教育数字化背景下高中化学实验课教学模式创新研究

农能干

摘 要：在教育数字化背景下，高中化学教师在实验课教学活动中可以尝试引进多元化的创新教学模式和方法，如利用虚拟实验室，带领学生参与高效率的仿真实验学习；借助远程实验教学活动，指导学生进行体验式的实验探究；借助互动实验模拟软件，引导学生在实际实验操作前进行模拟学习等。本文对教育数字化背景下高中化学实验课教学模式进行创新改善，旨在提高化学实验教学水平。

关键词：教育数字化；高中化学；实验课；教学模式

在教育数字化的时代背景下，高中化学实验课的教学模式面临着新的挑战和机遇。随着科技的不断进步和教育手段的不断更新，传统的实验教学模式已经难以满足学生的学习需求和教学目标。因此，对高中化学实验课教学模式进行创新研究，引进多元化的实验教学模式和方法，带领学生对实验课程知识进行更深层次、多维度的学习，以适应数字化教育的发展趋势，提高教学效果和学生的学习动力，具有重要的理论和实践意义。

一、高中化学实验课教学原则

高中化学实验课教学活动应当秉承探究性原则，让学生在学习过程中尝试对未知的化学概念以及知识理论进行探索学习，而不是简单参照已有的知识规律和实验步骤进行操作。教师须保证学生在实验学习过程中能够获取到探秘化学知识、化学原理的体验，从而进一步培养学生的科学探索思维。其次，高中化学实验课程教学也应当秉承安全性原则，由于在教学过程中会涉及大量危险化学品的使用，教师需要制订更加严谨、细致的安全管理计划和方案，包含约束学生的操作行为，规范学生的作业手法。另外，高中化学实验教学活动也应当具备理实互动性，即在实验教学过程中穿插理论知识，在理论教学环节引进实践案例，从而帮助学生做到知信行合一[1]。

二、高中化学实验课教学存在的问题

高中化学教师在组织实验课教学过程中会遇到各种问题。首先是实验设备不足，缺乏必要的实验设备和药品，导致学生无法正常进行实验，从而限制其实践和理解探索化学知识。其次，在化学实验教学过程中也涉及危险性较高的化学品和化学操作项目，由于学生的安全意识较为薄弱，再加上实验安全准备工作未落实到位，很容易产生各种安全隐患。另外，有的学生不了解实验步骤以及对实验过程描述不清晰，在学习过程中也可能会产生困惑，导致实验结果不准确或无法得出正确结论。除此之外，在部分实验教学活动中，教师没有将课堂知识理论与实验操作紧密结合在一起，从而导致学生无法将实验结果和理论知识整合在一起，影响其对化学知识的理解和认知。最为关键的是，受到部分实验器材、时间的限制，学生可能无法充分进行实验操作，从而制约了学生的动手操作能力和探究能力的培养。因此，通过分析当前高中化学实验教学存在的问题，可以看出在教育数字化背景下，教师可以借助信息化教学手段来改善实验教学中出现的一些问题，使高中化学实验教学水平和质量得到进一步提升。

三、教育数字化背景下高中化学实验课教学模式创新

（一）引进虚拟实验室

利用虚拟软件工具引导学生在计算机系统上开展化学实验学习，模拟真实实验过程，借此可有效克服实验设备不足以及实验条件所受到的限制，可为学生提供更加安全的实验操作环境。虚拟实验室能够有效改善化学教学过程中的时间、空间欠缺和不足，可保证实验课程教学能够提质增效。在此过程中，教师可引进仿真信息系统，完成对实验情境空间的打造；同时也可在实验教学过程中通过虚拟系统来展示实验步骤。另外，在虚拟系统中，教师也可让学生大胆放心操作，学生可以根据自己对知识的掌握和理解，自主控制化学实验操作过程，对化学药剂的投入量进行灵活管控，通过观察不同的实验现象，从而进一步激发学生的兴趣，提高学生的学习效率。例如：在讲解钠与水的反应时，教师可利用虚拟系统，让学生自由投放反应物质，学生会发现钠投放得越多，与水的反应就越剧烈；学生还可以继续将其他碱金属依次投放到水中，会发现随着碱金属的金属性增强，与水反应的剧烈程度也会加大。在实验操作过程中借助仿真虚拟系统进行大胆尝试演练，根据自身想到的步骤，大胆操作，学生可灵活控制实验变量、实验过程，可进一步培养学生的创新探索能力，使学生的学习水平得到有效提升[2]。

除此之外，传统实验室的实验设备、材料有限，学生无法参与所有实验，而学生在虚拟实验项目中可靈活自主选取实验项目和材料，可根据自身的学习需求和兴趣进行灵活自主实验，借此可提高学生的积极性和主动性。最后，学生也可利用虚拟系统复盘实验操作，借助虚拟系统所提供的脚本录制功能，可及时记录学生在实验操作过程中的每一步、每一个环节，学生在总结实验的过程中可通过反复观察，剖析自身的实验操作步骤，分析在实验学习过程中存在的不足之处，并且进行反馈、反推理、再演练，从而纠正错误的学习方式，改进实验项目。因此，通过虚拟系统可以指导学生开展高效率的实验探索，提高学生的实验学习品质。

（二）远程实验教学模式

虚拟实验平台给予学生更加灵活的操作空间，学生能够在相关系统中自由操作演练，获取到更加深刻的学习体验和感触。但是，此类实验教学模式和方法还存在一定的限制，比如无法为学生提供更加真实的视觉体验。为了解决这一问题，教师可组织远程实验教学活动，借助一些优秀学校的软硬件设施，或者与相关教学机构进行交流合作，开展部分难度系数较大的化学实验。学生可利用远程控制技术，通过计算机远程操作实验设备，可在不同地点进行实验操作，克服地域环境条件的限制；而相关远程端则可根据学生的提示来进行实验操作。在该环节，教师也可通过视频会议聊天工具等方式，及时解答学生在远程端操作过程中所遇到的困难和挑战。这种模式不仅能够解决传统实验教学中实验设备不足、实验操作不便等问题，还能够提供更加安全和可控的实验环境[3]。

例如：在混合物的分离和提纯实验中，学生便可进行远程实验操作，利用电脑终端，传递相关指令，引导远程端的操作员进行实验操作。其中学生可参与过滤、蒸发、蒸馏等实验项目，在过滤实验中，学生可借助远程端实验室丰富的过滤器材，如不同密度的过滤网，检测液体中不溶于水的颗粒物质以及混合物。同时也可在蒸馏实验中，参与溶液浓缩以及溶质晶体析出等实验操作活动。利用这种方式让学生在电脑系统上参与真实的实验学习，隔着屏幕能够观察到实验现象；同时在远程端教师以及操作人员的指引下，学生也能够掌握实验学习的基本方法，在教师的提示下，能够进一步丰富完善学生的知识储备。

（三）互动实验模拟软件

有条件的学校还可以利用互动实验、模拟软件开展高中化学实验课教学活动。相关实验活动主要是利用计算机技术以及虚拟技术，模拟真实的实验环境和操作，学生能够在互动实验模拟学习模式下获取到更加良好的操作体验。首先，互动实验模拟软件与上述所讲解到的虚拟仿真系统具备相同的功能，同样可模拟实验环境、实验室的布置、仪器设备，模拟化学品的呈现。学生可以利用VR（虚拟现实）、AR（增强现实），通过软件来感受真实的实验室氛围，获取沉浸式的实验操作体验。但是其中最为核心的功能是，在虚拟操作环节，学生可进行交互式操作，与同伴、教师共同研讨实验过程；并且在互动学习过程中可采集实验数据，分析实验现象，探寻实验规律。另外互动模拟实验具备强大的人机交互功能，能够及时指出学生操作中存在的不足之處，并且提示学生其中可能存在的安全隐患问题。软件可根据大数据系统，给予学生正确的操作提示，保证学生的实验学习更加安全、高效。此类互动实验主要是在线下实验教学前，让学生提前在线上进行模拟学习，引导学生在互动虚拟系统中根据自身的理解进行前期初步的实验操作，探寻到在后续真实实验学习过程中所需要关注的注意事项，并且结合虚拟实验结构为真实实验教学提供参照和指导。

在进行硅酸的制备实验前，学生可以在相关互动虚拟实验室中尝试引进不同的实验方法。可利用稀盐酸和硅酸钠反应，在虚拟系统中尝试投放不同容量的硅酸钠溶液，学生可根据提示、指引进行实验操作。例如：在后续步骤中滴入1～2滴酚酞溶液，再用胶头滴管，逐滴加入稀盐酸，一边加入一边搅拌。此时，系统可根据学生的操作步骤，记录学生在操作期间存在欠缺和不足，比如有的学生在溶液颜色变浅并且接近消失时还在继续搅拌，继续添加溶液，从而无法得到良好的实验结果。当学生完成搅拌之后，系统便会给出提示：有透明硅酸凝胶形成。最后，系统会将学生的实验操作进行复盘并且展现出其中的实验原理，学生明白了是因为硅酸钠溶液呈碱性，滴加酚酞试剂后溶液呈现红色，当不断加入稀盐酸之后，碱性被慢慢中和，导致溶液颜色变浅至消失，从而生成了硅酸沉淀，最后学生根据实验现象，写出反应的化学方程式。通过这样的引导，学生更加深入细致地理解并掌握其中使用原理，学生可复制实验学习过程中的操作步骤，开展现场实验操作学习，根据其中的实验提示以及实验过程，进行安全操作。因此，互动式虚拟实验主要是帮助学生在正式实验前进行简单实验复盘、实验演练，使学生能够在正式操作前明确其中的实验步骤，找到实验重点和要点，从而提高学生的实验学习效率和兴趣。

（四）数据分析与实验设计

在教育数字化背景下，引导学生在信息化系统中进行数据分析，并且对实验现象进行总结是必不可少的。教师可引导学生记录关键的数据信息，并且利用数字化设备更加方便地采集实验数据，将相关数据信息录入到分析系统中，进行数据处理，绘制成图像表格。借助此类方式，也能够培养学生的数据分析能力，方便学生在后续学习过程中应用合理的解释，分析实验数据，对实验现象做出科学合理的推断。

此外，教师须鼓励学生主动参与实验设计环节，让学生通过数字化工具、模拟软件进行灵活自主的实验操作，并且预测结果，将预测结果与实验方案进行比对，从中总结出欠缺和不足，借助此类方式也能够增强学生实验设计能力。教师利用实验数据以及可视化呈现功能，可将实验结果完美展现给学生，并且利用图表、图像、动画等不同方式，使学生能够直观理解和分析实验数据；并且找到数据之间存在有机关联、数学规律，借此可帮助学生提高对实验过程的理解能力。而教师也可引导学生对数据信息进行推理解释，分析数据趋势，识别模式，总结出知识原理和概念。借助此类方式也能够培养学生的科学思维以及推理能力。

传统的实验教学中，在进行酸碱中和反应操作时，学生通常会进行酸碱溶液的配制和反应过程的观察，然后根据观察结果进行简单的数据记录和分析。在实验设计方面，信息化手段可以帮助学生进行实验方案的设计和优化。通过模拟实验软件，学生可以在虚拟实验室中进行多次实验，调整实验条件和参数，观察不同因素对实验结果的影响。在数据分析方面，可以将实验数据导入电子表格软件，进行数据处理和统计分析，通过绘制曲线图或制作数据表格，可以直观地展示酸碱反应的变化趋势和结果。同时，还可以使用数据分析软件进行更复杂的数据处理，如计算反应速率、确定反应机理等。因此，使用信息化手段进行数据分析与实验设计在高中化学实验教学中具有重要的必要性。它可以提供更准确、全面的实验数据，帮助学生更深入地理解实验原理和现象，培养科学思维和实验设计能力。

（五）碎片化实验教学模式

碎片化实验教学模式是一种以实验为核心的教学方法，旨在通过将知识点分解为碎片化的实验任务，让学生在实践中探索和发现科学原理。在这种模式下，教师会将课程内容分解为一系列小实验，每个实验都涉及特定的科学概念和实验技能。学生通过参与这些实验，逐步积累实验经验和科学知识，培养实验设计、观察、记录和分析的能力。这种碎片化的实验教学模式能够激发学生的学习兴趣和主动性，提高他们的实践能力和科学思维能力。同时，学生在实验中也能够体验到科学研究的过程，培养科学探究的精神和方法。

例如：在制备乙烯的实验活动中，学生可通过虚拟系统，借助乙醇和浓硫酸完成对乙烯的制备，但是在实验操作过程中还包含一个最为严谨的注意事项，即乙醇和浓硫酸的体积为1：3，同时反应温度需要控制在170℃。此时，学生会提出额外猜想：“如果乙醇与浓硫酸的体积比例不是1：3，那么会生成什么？”教师可根据相关疑问引进碎片化的实验项目，借助一分钟的视频播放时间，省略掉复杂的操作，直接切入主题，向学生展现出乙醇和浓硫酸在1：4、1：5的情况下会产生怎样的反应，借助短视频资料解释其中的实验疑问，为整体化的实验教学提供更加全面的支持，从而使学生能够形成更加完整的学科思维。因此，教师需要在教育数字化背景下引进短视频资料，通过短视频科普教育的形式，补充整体化学实验中的细节部分，让学生在日常学习过程中，通过短视频资料不断丰富自身的知识面。运用这种实验教学模式，高中阶段的学生能够更加深入地理解科学原理，提高解决问题的能力，并为未来的科学研究和学习打下坚实的基础。

结束语

总体来说，在教育数字化背景下，高中化学教师需要对实验课程教学方法、程序、机制进行改善，引进多元化的教学策略，带领学生对高中化学知识进行深层次、多维度研学探究，从而提高学生的实验学习效率。

参考文献

[1]浦绍体.信息化背景下高中化学实验教学模式探讨[C]//教育部基础教育课程改革研究中心.2020年“教育教学创新研究”高峰论坛论文集.云南曲靖宣威市第六中学，2020：2.

[2]蔡文林.信息技术和新课程背景下创新高中化学实验教学模式的探究[J].中文科技期刊数据库（引文版）教育科学，2021（5）：1.

[3]李林玲.微课背景下高中化学实验教学模式研究[J].科学咨询，2019（18）：1.

本文系广西教育科学“十四五”规划2023年度专项课题“教育数字化背景下高中化学实验课教学模式创新研究”（课题编号：2023ZJY701）研究成果。