比较复杂的实验体系的分析和改进，也解决了大部分学校不具备学生进行具膜电解条件的实际问题。

虚拟实验与学生实验的结合的第二种方式：先设计再实施，例如粗铜精炼即是在教师完成理论设计，在班级内分享设计思路，让学生积极反思，讨论并优化设计思路后，再进行实验验证的。学生经历过完整设计过程，思维链条完整，原理充分内化，在实验操作过程中，对明确每步操作的目的非常明确，可以把控实验各环节，对实验出现的各种问题，也能及时提出改进方案给予解决。这种方法适用于比较简单的设计体系。这样教学也有利于提高学生的“证据推理”素养。

四、宏微结合、思维外显，自主构建模型

教师在课堂教学中，需注重模型构建，引导学生学会科学观察，推断问题成因，最终通过推理获得知识产生，形成应用化学知识解决化学问题的能力[3]。原理较抽象，特别是电解原理，模型要素多。电解原理教学涉及氧化还原原理、电子和离子的动态迁移、电极种类判断和离子交换膜分析等，思维容量较大。教师如果能在教学中采用一定的技术手段，化抽象为具体，将思维过程完整地外显出来，可显著降低学习难度，有利于学生理解和应用原理，自主构建模型。

本节课，在预习阶段教师应用具有拖曳功能的交互平台引导学生复习和预习。这种模式操作简单，相较于传统的单一图示更加生动。教师可以快速帮助学生梳理电解模型要素，让学生通过拖曳观察电解动态过程。

每次实验后，虚拟实验平台会显示电解的动态过程，包括电极发生的化学变化、离子导体中离子的迁移情况、电子导体中电子的迁移情况以及对应的宏观现象。这样一来，从设计到实施、从宏观到微观，学生实验形成完整、连续的闭环。整个思维构成的外显使得实验具有了可操作性，支持学生自主构建知识和模型，而不是被动接受。

此外，虚拟实验平台上各物质的性质是贯通的，如在实验设计环节出现问题，虚拟实验系统会按照当前的实验给出宏观现象和微观动态演示，帮助学生快速发现问题、解决问题，这是传统讨论式教学难以达成的。

在实验过程中不仅每个学生积极参与设计（如图3），而且在动画演示时会跟着自己的认知思路和节奏去观看动画，充分消化吸收后再进入下一个环节，同时头脑中梳理各要素在电解过程中的变化原理。与教师用电子白板集中演示相比，新模式下学生在实验中思考和参与更主动，注意力更集中，思维投入度更高，所形成的感性认识更加深刻，更容易上升为理性认识[4][5]。

五、实施多元评价，实时反馈

课堂反馈是教学的重要环节。通过有效反馈，教师可以了解学生的学习情况，及时发现学生在学习中的不足，随时调整教学节奏和内容，充分发挥教师的指导作用，高效教学。在传统课堂上，教师通过回答问题或课堂练习来了解学生情况，其实通过这种方式反馈的问题往往不够全面或不具有普遍性。

在不同的教学阶段，笔者采用不同信息技术手段进行评价。在实验设计阶段，学生使用的工具是虚拟实验平台，整个设计过程是全部外显的，是过程型反馈非结果型反馈，这有利于教师全面发现问题。笔者观察学生在虚拟平台上的设计进展情况，及时了解每个学生对电解模型的掌握及应用情况，注意到不同的学生对模型中不同要素的理解、应用程度是有偏差的，及时进行个性化指导，或在后续的集体点评中及时强化指导。

课堂上，教师可随时采用问卷评价形式，应用信息技术平台收集、统计数据，准确量化分析学生的学习情况，实施精准教学。这种问卷评价，快速准确，大有裨益，不仅能提高学生的参与度，而且能帮助学生了解自身在班级中的水平。

当然，数字化问卷互动不可能完全取代课堂问答，特别是对于教师提出的层层递进的问题，需要深度互动，在推进中解答。此外，需要学生准确表达的问题也不适合课堂问卷，因为打字比口述慢，且信息技术也很难做到准确判定这类表述型问题。

整体来说，信息技术的发展为课堂评价注入了新活力，如何更有效评价学生的思维发展程度，及时反馈，促进学生学习体验的多样化、丰富化，是教师需要不断探索的问题。

六、借助虚拟实验平台延伸化学课堂

思维模型的构建是为了迁移应用。课后，教师需为学生布置个性化的学习任务，帮助学生实现巩固和迁移。教师用传统方式布置练习作业，虽然也会选择不同的电解池让学生训练，但是因为电解池的原理和电解过程被切割成一个个选项或填空，对学生的知识考查不够完整，且学生的思维链条也是不完整、不连续的。因此，学生通过书面作业所能得到的提升非常有限。

本节课，笔者采用虚拟实验设计和练习相结合模式布置作业，让学生开展项目式学习活动。笔者充分利用虚拟实验平台实验素材丰富的优点，突破客观条件对实验探究的限制，课后布置了用电解法制备硫酸铜的任务，让学生完成后上传平台进行交流展示。笔者选择这一体系让学生操作，硫酸铜不能通过铜单质与稀硫酸反应直接得到，充分体现了电解方法的实用性。对于电解池的各要素，笔者均让学生进行了设计和选择，这些都是有意为之的。电极的选择关系到铜的化合价的转化。学生选择离子导体，要保证物质组成中硫酸根的供应，更重要的是在整个装置中要防止生成的铜离子再次在阴极放电，这涉及离子交换膜的选择。学生要完成这些活动，需要调动课堂上所学的知识进行综合运用，这是课堂内容的有效延伸，是对学生能力的深度训练和全面考查。

教师借助虚拟实验平台设计活动与作业，为学生创建了在新颖、復杂情境中运用思维模型解决问题的机会和开放自主的探究空间。此外，学生的设计结果可以通过网络平台进行交流，有利于学生在评价他人设计作品的过程中反思修正自己的设计，提高分析、解决复杂问题的综合能力，发展化学学科核心素养。

注：本文系国家新闻出版署出版融合发展（人教社）重点实验室重点课题“信息化教学环境下基于虚拟实验的化学学科工具对学生科学能力提升的研究”（编号：RJA0121011）的研究成果。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部．普通高中化学课程标准：2017年版2020年修订[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 黄燕.教育信息化视域下对高中化学教学的思考[J].试题与研究，2022（35）：37-39.

[3] 张军贵.构建模型 解决问题——建模教学在高中化学课堂中的应用[J].数理化解题研究，2022（33）：137-139.

[4] 蔡苏，王沛文，杨阳，等.增强现实（AR）技术的教育应用综述[J].远程教育杂志，2016（5）：27-40.

[5] 王国华，张立国.增强现实教育应用：潜力、主题及挑战[J].现代教育技术，2017（10）：12-18.

（作者梅芳系北京市第五十五中学教师；周业虹系人民教育出版社化学编辑室编审）

责任编辑：祝元志