数字化赋能中学化学课堂教学

摘要： 教学数字化，借助数字技术实现教学的变革，旨在建立一种新的教学环境。以改进“质量守恒定律”教学设计为例，分别介绍应用数字化技术改进实验，促进学生深度学习，培养学生高阶思维；以及借助数字化技术改进学案，赋能课堂教学活动。结合课例，从教、学、评三方面总结数字化赋能化学教学的经验。

关键词： 中学化学； 教学数字化； 教学设计； 质量守恒定律

文章编号： 1005-6629（2024）07-0030-06 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题的提出

教学数字化，借助数字技术实现教学的变革［1］，旨在建立一种新的教学环境，有以下两个特点：以学生为中心，使学习者有效地参与学习、掌握知识，达到更好的学习效果；以探究性学习活动为核心，将现代信息技术与教育教学过程相结合，有效改善传统教育的不足，促进学生深度学习。

教学数字化内容包括：（1）教学内容数字化［2］。将传统教学内容转换为数字化形式，如电子教材、在线教学资源、教学视频等，以便学生通过电子设备随时随地访问和学习；（2）教学方法数字化［3］。采用在线课堂、虚拟实验室、远程教育等新的教学方法和工具，提供更加互动和个性化的学习体验，激发学生的学习兴趣；（3）评价与反馈数字化［4］。借助平板电脑、墨水屏、智慧笔等工具，将学生的评价与反馈数字化，教师可以及时收集学生各类活动的书面反馈，并进行数据统计，这样教师既可从整体对教学进行及时反馈，又可关注到每一个学生的评价结果，及时调整教学策略；（4）实验数字化［5］。借助各类传感器对传统的化学实验进行数字化改进，及时获取实验过程中的各类数据，绘制成各类曲线，便于教师挖掘实验背后的原理，开展证据与推理、符号与表征等学生探究活动。

2022年版义务教育化学课程标准指出，“质量守恒定律”对学生认识“物质的变化与转化”的大概念起着承上启下的作用［6］。它是定量研究化学变化的开端，也是后续分析物质变化中定量关系的理论依据。在研制低碳行动方案过程中，“质量守恒定律”的学习能够帮助学生基于守恒观念认识碳中和技术，为后续学习化学方程式的书写和计算，从成本角度分析低碳行动方案的可行性奠定基础。因此，以“质量守恒定律”为例，既可充分应用各类数字化技术赋能课堂教学，又具有一定的代表性，大力推广数字化技术。

2 原教学设计

在上海教育出版社《化学九年级第一学期（试用本）》中，“质量守恒定律”位于第2章“浩瀚的大气”第3节“化学变化中的质量守恒”［7］。教材首先从微粒视角阐释化学变化的本质，随后联系多组实验证据，验证质量守恒定律，从宏观和微观、定性和定量的视角深入研究化学变化。最后结合“设计方案验证质量守恒定律”的探究与实践活动，引导学生初步形成“基于实验事实进行证据推理”的科学思维，树立严谨求实的科学态度。

本课程原有的设计思路是引导学生经历以探究为主的学习活动，通过提出问题、形成假设、实验验证、总结反思等过程构建概念。教学流程如图1所示。

原设计有以下几个特点：（1）基于学情，顺应学生思维脉络发展，通过开展学生活动，让学生在活动中探究各类化学反应前后的质量变化；（2）依循教材的教学逻辑，从分析微观模型到宏观实验验证，引导学生经历以探究为主的学习活动，通过提出问题、形成假设、实验验证、总结反思等过程构建概念；（3）开发化学史中的教学资源，结合名人名言，感悟科学研究对化学科学发展的重要意义。分析波义耳、拉瓦锡的经典实验，收集支持质量守恒定律的证据，比较学生在课堂上认识质量守恒定律的过程与人类发现定律的历程，体会化学家进行科学探究的思路和方法，初步理解科学探究的本质。

但存在以下不足：（1）缺少以大量数据支撑的定量实验，无法让学生通过分析大量的实验数据，感受实验探究的过程，理解质量守恒定律；（2）导入情境不够真实生动，无法激发学生的学习欲望；（3）未设计即时反馈学习情况的学生活动。

3 学情分析

结合课前访谈发现，学生目前的学情表现为：（1）在“2.1人类赖以生存的空气”中已学过“空气中氧气体积分数的测定的数字化改进实验”，初步了解数字化传感器改进的化学实验和如何读取分析实验数据图表，感知化学反应中“量”的变化，但定量研究化学反应的意识较薄弱；（2）已学过“能量守恒”，对“守恒”概念较为熟悉，通过课内外途径对质量守恒定律有所了解，但认识还不精准，集中表现在“参加反应的”和“反应生成的”两个关键词上；（3）对构成物质的微粒有一定了解，但尚未形成结合宏观与微观视角研究化学变化的认识方式；（4）有一定的探究问题的经历，但尚缺乏实验探究的一般思路及方法。

4 教学目标

（1） 通过对木炭燃烧等多个实验进行数字化改进，从宏观角度探究化学反应前后物质的质量关系，并从微观视角阐释质量守恒定律的本质，联系宏观与微观视角理解质量守恒定律的含义。

（2） 借助数字化实验获取的实验图像与数据，用证据支持假设的方法探究化学反应前后物质的质量关系，初步形成基于实验事实进行证据推理的科学思维。

（3） 借助数字化技术设计实验装置探究碳酸钙与稀盐酸反应前后的质量变化，在不断完善实验装置的过程中，发展提出解决实际问题初步方案的能力。

（4） 结合质量守恒定律的探索历程，感悟定量研究对化学科学发展的重要作用，体会化学家进行科学探究的思路和方法，树立严谨求实的科学态度。

5 设计思路

顺应原有的设计思路，在保持原教学策略的基础上，以数字化赋能课堂教学，在以下三处融入数字化教学的内容：（1）借助木炭燃烧的数字化改进实验串联课程，以木炭燃烧产生的二氧化碳的量作为教学情境引入课堂，再以数字化实验数据初步分析形成假设，最后以递进的分析数据结尾并达成认识进阶；（2）用大理石与稀盐酸的数字化改进实验替代原有的验证实验，借助实验数据，设计学生活动，探究实验背后的本质，从而形成守恒观念；（3）借助数字化学案，既可及时收集学生实验数据，共享数据从而进一步学习，还能及时反馈学生学习情况，并将

原有的四环节调整为五环节，具体设计流程见图2。

6 借助数字化技术改进教学设计

6.1 环节一：提出问题

［师］我们借助无线氧气传感器和无线二氧化碳传感器，对密闭容器中木炭燃烧反应过程中空气中的氧气浓度与二氧化碳浓度进行采集，得到数据曲线（见图3）。

［师］通过该实验，大家发现氧气、二氧化碳体积分数在反应时是如何变化的？

［生］氧气的体积分数在不断减小，二氧化碳的体积分数在不断增大。

［师］现在可以确认木炭燃烧产生二氧化碳的量了吗？

［生］可以对实验所得数据进行计算。

［师］我们再来看看，木炭燃烧时，二氧化碳和氧气的质量变化是否存在联系？

［生］存在联系。

［师］那么，请你猜猜，木炭燃烧前后物质的质量关系可能是怎样的？

［生］反应前装置内木炭与氧气的质量等于反应后二氧化碳的质量。

设计意图：激发学生探究木炭燃烧生成二氧化碳的量的实验欲望，再借助传感器等数字化技术改进原有实验，测定木炭燃烧时相关气体含量的变化，并借助实验数据探究氧气与二氧化碳的量的关系，引发学生思考化学变化中反应物与生成物的质量关系。

6.2 环节二：形成假设

［师］请大家再结合数据图像（见图3）思考，装置内的氧气都变成二氧化碳了吗？

［生］没有，还有很多残留。

［师］大家说得很好，空气中的氧气有参加化学反应生成二氧化碳的，也有未参加反应继续留在装置内的。那么反应前装置内是否存在二氧化碳呢？

［生］存在，因为空气中本来就有二氧化碳。

［师］是的，由于反应前装置内也存在二氧化碳，因此，反应结束后装置内的二氧化碳应包含反应生成的和装置内原来有的。这么看来，我们之前的假设“反应前装置内木炭与氧气的质量等于反应后二氧化碳的质量”似乎有点不妥，请大家修正刚才的假设。

［生］应该是“参加反应的木炭与氧气的质量等于生成的二氧化碳的质量”。

［师］很好，那么它们的质量是否相等呢？是不是所有化学反应也符合这种情况呢？我们今天就来研究参加化学反应的物质和化学反应生成的物质的质量变化关系。

设计意图：通过学生依据熟悉的木炭燃烧实验，得到该实验化学反应前后质量变化的初步假设。但此处的假设不够完整，教师继续借助数字化实验所获取的实验始末的数据，启发学生深度思考。

6.3 环节三：实验验证

6.3.1 数字化技术汇总学生实验数据

智慧笔是一种借助摄像记录学生书写痕迹的教育数字化技术，需要教师课前在学案上进行专用技术处理。教师通过智慧笔技术，设计如下学案，让学生记录氢氧化钠溶液与硫酸铜溶液反应前后的质量，并比较是否相等。

设计意图：课上让学生用智慧笔进行填写，教师即可实时得到全班的反馈（见图4），也可调取任意一位学生的反馈，同时还能统计学生的参与度及各类选项的百分数（见图5）。

通过上述全班39组实验数据，教师应强调该结论不是一次偶然实验即可获得的，而是通过对同一实验的多次进行得到的结论，与之后的化学史的教学相呼应。

6.3.2 数字化技术即时反馈学生的实验装置设计图

教师通过智慧笔技术，设计如下数字化学案。

设计意图：实验的难点在于学生需要通过现有的实验装置设计一个密封体系，传统的教学手段很难获取学生从敞口装置到密闭装置的思维过程，也很难关注到每个学生所设计的实验装置。数字化学案可以再现学生绘制装置的过程，有助于思维的可视化，如图6是某学生的设计过程，从呈现反应装置到添加分液漏斗，实现固液分离，再到气球密封，清晰地展现了整个思考过程。

6.3.3 数字化实验验证假设

［学生活动］设计并完善大理石与稀盐酸反应的实验装置。

［数字化实验］测量反应过程中质量的变化，并将获取的数据绘制成曲线图（见图7）。

6.4 环节四：得出结论

［师］图7中横坐标表示时间，纵坐标表示质量，每秒采集一个数据，实验共进行了276秒，通过该图的变化曲线，你能得到什么结论？

［生］反应前后物质的质量相等。

［师］判断物质质量相等的依据是什么？需要几个数据？

［生］反应前的物质质量和反应后的物质质量。

［师］那么276个数据的意义一样吗？

［生］不一样，因为每一秒反应都在发生。

［师］结合276个数据中的任意两个，是不是都能论证一次反应前后质量不变？

［生］是的。

［师］所以，老师借助数字化实验，可将一次实验获得的多个数据，多次验证了反应前后物质的质量不变。

设计意图：借助数字化仪器，对传统实验密闭容器中大理石与稀盐酸的反应前后的质量变化进行了改进。通过应用数字化传感器测量每秒反应过程中的质量变化数据，由于每秒反应过程中密闭容器内反应物与生成物的量都发生了改变，因此前一秒所测得的质量和后一秒所测得的质量相等，即能验证每一次反应前后的质量是守恒的。原本只有一次验证价值的课堂实验变成了多次验证，再次回归到了该反应前后质量不变的结论不是一次偶然实验即可获得的，而是通过对同一实验多次进行测量而得到的。课堂上该数字化实验的使用大大提高了课堂效率，让学生充分感受到了多次实验对于实验结论的重要价值，进而将实验验证方法推广到更多实验乃至所有实验做好了铺垫。

6.5 环节五：认识进阶

［师］针对一开始木炭燃烧的实验，我们借助实验软件，将反应过程中氧气减小的浓度与二氧化碳增大的浓度相除，由于是在密闭容器中，该比值可转化为反应过程中n（O2）／n（CO2）的比值（见图8），我们发现反应过程中n（O2）／n（CO2）始终为1，这说明了什么？

［生］说明每消耗1mol氧气就会生成1mol二氧化碳。

［师］能否从微观的角度，就某一种微粒的守恒，对该数据进行解释。

［生］因为反应前后氧原子守恒，所以反应前1mol氧气中有2mol氧原子，反应后1mol二氧化碳中也有2mol氧原子。

［师］现在能否判断木炭燃烧中反应物与生成物的质量关系，依据是什么？

［生］质量相等，因为反应前后氧原子守恒，木炭燃烧属于化学反应，符合质量守恒定律。

设计意图：在学生形成假设、实验验证、得出结论后，教师再次利用木炭燃烧数字化改进实验的数据，借助实验软件，将反应过程中氧气减小的浓度与二氧化碳增大的浓度相除，求出比值，并绘制出随时间变化的数据图像，依据阿伏伽德罗定律，在密闭容器中，该比值可转化为反应过程中n（O2）／n（CO2）的比值。结合学生刚学习的质量守恒定律及微观分析，促进学生走向深度学习。

7 教学效果

通过观测学生的课堂表现、课后与学生的访谈，以及智慧笔获取的回家作业完成情况，本节课的教学效果良好，主要有以下几处表现：（1）学生课堂参与度较高，丰富的学生活动让学生在体验中感悟质量守恒定律研究的过程与不易；（2）数字化实验助力形成证据推理思维，课上各类数字化实验获取的数据及图表帮助学生初步学会收集各种证据并提出假设，再基于证据进行分析推理，在“探究小苏打和食醋反应前后的质量变化”这一开放型的课后作业中，发现全班所有学生都关注到了实验所需的定量仪器和物理量，尤其是产生气体的质量；（3）通过数字化作业对全班学生作业进行统计，全班共39位学生，作业完成率为100%，且基本都在18：00前完成，所有客观题的平均正确率为92.3%，较以往回家作业情况有显著提升。

8 教学反思

8.1 数字化促学，在深化实验中培养学生的高阶思维

本节课以传感器测定木炭燃烧过程中氧气浓度与二氧化碳浓度的变化引入课堂，激发学生的学习兴趣，并在课的末尾，再以实验数据与微观视角重新认识该实验。教师在教学中挖掘该实验数据的意义，分别从数据曲线的起点、变化和终点三个维度，从不同角度认识木炭燃烧实验背后的物质守恒关系。让传统的化学实验更具有说服力，同时引导学生读表识图，通过分析图表中的信息，得出结论，从而培养学生的证据意识。测定密闭容器中大理石与稀盐酸反应过程中质量变化的数字化实验，教师借助实验数据设计问题，挖掘数据背后的化学学科价值，让学生通过基于实验事实进行证据推理、建构模型、推测物质及其变化等一系列的高阶思维活动，进一步认识化学学科本质，逐步形成科学思维。

8.2 数字化促教，在实践应用中走向教学深度

本课的数字化学案是基于智慧笔的一项数字化技术，它可以帮助教师及1Y6aARjfQ17oyTpCHbbkOA==时获取学生的学习情况。智慧笔与常规书写用笔大小一致，方式一致，便于学生使用，大大降低了教师与学生的学习成本。教师可以将原有的学案通过相应软件，设计成适用于智慧笔的数字化学案。课堂上学生使用智慧笔在学案上的所有记录都可以实时地反馈在教师端，针对像选择题、是非题等客观题可以即时统计学生反馈情况，让教师可以有针对性地开展进一步的教学。针对像文字描述、绘图等主观题可以随时调取某一学生的回答，并回放学生的解题过程，针对过程性的问题进行深入的讲解。可以说，数字化技术将原本难以达成的教学内容变成了可能，借此可以观测到学生的思维过程，进行更为精准的指导，提升教学效率。

8.3 数字化促评，推动评价的即时化、科学化与多元化

本课的数字化学案中设计了课上即时评价环节，随时掌握学生对质量守恒定律的学习情况。数字化技术在评价方面，可以助推教师在课堂上即时收集学生的反馈，并依循学生的评价情况，及时调整课堂教学策略，同时借助各类数字化技术，传统的评价在信息技术的加持下由原来的选择、填空等形式可以拓宽为pk赛、绘图、三维建模等多元化的形式。原本传统课堂无法解决的问题，通过这些技术手段在一定程度上都可解决。因此对于数字化技术，教师可做到合理应用、因材施教，设计符合学情的课堂教学活动，从而赋能课堂教学。

参考文献：

［1］徐睿. 中学化学： 数字化助力科学思维发展［J］. 上海课程教学研究， 2023， （5）： 70～73.

［2］谢同祥， 罗冬梅. 现代教育技术［M］. 南京： 南京大学出版社， 2020： 274.

［3］何翔. 数字化实验在化学概念教学中的应用——以“化学能转化为电能”为例［J］. 化学教学， 2020， （7）： 51～57.

［4］宗国庆. 试析科学本质的“整体科学”范式： 基本理念、评价工具及审视展望［J］. 化学教学， 2023， （8）： 5～8.

［5］陈婷. 常态应用数字化实验 助力实验教学提质增效［J］. 上海教育， 2022， （Z1）： 15.

［6］中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版集团， 2022： 11.

［7］姚子鹏. 化学（九年级第一学期）（试用本）［M］. 上海： 上海教育出版社， 2019： 59～61.