《高中化学实验》立体学习材料的开发与教学实践

朱锣坚 钟沈璐 吴文清 刘玲玲 滕波涛

摘要： 《高中化学实验》立体学习材料是根据高中化学课标与化学学科核心素养的要求设计开发的，内含四个主题共26个实验，分别与课标必修内容相对应。立体学习材料以二维码作媒介，集合实验微视频、教学微视频、教学设计和巩固练习等大量优质资源，成为传统纸质材料的立体化补充，弥补了实验条件与优质师资较缺乏的学校教学资源的不足。教学实践表明，教材与立体化学习材料相结合教学，对激发学生的学习兴趣、培养学生的科学探究与创新意识等化学学科核心素养有重要作用。

关键词： 化学实验; 立体学习材料; 教学实践; 化学学科核心素养

文章编号： 1005-6629（2021）02-0051-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  《高中化学实验》立体学习材料的开发背景

随着教育改革的持续深入及现代教育技术的不断发展，作为知识呈现的主要载体——教材亦需与时俱进。传统纸质教材在知识传播与人才培养中发挥了巨大的作用，但其修订繁琐、知识更新较慢，特别是对化学、物理、生物等涉及实验较多的学科较难形象、直观、动态、多维度进行阐述。由于传统纸质教材的局限性，我国在2002年首次提出“立体教材”概念[1]，即将纸质文本与相关数字资源整体规划设计，把多种形态的资源（图表、动画、音视频、教学微视频等）通过二维码与纸质文本有机结合，支持学习者通过移动终端进行学习的新型教学和学习资源集合体[2]。“立体教材”由单一的纸质载体转向多媒体数字资源的有机融合，充分体现了教材的能动性与互动性。因此，如何在传统纸质教材的基础上，利用现代教育技术开发符合当前我国教育实际的立体教材或学习材料，成为教育工作者们的一项重要任务。

2016年9月，教育部发布“中国学生发展核心素养”要求，随后各学科提出了相应学科核心素养。其中化学学科核心素养包括“宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究與创新意识、科学态度与社会责任”等5个维度，其目的是促进教育模式转型，由重视化学知识体系的科学性和系统性转向学生化学核心能力和化学学科核心素养的生成;由重化学知识结构、轻学生能力培养转向促进学生化学能力提升和全面发展。国家教育指导方针的转变、化学学科核心素养的培养对化学，特别是化学实验教材或学习材料的编写提出了更高的要求[3]。

化学是建立在实验基础上的学科，成功的实验能够更好地帮助学生理解课堂理论知识，激发学生的化学学习兴趣，提高学生的观察能力、动手能力、数据分析与科学探究能力，进而促进化学学科核心素养的形成。目前，我国尚无独立的《高中化学实验》教材，实验分散在理论知识教学的章节中，相关实验与学生生活实践联系不够紧密，缺乏趣味性。同时，由于高中学习压力大，部分实验教学被缩减，特别是在一些教学资源匮乏的学校，由于没有条件开展化学实验教学，存在教师只能口头描述实验的现象。另一方面，在一些特殊情况下，如疫情期间线上教学无法开展化学实验教学工作。

为加强化学实验教学，全面提升学生的化学学科素养，在系统调研《普通高中化学课程标准（2017年版）》[4]对高中化学必修实验要求的基础上，我们选择体现基础性与时代性的实验教学内容，运用现代教育信息技术，设计开发《高中化学实验》立体学习材料，并开展了初步的教学实践。

2  《高中化学实验》立体学习材料的设计

2.1  构建高中化学必修实验体系

《普通高中化学课程标准（2017年版）》明确要求： 化学教材要以发展化学学科核心素养为主旨，体现基础性、时代性和人文性;在教学内容的选择上应凸显化学学科核心概念，精选化学核心知识，重视实验探究与实践活动，并关注社会与生活，体现科技发展趋势及科学与人文的融合。

为培养学生的化学探究能力，实现学生化学学科核心素养的全面发展，突出化学基本观念的统领作用，按照化学课标必修教学内容的要求，《高中化学实验》立体学习材料分为四个主题：“化学科学与实验探究”“常见的无机物及其应用”“物质结构基础及化学反应规律”“简单的有机化合物及其应用”。学习材料以课标的必做实验为主线，每个主题设计2～3小节，辅以2～3个相关实验进行知识拓展。每个实验都有相应的二维码，学生通过移动电子设备扫描二维码获取相关实验的网络资源，包括实验操作演示视频、电子教案、巩固练习等。学习材料具体章节内容设置如表1所示。在实验选择方面，笔者选择紧密围绕理论知识内容，具有一定趣味性的微型实验、家庭小实验为主，适当增加部分数字化实验、定量实验和创新实验。通过实验能够更好地理解理论知识，激发学生的学习兴趣，提高学生的观察能力、动手能力、数据分析与科学探究能力，从而促进化学学科核心素养的形成。

从教学内容来看，《高中化学实验》立体学习材料是以高中化学课程标准为指导，以辅助化学实验与理论教学为基本定位，以课标规定的化学实验为基础，围绕培养学生的化学学科核心素养进行开发，其内容自成知识体系，可较好地与各版本化学教材衔接，教师可根据教学进度选择使用学习材料中的相应内容。

2.2  编写高中化学实验立体学习材料文本

为配合课堂理论教学，倡导真实情境的创设，落实化学实验的探究性和操作性，体现教学内容的结构化设计，同时符合学生的认知规律，我们系统编写了高中化学实验立体学习材料的文本。对每个实验设置“情境导入”“小试牛刀”“由浅入深”“拓展应用”等四个模块，相应模块示例如图1所示。其中，“情境导入”模块根据情境的不同分为“温故知新”“化学摇篮”与“知识预备”三种类型，主要是导入实验教学内容;“小试牛刀”模块是进行实验设计与操作;“由浅入深”模块是通过对实验的思考与讨论分析实验背后的原理，掌握化学规律;“拓展应用”模块是将前面学习过的化学原理应用于生活实践或学科前沿研究。同时，学习材料中设置了“思考与讨论”“活动与探究”“资料卡”“小贴士”等系列栏目，以补充学习材料内容，相应栏目设计示例如图2所示。

学习材料在内容与实验设计中较好地体现了学科核心素养的要求。“宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想”主要在“常见的无机物及其应用、物质结构基础及化学反应规律”等主题中体现。通过学习这部分内容，学生学会从微观角度理解与认识宏观现象，建立物质微观结构决定宏观性质的观念以及能量转化与化学平衡的思想。“证据推理与模型认知、科学探究与创新意识”主要在“化学科学与实验探究、物质结构基础及化学反应规律、简单的有机化合物及其应用”等主题中体现。通过化学史介绍科学家对有机物结构的探索过程，培养学生观察实验现象，总结归纳定性或定量模型的科学研究能力，借助系列实验教学专题与视频学习，培养学生独立思考的科学探究能力和勇于创新的意识;“科学态度与社会责任”则贯穿在整个学习材料的思想体系中。

2.3  建立高中化学实验视频资源

实验视频设计是开发立体学习材料至关重要的环节，是维系学习材料使用和学生学习的桥梁纽带。传统的教材只提供静态文字的实验步骤，但无法呈现动态演示的实验过程;传统的实验视频以展示实验过程为重点，缺少对实验原理的清晰阐述和对学生情感态度的深刻涵养。根据逻辑清晰、简洁明了、重点突出、启发思考的设计理念，笔者录制了相应教学实验视频。视频时长2～3分钟，一般包括背景介绍、实验操作、原理讲解、问题思考四部分，实验流程按实验内容的顺序依次进行。实验视频拍摄时，镜头对准双手和试验台，如同学生的眼睛，以第一视角的方式呈现整个操作过程，给予学生近距离的学习体验;实验操作结束后进行实验原理的讲解，给出实验现象的化学原理;在原理讲解结束后，提出1～2个小问题，引导学生思考或用于教师课堂导课。实验视频制作时，利用相关视频软件添加了讲解字幕、化学方程式以及知识性图片，以期更好地满足学生准确理解教学内容的需求。同时，视频配备了舒缓或轻快的背景音乐，以营造舒适的学习氛围。相关学习材料文本及视频已上传至https：//space.bilibili.com/389559267及浙江师范大学化学教学示范中心，供学习者免费下载使用。

3  《高中化学实验》立体学习材料的教学实践

笔者在浙江师范大学附属中学高二年级进行了《高中化学实验》立体学习材料的初步教学实践。实验班与对照班均为化学选考班级，分别有39与40名选考生（成绩相当，男女均衡），教学实践内容选择了学习材料的重难点内容“化学反应速率及其影响因素”。

在授课教师、授课学时相同的前提下，实验班使用化学实验立体学习材料和苏教版化学教材，对照班仅采用苏教版化学教材。实验班首先借助多媒体播放立体学习材料中“大象牙膏”实验视频，帮助学生了解大象牙膏形成的重要原因——双氧水分解，激发学生的学习兴趣;随后教师根据学习材料引导学生探究影响化学反应速率的因素，播放“化学反应速率影响因素”实验微视频并进行实验演示，直观、形象地验证学生探究的結果;在此基础上，教师引导学生提出化学反应速率定量描述的方法与思路，再播放“双氧水分解速率测定”实验微视频，验证设计并学会定量测定、计算化学反应速率，加深对化学反应速率理论知识的理解;最后，教师依照学习材料编排，适当进行知识的拓展应用，总结归纳课堂。对照班则按照原教学模式授课，常规旧知导入，新知讲授与练习，课堂总结;实验教学只进行了化学反应速率影响因素的演示实验。授课结束后，两个班均使用同一套课后测试题进行检测，比较两个班学生对化学反应速率知识的学习情况。实验班课后完成“《高中化学实验》立体学习材料及其教学调查问卷”，笔者随机对部分学生进行访谈工作。

根据教学实践调查与学生访谈发现，绝大多数学生没有听说过立体教材或立体学习材料的概念，即使少数学生听说过，其了解的情况也与实际立体教材概念有较大偏差，说明学生对立体教材或立体学习材料的认知还处于起步阶段。尽管如此，在使用《高中化学实验》立体学习材料学习后，学生对立体学习材料表现出浓厚的兴趣，对教学实验微视频以及课堂使用效果都给予了积极评价。在授课模式方面，近九成的学生选择了教师讲授、视频等资源进行辅助的课堂模式。

课后测试结果统计发现，实验班平均成绩79.7分，对照班为77.6分。由表2可以看出，实验班高分段明显高于对照班，同时低分段（40～60分）学生比例明显减少。学生访谈反馈表明，形式新颖、内容创新的立体学习材料增强了课堂的趣味性，有利于集中注意力。与传统讲授式课堂教学不同，使用立体学习材料文字、声音、视频“三位一体”的动态教学信息呈现，赋予了化学课堂以活力与魅力。教师可将立体学习材料中的内容融入教学设计，使教学过程呈递进式，如本例中先采用趣味实验给学生感性认知，再通过不同反应条件的实验获取化学反应速率影响的定性规律，最后到定量实验测定化学反应速率的递进式教学。这种教学设计从感性认知到定性理解，最后上升到定量测定，符合学生的认知规律，加深了学生对相应教学内容的理解与掌握，提高了课堂学习效率与测试成绩。

4  《高中化学实验》立体学习材料的特点与应用

4.1  立体学习材料的特点

从立体学习材料的制作方面来看，“力破传统”成为《高中化学实验》立体学习材料的特色。主要特点如下： （1）充分体现核心素养。学习材料内容紧扣课标，从“情景导入、小试牛刀、由浅入深、拓展应用”四个层次依次递进，同时实验选题兼顾知识性、趣味性与创新性，符合学生认知发展规律，外显化学学科核心素养。（2）动态呈现课程内容。视频实验操作与理论讲解、教育性与趣味性相互结合，动态呈现教学内容。（3）立体整合教学资源。立体学习材料拥有实验视频、教学设计等丰富的教学资源，二维码将数字资源与理论教学有机融合，同时可不断更新线上教学素材。总之，与传统纸质教材相比，《高中化学实验》立体学习材料融合学科素养与最新教学技术，受到学生的欢迎，并取得较好的教学效果。

4.2  立体学习材料的应用

从学习材料的应用方面来看，《高中化学实验》立体学习材料力求补齐理论与实验教学上的短板。主要表现如下： （1）充实课堂教学环节。由于学习材料包含丰富的教学资源，教师可将其作为情境导课、小组讨论、知识拓展等课堂环节中的拓展材料，扩展学生的视野与思维，巩固理论知识。（2）弥补教学资源不足。在设备仪器、化学试剂及优质师资欠缺的学校或“特殊条件下”的线上教学中，立体学习材料的运用解决了教学中教师枯燥描述实验、学生凭空想象的教学难题。（3）辅助实验教学环节。实验前，学生通过观看实验视频，了解决定实验成败的关键环节，既保证了学生实验的准确、安全及高效性，又提高了学生的自学能力。课后，学生亦可以借助立体学习材料及其网络资源进行复习巩固，及时查漏或补缺。

综上，《高中化学实验》立体学习材料填补了国内中学化学立体学习材料的空白，旨在能够推动中学化学教学、提升学生化学学科核心素养。但由于团队在立体学习材料的开发方面尚处于探索阶段，《高中化学实验》立体学习材料仍需在教学实践中不断建设与完善。同时，国内现阶段以讲授为主的中学教学模式与立体学习材料中以实验视频互动为主的教学模式之间存在矛盾，必然要求教学模式做出相应调整。与实验视频相结合的研究性学习、在线合作学习、计算机辅助学习、翻转课堂等教学模式尚需进一步进行探索。

5  结语

根据《普通高中化学课程标准（2017年版）》与化学学科核心素养的要求，我们设计开发了《高中化学实验》立体学习材料。学习材料包括“化学科学与实验探究”“常见的无机物及其应用”“物质结构基础及化學反应规律”“简单的有机化合物及其应用”四个主题共26个实验，分别与课标必修内容相对应。以二维码作媒介，集合线上实验微视频、教学微视频、教学设计和巩固练习等大量优质资源，成为传统纸质材料的立体化补充。通过教学实践与问卷调查，发现《高中化学实验》立体学习材料既可作为教师授课的拓展材料，又能成为学生的自学工具;既可用于情境导课、小组讨论等课堂教学的各个环节，又能实现翻转课堂、研究性学习等新时代的教学模式;既可优化教学资源的利用，又能弥补教学条件的不足。前期教学实践结果表明，使用立体学习材料开展立体化教学，在很大程度上激发了学生的学习兴趣，增加了学生对实验探究的学习期待，学生的实验技能与水平在立体化学习材料的支撑下明显提高，实践能力和创新精神也得到了显著提升，学生化学学科核心素养通过立体学习材料的使用得到了培养与发展。尽管《高中化学实验》立体学习材料的开发填补了国内这一领域的空白，但仍需在今后的教学实践中不断完善与提升。

参考文献：

[1]张映光. 试论立体化教材建设——谈CAI课件及网络教学资源的设计策略[J]. 中国大学教学， 2006， （3）： 60～62.

[2]陈琳， 蒋艳红， 李凡， 王矗. 高校教材建设的时代性要求研究[J]. 现代教育技术， 2011， 21（10）： 20～23.

[3]黄恭福， 邹海龙. 学科核心素养视域下的中学化学实验教学研究综述[J]. 化学教学， 2020， （2）： 24～28.

[4]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.