虚拟实验支持的线上线下融合教学

张伟　周业虹

摘要：为探究虚拟实验支持的线上线下融合教学模式，研究者基于课程标准、学情和教学内容确定教学目标，按照布卢姆教育目标分类学进行系统设计，有效整合了虚拟实验等数字化教学资源。教师课前针对需要记忆、理解、应用的事实性知识和概念性知识布置线上学习任务，课堂上指导学生以理解、运用、分析、评价、创造等方式进行学习，课后通过作业帮助学生巩固事实性知识、概念性知识和程序性知识，创新实验教学模式，引导学生深入思考和探究，有利于提升学生化学学科核心素养。

关键词：虚拟实验；线上线下融合；高中化学；羧酸

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》倡导“以发展学生化学学科核心素养为主旨优化教学过程，有效提高教学质量”，提出了“注重发挥现代信息技术的作用，积极探索现代信息技术与化学实验的深度融合，合理运用计算机模拟实验”的教学建议。改进化学实验对提升学生化学学科核心素养具有重要作用。教师如何设计和开展线上线下融合的教学活动，在发挥真实实验作用的同时有效利用虚拟实验，引导学生在学习化学知识时运用化学学科思维方法，在自主建构化学知识的过程中逐步形成化学观念，在解决问题的探究活动中发展学科核心素养，这些问题值得教师深入思考并探究。

一、虚拟实验支持的线上线下融合教学模式

虚拟实验是依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库、网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验情境和实验对象。研究证明，虚拟实验能显著提高学生对探究过程和要素的理解，有助于学生构建知识，正确认识科学家的科学实践活动，养成良好的科学态度。虚拟实验支持的线上线下融合教学是在线上与线下深度融合的教学时空中，教师利用虚拟实验与真实化学实验等资源、信息化环境与工具，通过评价任务、反思分析数据、同伴互助等手段，有效整合线上与线下教学优势、提高教学效益、促进学生更好发展的教学方式。

虚拟实验支持的线上线下融合教学不是简单的“线上教学+线下教学”，更不是仅在传统教学中加入一些信息技术手段。教师基于布卢姆教育目标分类学对教学内容进行系统设计，将知识配置到不同的教学形式中， 可以实现教学、学习、评价的一致性。笔者将需要记忆、理解、应用的事实性知识和概念性知识设计为课前线上学习内容；将需要理解、运用、分析、评价、创造的概念性知识和程序性知识，设计为课上在教师指导下的进阶式数字化学习内容；课后让学生充分进行个性化思考和反思，从记忆、理解、运用、分析、评价和创造6个维度设计并布置作业，帮助学生巩固事实性知识、概念性知识和程序性知识，对知识获取过程进行反省（如图1）。虚拟实验等信息技术环境，能够支持学生经历“从问题和假设出发确定研究目的、依据研究目的设计方案、基于证据进行分析和推理”的科学探究过程；能够支持教师诊断学生认识水平以进行教学规划和教学过程中的跟进指导，发挥教师引导、启发的作用，充分调动学生作为学习主体的主动性、积极性与创造性。

二、虚拟实验支持的线上线下融合教学案例

为了在发挥虚拟实验技术优势的同时强化真实实验的价值，笔者结合化学学科的特点，设计了虚拟实验支持的线上线下融合教学流程（如图2）。

下面以人教版《普通高中教科书 化学 选择性必修 3 有机化学基础》第四节第 1 课时“羧酸”为例，具体介绍虚拟实验支持的线上线下融合教学方法与过程。

（一）分析教学内容

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》对“羧酸”相关内容给出了具体教学要求（见表1）。

人教版《普通高中教科书 化学 必修 第二册》中“乙酸”和《普通高中教科书 化学   选择性必修 3 有机化学基础》中“羧酸”教学要求列举如下（见表2）。

相对于必修阶段“乙酸”的教学，选择性必修阶段教师更注重引导学生从有机物类别的角度认识“羧酸”，强调对“羧酸”的结构认识、“羧酸”类物质与其他类别有机物之间的相互转化及相关应用。教师开展“羧酸”教学的价值在于通过羧基的共性和差异性进一步引导学生建立“组成、结构决定性质”的學科观念，形成“基于官能团、化学键与反应类型多角度认识有机物”的一般思路，理解“有机物性质的科学探究”过程。

（二）确定教学目标

教师结合教学内容要求和学生的实际情况，设计确定“羧酸”教学目标如下：① 认识“羧酸”的组成和结构特点，能对“羧酸”进行分类，预测“羧酸”的物理性质和化学性质；② 通过探究“羧酸”的酸性强弱建立对“羧酸”电离的定量认识，理解“从问题和假设出发确定研究目的、依据研究目的设计方案、基于证据进行分析和推理”的科学探究过程；③ 以“羧酸”酯化反应为研究对象，探究有机反应断键成键位置的方法，能从反应速率、限度等角度综合分析并调控有机反应，认识性质、转化关系在生产和生活中的重要应用。

教师利用布卢姆教育目标分类表，从知识维度和认知过程维度，对概念性知识（“羧酸”的结构和性质）、程序性知识（基于官能团、化学键与反应类型认识“羧酸”）、程序性知识（科学探究“羧酸”的性质）等内容的教学目标进行归类分析（见表3）。

（三）设计学习活动

教师为学生提供线上学习平台，采用“NB虚拟实验”配合“小管家”App提交前测、后测任务单加微信群多种方式教学。教师基于虚拟实验支持的线上线下融合教学模式，为学生设计了“羧酸”的学习活动（如图3）。

（四）教学过程

1. 课前线上阶段

【线上活动】教师通过食醋酿造情境问题进行课前诊断。教师引导学生以甲酸、苯甲酸、乙二酸、乳酸等生活中常见的“羧酸”为研究对象进行分类，并结合熔点和沸点等数据分析解释“羧酸”的物理性质；预测“羧酸”的化学性质，应用NB虚拟实验平台自主探究“羧酸”的酸性。

【设计意图】诊断学生的认知起点，引导学生运用有机化学的思维方式和方法学习“羧酸”知识，基于对“乙酸”和其他烃的衍生物的认识，自主认识“羧酸”的结构、类别和物理性质。应用NB虚拟实验平台帮助学生经历“根据结构预测性质、选择试剂并验证、得出结论”的完整科学探究过程。

2. 课中线上线下融合階段

【线上线下活动】学生对课前线上学习成果进行自评、互评。

【设计意图】教师通过评价开阔学生认识有机物的视野，让学生从更多角度认识事物，在自主建构化学知识的过程中理解“组成、结构决定性质”这一观念，凸显基于物质通性设计实验的思维有序性。

【线上线下活动】学生应用NB虚拟实验平台设计实验，比较“乙酸”和碳酸、苯酚酸性的强弱，线下研讨方案后，再次通过NB虚拟实验平台完善方案。

【设计意图】教师将探究“羧酸”酸性强弱的实验设计成开放性的探究活动，只给出学生实验目的，不提供仪器和试剂。预计到学生设计实验时会忽视“乙酸”的挥发性，因此，教师在教学中引导学生应用除去气体杂质的思维模型（溶解或反应除去杂质，不引入新的杂质），培养学生设计连续、多步实验的思维的有序性和缜密性。学生应用NB虚拟实验平台实现探究方案的“初步设计、评价、完善设计”，在短时间内经历了两次完整的科学探究过程（如图4），初步建构了“从问题和假设出发确定研究目的、依据研究目的设计方案、基于证据进行分析和推理”的思维模型，提升了学生的证据推理意识和科学探究的素养水平。

【线上线下活动】学生观看“乙酸乙酯的制备”实验视频，讨论反应断键成键位置，分析反应条件对反应速率和平衡的影响，讨论提升“乙酸乙酯”产率的措施。

【设计意图】教师引导学生了解探究有机反应断键成键位置的方法；通过酯化反应条件的调控，进一步认识“化学变化是有条件的”这一观念对有机反应也同样重要，提升学生综合运用有机物结构及性质、化学反应原理、科学探究等知识解决复杂问题的能力。

3. 课后线上阶段

【线上活动】学生根据要求设计乳酸的转化路线；结合相关资料设计实验室合成乳酸异戊酯的实验方案。

【设计意图】教师引导学生迁移应用概念性知识“羧酸的结构和性质”、程序性知识“基于官能团、化学键与反应类型认识羧酸”，分析羟基酸（乳酸）这一陌生有机物的性质，尝试应用性质设计转化路线。引导学生在设计实验方案的过程中，应用程序性知识“科学探究羧酸性质”和概念性知识“化学反应速率和限度”解决实验室合成乳酸异戊酯的问题。

三、虚拟实验支持的线上线下融合教学反思

上述“羧酸”的教学案例是数字化教学环境下对教学模式进行的实证研究。课前，教师开展虚拟实验，让学生基于已有概念、理论对陌生物质性质进行探究。在学生经历科学探究过程的同时，教师实现了对学生认知水平的诊断，这有利于教师在教学中跟进指导。学生课前通过虚拟实验平台设计的方案，以图片的形式在课上展示并接受评价，特别是同伴互评，有利于学生反省认知、获取知识。课中的虚拟实验是开放性的探究活动，教师引导学生应用NB虚拟实验平台进行“初步设计—评价—完善设计”，凸显学生学习的主体性和个性化，帮助学生进一步建构“从问题和假设出发确定研究目的、依据研究目的设计方案、基于证据分析和推理”的思维模型。

实践证明，依据课程标准、学情和教学内容确定教学目标，按照布卢姆教育目标分类学进行系统设计，整合虚拟实验等教学资源进行线上线下融合教学，能有效引导学生运用化学学科思维方法学习化学知识，在自主建构化学知识过程中理解化学观念，在解决问题的探究活动中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、人民教育出版社人教数字教育研究院2021年重点课题“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探究能力提升的研究”（课题编号：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] 徐光涛.科学探究学习中技术使能的作用空间与效果研究[D].上海：华东师范大学，2016.

[3] 王月芬.线上线下融合教学：内涵、实施与建议[J].教育发展研究，2021（6）：19-25.

[4] L.W.安德森，等.学习、教学和评估的分类学：布卢姆教育目标分类学修订版（简缩本）[M].皮连生，译.上海：华东师范大学出版社，2008.

[5] 沈欣忆，苑大勇，陈晖.从“混合”走向“融合”：融合式教学的设计与实践[J].现代教育技术，2022（4）：40-49.

（作者张伟系北京市第九中学教师；周业虹系人民教育出版社课程教材研究所编审，中国教育学会化学教学专业委员会秘书长）

责任编辑：祝元志