高中化学数字化实验校本课程开发与实施

王成秩

（福建师范大学附属中学，福建福州 350007）

化学是以实验为基础的学科，化学实验对全面发展学生的化学学科核心素养发挥着极其重要的作用。随着科技的进步，化学实验技术手段日新月异，融现代信息技术于一体的数字化实验进入了化学课堂教学。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。［1］与传统实验相比，它能够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，呈现可视的图像信息，具有实时性、准确性、直观性等特点，可以弥补某些传统实验操作不便，实验数据不易采集的特点，使化学实验进入数字化、信息化的感知模式。因此，数字化实验得到了化学教育工作者的重视而被研究开发。《普通高中化学课程标准（2017版）》指出，高中化学课程教学以发展学生化学学科核心素养为主旨，要注重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。［2］数字化实验促进学科核心素养的发展研究进一步得到重视。

综合研究数字化实验的文献观点来看：数字化实验其数字、曲线图像的同步表征能力，为化学学习提供了更为直观的证据来源，将数字化实验引入中学化学实验教学中，能有效帮助学生理解和掌握化学知识，建构化学概念，理解反应原理，发展学科思维，提升学科核心素养。相对传统实验手段在发展学生“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”更高水平的素养上有独特的优势。［3］虽然数字化实验优点突出，但实际上数字化实验并没有被广泛应用于课堂教学，其优点没有得到最大限度的发挥。其主要原因在于：一是由于数字化实验对场地、仪器设备以及学生前期的操作培训要求较高，数字化实验若以学生分组实验的形式应用于课堂教学，往往会占用较多的教学时间而影响教学进度，因此数字化实验更多是教师以演示的形式在课堂中使用，学生独立操作进行探究的机会很少。二是教科书中并没有编写数字化实验案例，将数字化实验应用于课堂教学需要教师开发设计，因此很多学校虽然建设了化学数字化实验室或购买了相关设备，但数字化实验多应用于教学观摩或教学比赛中。

综上，要让数字化实验真正地走进学生，发挥育人作用，需要开辟新的途径。在诸多开展数字化教学过程的研究中，开发数字化实验为载体的校本课程是一条可行的途径。［4］校本课程是以学校为本位、由学校结合本校资源自己确定的课程，其自主性的特点能有效解决场地、课时安排等问题，能最大限度提高学生实验操作的自主性。本文以高一化学为例，探讨了基于核心素养的高中化学数字化实验校本课程的开发与实施。

一、基于目标模式的课程开发

（一）课程开发的模式与程序

美国学者泰勒提出的目标模式是课程开发的常用模式，［5］该模式指出课程开发应包含“精确的、具体的课程目标、选择学习经验（或指内容的选择和组织）、组织学习经验（或指课堂教学）、评价学习结果（或指学业评价）”四个要素，结合四个要素“化学数字化实验探索”开发程序依据图1进行：

图1

（二）课程目标的设置

校本课程是国家课程的有效补充，其开设是为了满足学生未来发展的多样化需求，因此校本课程的培养目标应该以国家课程培养目标为核心，结合课程内容的特点进行设置。数字化实验校本课程的实质是实验类课程，具有实践性和探究性的特点，但实验类的课程应以具体的化学知识为载体，进而建构化学概念、揭示化学反应原理。据此，本课程目标以发展学生学科核心素养为主旨，着重激发学习化学的兴趣，突出实验技能培养，促进学生对高一化学核心概念的深度理解，其内容为：一是能根据探究目的利用数字化仪器设计实验方案，并完成实验操作，初步形成数字化实验操作技能；二是初步学会利用实验得到的数据、曲线图像、实验现象等进行宏观辨识与微观探析、基于证据进行分析推理，能解释证据与结论的关系；三是在实验中感受学习化学的乐趣，深化理解高一教材部分核心概念，了解概念的形成过程。

（三）课程内容的选用

普通高中课程方案指出，课程内容的确定要符合思想性、时代性、基础性、选择性以及关联性。［6］学校校本课程开设对象为高一学生，学生学习能力总体较好，校本课程实施时间按学段划分，一个学年共计4个学段，每个学段10周左右，每周有一次的校本课程，每次课为2课时连课共80分钟。根据上述特点，本课程内容选择的依据定位为能够体现高一必修教材核心概念的建构或元素化合物性质的探究，实验方案相对简单可操作性强，能涵盖常见的数字化仪器，能与课时时间相匹配。实验内容主要依据苏教版高一必修部分实验内容及学术期刊或书籍中的优秀案例进行改编。内容编写基本按照：概念介绍——实验探究——结果讨论与分析的程序进行，知识内容的难易程度、活动过程的设计充分考虑高一学生的学习能力，注重与学生发展核心素养养成相联系。

（四）课程内容编排与教学目标

为了让课程更能与高一必修课程相融合，形成更合理的体系，课程内容编写之后进行了主题划分，整个课程分为4个主题，共24课时，每课时均突出核心概念的学习，其课程内容编排与教学目标如表1：

表1

主题一侧重实验技能的培养，是课程内容的基础。几乎所有的学生是第一次接触数字化实验的相关仪器，因此需要进行操作技能的培训，让他们掌握使用方法。除了数字化实验之外，课程过程中还需要其他的一些辅助实验如溶液的配制、样品的称量等，因此有必要进行相关定量仪器的介绍学习。

主题二至四侧重概念建构知识，辅以物质性质探究。表1中呈现的实验、核心概念几乎都是国家必修1课程要求的相关实验、概念，能符合高一学生的认知水平和实验能力，体现了对必修课程的补充。与必修课程中的实验相比较，最大不同在于采用了数字化实验，希望通过数字化实验的定量化特征帮助学生降低认知负荷，有效建构概念，让学生在分析数据化曲线图像提升信息提取能力，发展宏观—微观—符号认知能力，促进化学学科核心素养的落地。

二、课程的实施与反思

（一）课程的授课模式

“化学数字化实验探索”校本课程面向高一学生进行自主选课组班，授课时间为每周五下午，课长为2课时连课共80分钟，总课时为20-24课时。课程由两位教师共同执教，其中一位教师主讲，另一位教师协助指导学生进行实验操作，参与学生的问题讨论，做好学生课堂表现的评价记录。授课主要采用教师讲解—学生实验—师生讨论的模式，这一模式体现了教师的组织者作用，充分发挥了学生的主体作用。教师讲解重在讲概念原理，实验方案的设计依据，学生实验探究以两人合作探究为主，教师指导为辅，重在培养学生的实验操作能力和实验记录能力，养成观察实验发现问题的习惯，师生讨论则是在教师的组织下学生根据实验得到的数据、图像进行分析对比得出结论、分享学习收获，教师则对学生的汇报进行评价记录。此环节重在培养学生交流表达的能力，培养学生基于宏微结合、证据推理的思维方式。

（二）课程的评价方式

课程评价包含了对学生的学习评价以及课程的自身评价，评价是为了评估课程的实施是否达成课程目标，为了修订课程内容、优化教学模式，反馈学生学习情况和实施效果。

学习评价是校本课程教学的重要组成部分，对促进学生核心素养有积极的重要作用。本课程对学生的评价以过程性评价为主，坚持定性评价和定量评价相结合的原则，具体由课堂表现和实验报告单两部分组成，课堂表现评价体现学生在实验过程、交流讨论中的表现，主要包含听课、实验操作及发言情况，由教师给予定性评价。实验报告单评价由教师根据学生完成的实验报告单给予定量评价。两者的评价情况在课程结束时，由教师以素质报告单的形式向学生反馈，素质报告单简要评价学生的课堂表现、实验操作能力，记录学生发言的次数及每次实验报告单的成绩。在这些评价中学生尤其看中教师对其实验操作能力的评价，教师简洁的激励性评价对学生是极大的鼓舞，对培养学生学习化学的兴趣，养成科学严谨的实验态度有着积极的作用。

为了解课程实施的效果，在课程学习结束之时向参与学习的学生进行了问卷调查和深度访谈。调研结果显示多数学生对这门课的开设感到满意，认为这门课的内容有助于深化对课本知识的理解，同时学习能力尤其是数据、曲线图形分析能力和与他人合作的能力都得到了较大的提升。总体而言，学生对“化学数字化实验探索”的内容设置与教学模式表示认可，也自感化学学习能力的显著提升。

（三）反思

校本课程作为国家课程的重要补充，对于发展学生个性、促进学生全面发展有重要作用。校本课程的开发应当立足于本校校情，学校的师资、设备场所、严格的校本课程开设时间均是课程能得以开发与实施的重要保障。课程内容的开发不应拘泥于原创，而要重在整合形成体系，“化学数字化实验探索”参照国家课程进行主题划分，各主题以核心概念引领学习有利于促进知识的结构化。以学生实验探究为主的教学模式转变了学生的学习方式，能让学生真正动手实践、动脑思考，大大提高了学生参与课堂的积极性，基于数据、曲线图像的分析方法促进了学生基于证据推理思维方法的养成。课程评价是优化课程的主要环节，但评价的措施还要进一步探讨改进。