信息技术与化学学科教学深度融合的案例研究

项佳敏 钱华 马宏佳 陈凯

摘要：以近两年全国“威尼尔”（Vernier）杯化学数字化实验创新设计大赛的50个优秀作品文本为研究对象，用内容分析法分析作品的教师研究目的、学生发展目标、学科教学策略和技术使用情况，讨论了以数字化实验为例的信息技术在化学学科中深度融合的高、低达标维度，并针对数字化实验在化学学科教学中的深度融合提出建议。

关键词：数字化实验; 信息技术; 化学教学; 深度融合; 内容分析法

文章编号：1005-6629（2020）09-0021-07

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1 引言

信息技术的发展影响各行各业，不可能遗漏教育领域，而教育出于自身发展进步的需要，会很自然地拥抱信息技术[1]。2012年3月，教育部发布了《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》，开头直接引用了《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》中首次提出的重大命题：“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视。[2]”我国也从信息技术与课程整合阶段进入到信息技术与课程深度融合阶段[3]。

2018年1月，《普通高中化学课程标准（2017年版）》正式颁布[4]，该标准提出要在实验教学中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，在化学教材中引入数字化实验。

化学是一门以实验为基础的学科，化学实验是学生认识化学世界的重要方式，但在实验教学中常遇到部分实验无明显现象、观察到的现象无法解释原理、物质的微观结构与反应历程难于从教材示意图得到理解等问题。数字化实验是信息技术发展和科学教育研究相结合的产物，以数字化实验为例的信息技术与实验教学的整合，是教育改革规划所导向，是破解单调说教式实验教学较为现实的措施[5]。

本研究以全国化学数字化实验大赛的优秀作品为研究对象，旨在了解信息技术与化学学科的深度融合的现实问题，尤其是从实践层面研究数字化实验融入化学教学的现状和特点，具体受到以下研究问题的指导：

（1） 把数字化实验融入化学教学的实践，促进了师生哪些目标的实现？

（2） 教师在化学课堂中应用数字化实验时，采用了哪些教学策略？

（3） 数字化实验在融入化学教学的过程中体现出了哪些技术优势？

2 理论框架

数字化实验是指利用传感器、数据采集器和计算机及相应软件进行的实验[6]。与传统实验相比，数字化实验最大的特色就是借助传感器和信息处理终端进行实验数据的实时采集与分析，替代人工采集数据的模式，实现了人类感官的延伸，使化学实验超越传统模式，进入数字化、信息化感知模式。

教育的根本目的是立足于“人的发展”，信息技术与化学学科的深度融合也是“人、技术、学科”的大融合。

从学生层面上看，数字化实验与化学学科的深度融合体现在培养学生化学学科素养，发展学生的化学认知、化学能力和化学价值观[7]。美国研究学者发现，数字化实验的运用对学生带来的影响主要表现在这五个方面：（1）提高学生的认知能力[8];（2）提高学生的图像分析能力[9];（3）提高学生的科学探究能力[10];（4）改善学生的学习态度[11];（5）提高学生的学业成绩。

从教师层面上看，数字化实验与化学学科的深度融合一方面体现在深化教师的学科认识，提升教师的教研能力;另一方面体现在优化实验教学，便于学生理解，突破传统实验的限制，从不能解决到能解决、从定性实验到定量实验、从间接测量到直接测量等。Choo（2005）等人通过调查发现教师并未充分挖掘数字化实验对于探究教学的价值，在教学中过于注重操作技能而忽视了学生对数据分析能力的培养[12]。

从学科教学层面上看，数字化实验可以基于多重教学策略，促进学生在现有认知发展水平上感知科学、建构抽象化学概念。同时，数字化实验与化学学科的深度融合可以变革传统课堂教学结构，将教师主宰课堂的“以教师为中心”的传统教学结构，改变为既能充分发挥教师主导作用，又能突出体现学生主体地位的“主导—主体相结合”教学结构[13]。

从技术手段层面上看，数字化实验中种类丰富的传感器要能满足不同的教学需求，可针对不同的问题进行多重表征，同时该技术的可操作性强，便于师生理解应用。Lavonen（2003）等人针对一线化学教师设计“李克特量表”问卷，得出教师认为手持技术应具有的六大核心因素：多功能性、用户界面、数据呈现、数据采集、设置和适用性[14]。

3 研究方法

本文应用内容分析法研究近两年由中国教育学会化学教学专业委员会与南京师范大学《化学教与学》杂志社共同主办的全国“威尼尔”（Vernier）杯化学数字化实验创新设计大赛（简称“V杯赛”）的获奖实验案例文本，以分析50个较成熟的数字化实验案例在化学学科中深度融合的情况，并尝试针对数字化实验在化学学科教学中的深度融合提出相关建议和策略。

3.1 研究对象

本研究样本为2018～2019年V杯赛的获奖实验案例文本，有效样本共计50篇。按照最新化学课程标准的模块设置，根据主题知识类型对这些文本重新进行分类编号（见表1）。

3.2 建立评价框架

已有的信息技术与课程融合的评价研究文献成果是确定内容编码的依据，本研究的评价框架主要参考谭超颖[15]和Mukherjee[16]（2013）两位学者的论文，并邀请2位课程与教学论专家对该研究工具提出建议。

结合数字化实验案例设计文本，本研究从“数字化实验仪器的使用情况”“实验的质量维度”和“实验的内容领域”这三个方面进行分析，具体设置了“教师研究目的”“学生发展目标”“学科教学策略”和“技术使用”这4个一级维度，并下分了20个二级维度（见表2），在研究过程中，以每一篇獨立的实验设计文本为分析单元进行统计和分析。

3.3 资料编码分析

根据表2的数字化实验内容分析框架，对实验设计文本进行编码，以每篇设计文本为分析单元，只要这篇文本中出现了框架中某一个维度的关键词或体现相关理念，即计频数为1;如果同篇文本相关维度出现多次，不重复累计频数。

在编码过程中，邀请三名化学教育方向的研究生以表2的数字化实验评价维度为依据对实验案例设计文本进行编码、评价。由如下公式[17]计算三位评分者的互相同意度与信度：

经检验，本研究总维度平均相互同意度（K）为0.81，平均信度（R）为0.92（R>0.9），信度检验合格，各一级维度的同意度和信度如表3。

在编码结束后，三位评分者针对编码不一致的地方再次进行讨论协商，最终达成一致。

4 结果与讨论

在结果统计中，笔者汇總了案例中所有用到的数字化仪器种类和数量（见图1），将50个案例分成了8个模块（见表1），统计了每个模块中的案例，在4个一级维度和20个二级维度上（见表2）的达成情况，具体数据及分析如下。

4.1 数字化仪器的使用情况分析

从对数字化仪器的统计结果中可以看出，本研究中的50个数字化实验案例包括了多达20种不同的传感器（测量功能），这充分体现了数字化实验的多功能性。在50个案例中，有19个（38%）使用了pH传感器，8或9个（16%～18%）使用了温度传感器和氧气传感器，这又体现了数字化实验的普适性。数字化仪器的加入，使得化学实验突破传统模式，简化实验步骤，化间接测量或不能测量为直接测量，增加原先在传统实验中不能表征的维度。

4.2 实验达标维度分析

分析比较50个数字化实验案例在各二级维度上的达标情况，结果如图2。

4.2.1 高达标维度

在20个二级维度中，有5个维度的达标率达到了100%，分别是“突破常规实验”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“技术的适用性”以及“技术的多功能性”，另外在“便于学生理解”维度也达到了98%。这说明这50个优秀的数字化实验案例都以促进学生理解为立足点，利用手持技术突破传统实验的限制，而不是为了体现“技术”而改进，浮于展示技术和现象的表面，只有能促进学生认知的改进才算是“深度融合”的体现。同时，数字化实验的操作过程较为简单，易被师生学习和理解，利用不同的传感器表征可以应用于多类问题解决。

从数据可得，这50个实验案例都能培养学生“证据推理与模型认知”和“科学探究和创新意识”这两个方面的化学核心素养。一方面，本研究的研究对象就是数字化实验案例，本身的立足点就在于实验探究并突破传统实验，因此在“科学探究和创新意识”维度达成度高，纵然是教师演示的数字化实验，也可以通过与传统实验不一样的视角、和常规实验截然不同的思维来提供创新意识的示范;另一方面，该评价结果表明教师在设计实验时重视了学生对数据和结果进行讨论和分析能力的培养，传统的化学实验探究教学往往过于注重操作技能，容易忽略对证据和理由的深度思考，数字化实验有助于数据显性化、证据可视化，从而提供建立问题解决的模型构建途径。

例如，利用溶解氧传感器、温度传感器和氧气浓度传感器探究“氧气水溶度的影响因素”，若用传统实验研究气体水溶度问题，一般利用气体容器的体积变化来间接测量，但该类传统实验的不足在于：（1）无法排除混合气体中其他气体的溶解影响;（2）利用体积变化来间接测量数据不准确，只能通过这一个表征粗略地定性研究;（3）对于像氧气这一类本身溶解度较小的气体来说，气体溶解后体积变化不明显，难以测量……但若用数字化实验来解决该问题，这些限制就能被突破，传感器可以实时探测空气中的含氧量以及水溶液中的含氧量，并以直观的数据图像展现给学生，直接让学生“看见”氧气在空气和水中的含量变化，促进学生理解，并且通过改变温度等其他条件，利用其他传感器表征解决这一类问题。

4.2.2 低达标维度

达标率低于50%的维度有四个，分别是“以学生为中心”“认知冲突”“合作学习”和“基于真实情境”。本研究中的数字化实验案例文本只有24%体现了学生实验、分析、汇报、反思等学生活动，以及只有20%体现了师生合作、生生合作的教学模式。数字化实验涉及装置的搭建、软件的使用、数据的分析等环节，促进合作学习应为数字化实验本身的优势之一，但在案例文本中没有较多的体现，但这也与本研究的样本选取有关，毕竟本研究中的案例多为实验案例设计，而非教学设计，因此在“学生行为”方面的文本较少。在研究问题的选择上，教师还是倾向于从教材出发，真实的问题解决情境较少，并且只有32%的问题是来源于师生的认知冲突。

4.3 实验内容分析

比较各模块的频次分布情况和平均频次，结果如图3所示。

从各个模块的案例数量分布来看，中学化学教师非常青睐“常见的无机物及其应用”和“物质结构基础及化学反应规律”这两个模块，说明目前的数字化实验较多应用于性质和原理的教学，如探究金属活动性、研究铵盐与金属镁的反应规律、探究胶体粒子的形成过程等等。另外，初中案例整体偏少，这也值得我们思考：究竟是学科内容的不适合，还是初中教师不善于用技术支持学科实验？

从图表中我们可以看出各模块的案例数量与各模块的维度频次的数量趋势大致相同，结合各模块的评价频次，发现各模块中每个案例在维度达标数量大约在13～14个，各模块在平均频次上没有明显差异。相对来说，平均频次最高的是高中的“化学与社会发展”模块。在本研究涉及的50个案例中包含3个，分别是酸雨的pH探究、水培植物生长环境自动化调节实验以及探究抗酸药的抗酸能力。这些实验案例都是基于真实情境的大任务型问题解决，并且与社会、技术和生活紧密联系，通过这样的科学探究和多学科融合的过程，学生能发展多维化学核心素养。

例如，在“水培植物生长环境自动化调节实验”中，教师利用光学溶解氧传感器、pH传感器等数字化仪器，为生物和化学学科的融合架起了桥梁;再如“通过音乐节奏的快慢变化表现溶液中离子浓度的大小”，教师利用导电率传感器和TI创新系统，将化学与计算机编程和艺术相融合。

5 研究结论

通过上述对50个较成熟的数字化实验案例文本的研究，可以得出信息技术与化学教学深度融合过程中有以下特点和不足：

（1） 在数字化实验与化学教学深度融合过程中，教师都以促进学生理解为目标，而不是仅限于展示“技术”本身，并且利用数字化实验可以达到常规实验所“不能”，从定性研究到定量研究、从间接测量到直接测量等。

（2） 数字化实验可以促进师生对化学知识本体的认识，教师较多地将数字化实验融合在“常见的无机物及其应用”和“物質结构基础及化学反应规律”这两个模块，目前数字化实验多用于对物质的性质和反应原理的探究。

（3） 总体来看，数字化实验与化学学科的融合对学生化学核心素养的发展较为可观，尤其在“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”和“科学态度和社会责任”方面。

（4） 本研究的案例在学科教学策略维度的体现相对较少，教师倾向于从教材出发设计实验探究案例，基于认知冲突和基于真实情境的案例较少。

（5） 案例文本中未能较多体现师生合作、生生合作的教学模式，学生在整个探究活动的实验、交流、反思等环节也较少提及，但这也与本研究选取的样本性质有关，样本侧重于实验案例设计，而非实验教学设计。

6 启示与反思

6.1 明确数字化实验融入化学教学的目的

6.1.1 挖掘实验的育人价值

数字化实验在根本上是为“育人”服务的，因此，无论是教师、学者自己利用手持技术研究疑难问题，还是设计成学生探究实验，数字化实验的运用都不能脱离为了“人的发展”的根本目的。若单纯为了展示技术或学习技术而采用数字化实验，并不能促进人们对问题的理解、满足师生的发展需要、培养学科核心素养。

6.1.2 拓展问题解决的新视角

数字化实验的应用应该从学习视角出发，为师生解决问题提供新的视角思路——利用技术让原本难以研究的问题找到突破口，让原本难以理解的抽象问题显性化、可视化。由于现代化学科研对技术的依赖，实验室里简单的试剂仪器已经不满足时代的要求了，数字化实验的融合可以让学生体验现代化学科研过程，让每个学生学会读图分析，培养学生的数据分析能力。

6.2 优化数字化实验融入化学教学的方法策略

6.2.1 化间接测量为直接测量，简化实验步骤

一般化学实验中的物质变化可以从多个维度进行表征，常规化学实验只能从宏观可观测的现象进行分析推理，如颜色、状态、温度、体积等，数字化实验技术的加入可以看作是对人感官的延伸，使我们视原先之不可见、听原先之不能闻、触原先之不宜碰。

6.2.2 化定性分析为定量测量，提高结果准确性

数字化实验的数据、图像、仪表三大类表征形态，均能提供大量精确、可靠的数据，避免因人工观测和记录而产生的主观误差和客观失误，提高了结果的准确性。但在实验过程中，教师也要注意因传感器扰动等因素引起的数据异常，让学生对所探究的科学概念的理解产生偏差[18]。

6.2.3 呈现直观现象，便于学生理解

数字化实验蕴含信息转换思维，教师根据不同的实验需求，可以利用数字化仪器查看任一时刻或某个过程的实验数据，通过“实时性记录”最后将实验结果以直观的图像等形式展示给学生，让学生进行科学的分析研究，通过直观的实验现象促进学生的理解。

6.2.4 发挥技术优势，变革教学方法

数字化实验的应用不应该只是简单的、机械地用数字化仪器替代传统的仪器，要充分体现数字化实验的优点，必须对教学方法进行有效的变革[19]。例如，新一代数据采集器具有便携性，数字化实验可以突破常规实验的空间限制，实现现场实时测定，教师可以利用该优势，创设真实情境，设计学生探究实验，比如在户外测定池塘水的含氧量，并在这样的过程中让学生自主探究、小组合作等，避免将目光局限于技术，而是综合兼顾其他教学策略，培养学生的核心素养。

6.3 突破数字化实验对技术工具的应用

随着科技的进步和传感器成本的进一步降低，我们可以把越来越多的新技术纳入数字化实验中，使数字化实验的技术功能更加丰富。例如目前已有研究者把微距摄影用于化学物质形态表征，把热成像仪用于温度分布的表征[20]。这些新技术都可以被开发成标准化的传感器，纳入数字化实验系统中。此外，目前常规的数据采集器通常只有4个接口，但未来可以研发出更多接口数量的数据采集器，并进一步缩小数据采集的延迟，以便更高效、更实时地收集更多数据。

6.4 本研究的局限性

本研究也存在一定的局限性。一方面，在样本的性质上，本研究中的案例多为实验案例设计，而非教学设计，更非教学实录，因此在“学生行为”方面的文本较少，可能这也是导致各个案例在“教学策略”维度普遍体现较少的原因之一。

另一方面，在样本的时间跨度上，本研究选取了2018～2019年的案例，时间跨度相对较短，因此对于时间维度上的规律性认识挖掘较少。

在对未来的研究展望中，可以选取课堂实录视频样本以及增加样本的时间跨度，有望突破这种局限性，得出其他准确、有价值的规律认识。

（致谢：作者特此感谢南京师范大学教师教育学院蒋怡、李超、姜文娜同学在数据评分编码中所做的相关工作。）

参考文献：

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