学科核心素养引领下信息技术与化学教学的融合创新

李新义+夏建华+蒋蓓蓓

摘要：以“乙烯”为例，运用翻转课堂的教学模式，在课前微课学习的基础上，课堂上利用AR技术建构乙烯结构、数字化实验引领学生开展科学探究，数据分析功能优化教学决策、促进及时反馈等，做到了信息技术与化学教学的融合创新，促进了学生化学学科核心素养的提升。

关键词：化学学科核心素养；信息技术；翻转课堂；数字化实验；科学探究

文章编号：1005–6629（2017）9–0040–07 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

以教育信息化带动教育现代化，是我国教育事业发展的战略选择。信息技术与化学教学的融合创新为中学化学教学改革注入了勃勃生机，翻转课堂[1]、智慧课堂[2]、数字化实验[3]等以信息技术为支撑的教学形态已深刻地影响着中学化学教学。笔者认为，面对课堂上纷繁呈现的信息技术，需要从学科核心素养的角度审视其在促进学生发展方面的价值，评价其对提高教学效率和教学质量方面的贡献。本文拟以人教版化学2“乙烯”的课堂教学为例，在学科核心素养引领下，探索信息技术与中学化学教学的融合创新。

1 教材分析及教学流程

本节课是在学生掌握甲烷为代表的烷烃的结构和主要化学性质，对有机物中结构决定性质的特点有了初步认识的基础上进行乙烯教学的。通过乙烯的教学为不饱和烃学习奠定基础，起到承上启下的作用。乙烯是最简单的烯烃，是烯烃的代表物，是一种重要的化工原料，乙烯以及乙烯的产品已渗透到人类生活的若干领域。从学习环节上来考虑，乙烯的学习为学生建立了物质结构与性质之间的关联，深化了“结构决定性质，性质决定用途”的观念；有利于学生掌握有机物性质及其变化的规律，培养学生宏微结合、证据推理、科学探究等化学学科核心素养。

本节课用到的信息技术有翻转课堂教学模式、AR技术、数字化实验、思维导图和相关课堂管理与互动技术，其宗旨是运用信息技术促进学生化学学科核心素养的发展。其教学流程如下：

2 主要教学过程及分析

2.1 课前学习环节

学生学习微课、完成练习，教师依据数据形成精准教学决策。

2.1.1 学习微课

学生课前利用翻转课堂云平台学习微课，初步了解了乙烯的结构和化学性质。微课的教学设计如下：

2.1.2 完成练习

学生依据所学知识在云平台上完成12道习题。根据云平台提供的分析数据可知，其中10、11两题的错误率较高，试题及相关数据（见图2、图3）如下：

10.下列关于乙烯和乙烷的说法，不正确的是（ ）

A.乙烯属于不饱和链烃，乙烷属于饱和链烃

B.乙烯和乙烷分子均为立体结构，不是所有原子都在同一平面

C.乙烯能使溴的四氯化碳溶液和酸性KMnO4溶液褪色，且二者褪色的原理不同

D.乙烯是一种植物生长调节剂

11.下列反應中，属于加成反应的是（ ）

A.甲烷和氯气反应

B.乙烯和氯气在一定条件下生成ClCH=CH2的反应

C.乙烯使酸性高锰酸钾溶液褪色

D.乙烯和HCl反应生成CH3CH2Cl

2.1.3 依据数据优化教学决策

教师依据云平台上学生练习的反馈数据，分析学生学习困难的成因，调整教学设计，提高教学的针对性。

根据第10、11题的统计数据可知，有30%～ 40%的学生认为乙烯使酸性高锰酸钾溶液褪色是加成反应，35%的学生认为乙烯和氯气反应是取代反应，说明一些学生对这两个知识点理解有问题。对于前者，教师分析了以下两种原因：一是教材和微课上都只介绍了乙烯能使酸性高锰酸钾溶液褪色，告诉学生这个反应是氧化反应。至于这个反应的机理以及其中的氧化产物和还原产物则没有介绍，导致学生难以理解；二是学生从教材和微课中都学习了乙烯和溴的四氯化碳溶液能发生加成反应，但是这个反应同时也干扰了学生对乙烯与酸性高锰酸钾溶液的学习，因为都是使溶液褪色，学生不能区分两种褪色现象在机理上的区别，导致在学生建构知识的初期，出现错误。对于后者，教师分析是因为前面学过的甲烷取代反应干扰了学生的后续学习。据此，教师把乙烯与酸性高锰酸钾溶液、溴的四氯化碳反应确定为课堂教学中的难点，并设计了用数字化实验提供实证的方法帮助学生理解这两个反应。

分析：微课和练习促进了学生对乙烯结构与化学性质的初步认识，学生在这一阶段主要是达成了乙烯相关知识的识记和理解目标，至于应用、分析、评价和创造等高阶认知目标则是在后续的课堂学习中完成。

信息技术提供的数据统计分析功能不仅减轻了教师批改作业的负担，更突出的是提供了学生和教师的双向反馈，一方面将答题情况及时反馈给学生，学生可以据此进行矫正学习，达成对知识的理解；另一方面将学生学习过程中存在的问题暴露在教师面前，教师可借助自己的知识和经验对存在的问题进行深度分析，找出问题的根源，并在课堂中有针对性地实施精准教学，以提升教学质量。这是信息技术为教学带来的显著功能，有效地提高了教学效率和教学质量，是传统教学手段难以企及的。

2.2 课堂环节1：AR技术深化学生对乙烯结构的理解

课堂教学伊始，教师引导学生用平板电脑扫描教材上的乙烯结构图片，一幅可自由转动和移动的乙烯三维立体结构图跃出屏幕，学生兴奋地在屏幕上转动着乙烯的三维结构图，并与甲烷、乙烷比较，建构乙烯的结构模型（见图4）。

教师提问：你认为造成乙烯和乙烷结构不同的主要原因在哪里？教师利用“电子随机点名”方式请学生回答问题，教师小结（见图5）。

教师指出：乙烯的官能团是碳碳双键，它的存在使得乙烯和乙烷在化学性质上有所不同。

分析：学生扫描课本上呈现出的乙烯三维立体结构图，是学校用增强现实技术（AR）开发出的有机物三维结构模型，这种高科技三维立体结构图让学生感到非常震撼，在教师问题的启迪下，学生通过观察、触屏使其在不同方向转动，并和甲烷、乙烷的三维立体结构进行对比，对乙烯的双键结构特点有了深入的了解，有效建构了乙烯的结构模型。同时，这种AR技术在学习中的运用，也有效地激发了对科技的兴趣和学习的热情，增加了学生的信息意识，体现了信息技术与化学教学融合创新的价值。

教师的问题和适时的小结，帮助学生通过对比和分析的方法，在原有的乙烷結构基础上进行内化，深入理解了乙烯的结构模型，为后续从结构的角度理解乙烯的化学性质奠定了基础。

2.3 课堂环节2：实验探究乙烯与酸性高锰酸钾溶液的反应

教师在大屏幕上呈现学生微课学习后在云平台上提出的问题：

学生1：乙烯分别通入酸性高锰酸钾溶液和溴的四氯化碳溶液时，溶液都褪色，为什么一个是氧化反应、一个是加成反应呢？

学生2：乙烯能使酸性高锰酸钾溶液褪色，那么，乙烯是断一个键还是两个键？

学生3：乙烯被氧化成什么物质？高锰酸钾被还原成什么物质？能用实验检验出来吗？

根据学生的困惑，教师设计了以下问题组启发学生思考：

问题1：判断两种物质发生化学反应的依据是什么？

生；检验出新物质生成或反应物减少。

问题2：判断两种物质发生氧化还原反应的依据是什么？

生：检验出氧化产物或还原产物。

问题3：如果乙烯和氧化性较强的酸性高锰酸钾溶液发生了氧化还原反应，乙烯可能被氧化成什么物质？

生：乙烯可能被氧化成二氧化碳。

问题4：请设计实验验证你的假设。

学生分组设计实验。

学生画好实验装置图后拍照上传，分享到大屏幕上供讨论。

教师按照学生设计的方案进行演示实验（见图6）。实验过程中澄清石灰水没有明显变化。

教师介绍数字化实验装置、数据采集器、二氧化碳传感器（见图7）。按图连接好装置，在充满乙烯气体的容器中加入25mL酸性KMnO4溶液，同时迅速插入CO2传感器。待数据稳定后，点击开始采集按钮开始采集实验数据。

学生观察实验得出的曲线（见图8），验证了反应中有二氧化碳产生。

教师：通过数字化实验可知，乙烯被氧化成了二氧化碳。但是传统实验方法为什么检验不出二氧化碳呢？请提出假设。

学生讨论后提出如下假设：

假设1：可能是生成的二氧化碳量较少，无法使澄清石灰水变浑浊。

假设2：可能是通入石灰水的气体中含有酸性物质。

教师将这个问题留给有兴趣的学生课后继续探究。

教师：这个氧化还原反应是乙烯双键都断裂，生成二氧化碳，高锰酸钾被还原成Mn2+。请写出这个反应的离子方程式。

分析：鼓励学生课前就微课学习中的困惑提出问题，培养了学生的质疑精神和独立思考的能力；教师教学中巧用问题组启迪学生得出判断氧化还原反应的实证方法，引导学生基于证据对乙烯发生氧化反应提出可能的假设，继而通过学生设计传统实验和教师演示数字化实验找到解决问题的实证方法，提升了学生“证据推理”的意识和科学探究能力，建构了判断氧化还原反应的方法模型。尤其是二氧化碳传感器的使用，克服了传统实验的局限性（产生的二氧化碳很少，难以检验），以曲线形式表征了二氧化碳的产生，验证了氧化还原反应的发生，彰显了数字化实验在化学学习中的独特价值。同时教师引导学生分析传统实验检验不出二氧化碳的原因，引导学有余力的学生在课后继续探究，体现了个性化学习的特点。最后，教师要求学生根据已知的氧化产物和还原产物写出该反应的离子方程式，虽然教材中没有涉及该反应的化学方程式，但是已知氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物写出离子方程式，是对化学1离子反应、氧化还原反应相关知识的巩固和深化，对高中化学核心知识的理解和应用有着积极的意义。

2.4 课堂环节3：运用POE教学策略探究乙烯的加成反应

教师呈现学生在微课学习中提出的问题：甲烷与氯气会发生取代反应，乙烯与溴的四氯化碳溶液为什么不是取代反应？

教师采用POE（即预测、观察、解释）教学策略引导学生进行科学探究。

教师引导学生根据乙烯的结构特点，写出乙烯与溴的四氯化碳溶液发生加成或取代反应的化学方程式：

教师介绍设计的实验装置：按图9连接好装置，向锥形瓶中充满乙烯气体，插入恒压分液漏斗，连接压力传感器。关闭下端玻璃活塞，打开上端橡胶塞，向漏斗中加入Br2的CCl4溶液。

P（预测）：请学生根据以上两个化学方程式，预测在恒压漏斗中向乙烯中滴加溴的四氯化碳溶液时，锥形瓶中压力的变化，画出可能的变化曲线，并将学生预测的曲线同步上传至大屏幕上。

O（观察）：教师请学生上讲台做演示实验，实验直播到大屏幕上，学生观察容器内压力变化（见图10）。

E（解释）：学生根据压力变化曲线进行解释。学生得出的观点如下：

观点1：由上述化学方程式可知，容器中气压减小，说明发生了加成反应。

观点2：容器中气压减小不能说明发生了加成反应，有可能是乙烯溶解在四氯化碳中。

观点2出乎教师的意料之外，教师对学生的观点表示赞赏后，适时改变教学思路，引导学生继续设计实验深入探究，学生在教师的启迪下，提出如下方案：

方案1：在上述实验的基础上运用控制变量的方法，增加一个乙烯与四氯化碳的对比实验，然后将两个实验的压力变化曲线进行对比，得出结论。

方案2：将过量的乙烯通入溴的四氯化碳溶液中，再加入硝酸银溶液，观察现象。

教师建议这两个实验可由学生课后到实验室自己完成后在全班分享。

教师播放乙烯与Br2发生加成反应的视频，讲解加成反应机理、定义和特点。

分析：教师从学生微课学习后提出的困惑着手，运用POE教学策略，首先引导学生写出乙烯如果发生加成或取代反应的化学方程式，让学生分析反应前后气体体积变化，并据此预测两种反应可能出现的气压变化曲线。当学生看到压力传感器测出的气压变化曲线和自己的预测一样时，感到很兴奋。令人欣喜的是有学生从物理变化（溶解）的角度对气压减小一定是发生加成反应提出了质疑，数字化实验激活了学生的批判思维和创新精神。教师对课堂上意外的生成因势利导，适时引导学生从控制变量的角度设计出溶解的空白对照实验，并延伸出用反证法检验溴离子排除取代反应的方案，让学生课后继续实验，将探究由课内延伸到课外。这种预设基础上的生成是一种无法预约的美丽，培养了学生的科学探究能力，促进了学生学科核心素养的发展。最后，学生通过观看乙烯加成的微视频，在教师的启迪下，从结构的角度认识了乙烯加成反应的原理，微视频的运用帮助学生建构了乙烯加成反应的模型。

在该环节的学习中，学生运用宏微结合的化学思维，较好地诠释了化学学习独特的四重表征：

2.5 课堂环节4：归纳梳理

教师在PPT上利用思维导图将乙烯和乙烷进行比较，将微课和课堂上学习的乙烯的结构、性质和用途进行小结。

教师还就科学方法进行小结：本节课的学习中，我们还收获了验证化学变化时，获取证据的科学方法：一是从反应物角度探究（如高锰酸钾溶液、溴的四氯化碳溶液褪色等）；二是从生成物角度探究（如检验生成物二氧化碳、溴化氢等），这是判断反应发生类型常用的方法；三是从反应伴随的现象角度探究（如压力、温度等）。在涉及颜色、压力和温度变化时需要考虑到相关因素的影响，如溶解以及溶解时的热效应等。

分析：这一环节是在电子白板上，利用思维导图的可视化功能，将学生通过微课学习、课堂探究获取的乙烯零散的知识，进行系统化、结构化的过程。通过和乙烷的对比，学生更加深入地理解了乙烯的结构和化学性质，在有机化学领域初步建构了“结构决定性质”的观念。思维导图的运用超越了传统板书的功能，有利于学生理解知识的逻辑结构。如果把乙烯思维导图的绘制交给学生在课后完成，效果会更好。

本环节，教师还归纳了本节课一个隐性的教学目标——求证化学反应是否发生的科学方法，强化了学生的证据推理意识。

2.6 课堂环节5：巩固练习

教师布置了以下两道习题：

（1）制取氯乙烷最好采用的方法是（ ）

A.乙烷与氯气反应

B.乙烯与氯气反应

C.乙烯与氯化氢反应

D.乙烯与氢气、氯气反应

（2）如何鉴别乙烷和乙烯？

大屏幕自动呈现学生完成第1题的进度，系统自动统计出第1题的答题情况，有25%的学生选了A选项，教师进行了及时的矫正。第2题教师采取“电子抢答”的方式，让学生分别根据乙烷和乙烯的化学性质提出鉴别方案。

分析：本环节两道习题的设计，帮助学生巩固了乙烯的化学知识，深化了对乙烯化学性质的理解。教学中教师运用了智慧课堂环境下的相关信息技术，如系统推送作业、自动统计答题数据等功能，有效地提高了教学效率，为课堂教学中及时反馈与矫正提供了技术保障。

3 反思

3.1 信息技术支撑下的课堂教学形态的创新——翻转课堂

近年来，安徽省“基于微课的翻转课堂”项目研究探索了翻转课堂的四种基本形态，分别是家校翻轉、校内翻转、课间翻转和智慧翻转。智慧翻转是翻转课堂的高级形式[4]，主要由微云、移动终端和云平台为教学提供技术支撑。本节课运用的是“知识建构型翻转课堂教学模式”[5]。课前，学生在翻转课堂云平台上个性化地学习微课和练习，对乙烯的结构、性质和用途，基本达到了识记或理解的水平；教师通过系统提供的练习反馈数据，精准地诊断了学生学习过程中存在的薄弱环节——乙烯与酸性高锰酸钾溶液、溴的四氯化碳溶液反应，科学地制订了课堂教学策略。课堂上，教师根据学生学习中存在的问题，引导学生通过科学探究，以宏微结合、证据推理的方式深化了对乙烯氧化和加成反应的理解，建构了乙烯的结构模型，形成了结构决定性质的观念，建立了氧化还原反应判断的方法模型，促进了学生化学学科核心素养的发展。

在智慧翻转的教学中，一些信息技术手段——系统推送作业、实时呈现学习任务完成情况、实验視频直播、作业拍照上传、作业完成后自动统计数据、电子抢答、电子随机点名等，创新了课堂教学的组织形式和互动模式，有效地提高了教学效率。但是，如何有效地使用这些令人眼花缭乱的新技术，需要认真地研究和反思，如大屏幕上“实时呈现学生任务完成情况”，应该只反馈给教师，否则会影响学生深度思考，也会给思维不够敏捷的学生或后进生带来压力；“电子抢答”功能不应该出现在所有的问题或练习环节，否则会使课堂教学成为面向优等生的教学，出现技术支持下的教育不公平现象；回答问题时的“电子随机点名”会使基于问题的教学失去针对性，等等。

3.2 传感器技术带来的实验手段的创新——数字化实验

化学是一门以实验为基础的科学。数字化实验以其高精度、实时化和可视化的特点，促进了科学探究的深度发展。如在本节课的课堂环节2中，由于该反应中生成的二氧化碳量较少，用传统方法难以检验，教师用二氧化碳传感器检验出了生成物中含有二氧化碳，并引导学生在课外继续探究；课堂环节3中，教师基于压力传感器运用POE教学策略，让学生能基于证据对乙烯和溴的四氯化碳溶液反应类型及其气压变化提出可能的猜想，通过观察曲线、分析推理加以证实。学生又从溶解的角度，对数字化实验现象得出的曲线和结论之间的逻辑关系产生了质疑，提出了进一步探究的实验方案。这两个环节中，数字化实验在学科核心素养培养方面，具有传统实验不可替代的功能，不仅帮助学生深度理解了乙烯的化学性质，还卓有成效地培养了学生的证据意识和科学探究能力，激活了学生的批判思维和创新精神。

3.3 增强现实技术营造的认知方式的创新——AR技术

信息技术带来的AR（增强现实）、VR（虚拟现实）和MR（混合现实）等技术，为学生深刻理解物质的微观结构带来了认知方式的创新。在课堂环节1中，用AR技术制作的可旋转、移动的乙烯三维立体动画，对于帮助学生理解碳碳双键的结构特点、建立乙烯的结构模型起到了积极的作用。宏观辨识与微观探析是化学学科核心素养，结构决定性质是化学学科的重要特征，利用信息技术制作的立体的、动态的、变化的三维立体动画，如有机物结构模型、杂化轨道的形成过程模型、各种晶体的结构模型等，对于帮助学生理解化学知识、建构结构模型、深化学科观念提供了一条令人鼓舞的技术通道。

参考文献：

[1]祝智庭，管珏琪，邱慧娴.翻转课堂国内应用实践与反思[J].电化教育研究，2015，（6）：14.

[2]唐烨伟，庞敬文，钟绍春等.信息技术环境下智慧课堂构建方法及案例研究[J].中国电化教育，2014，（11）：23～30.

[3]夏建华.数字化实验与中学化学教学深度融合[M].合肥：安徽教育出版社，2016：2.

[4]祝智庭.智慧教育新发展：从翻转课堂到智慧课堂及智慧学习空间[J].开放教育研究，2016，（1）：16～26.

[5]夏建华，后勇军.知识建构型翻转课堂典型案例研究——以“铁的重要化合物”的教学为例[J].化学教学，2015，（9）：29～33.