新课程下技术赋能的初中化学实验教学的策略

刘艳华

（河北省石家庄市第四十中学，河北 石家庄 050000）

信息化一定是教育的必然趋势。从多媒体教学到交互性平板，再从交互性平板可能进阶到沉浸式互动课堂……这是教育信息化的趋势。对于新课程下的化学探究实验，学生在“做中学”特别是在信心技术支持下动手、动脑探究，比传统实验教学更有利于发展学生的科学思维能力。运用“互联网+”揭示实验原理和实验分析，有利于实现探究式、启发式教学模式的落实。利用数字化有利于提高学生的实验设计、实践探究、观察分析、证据推理等多种能力。

一、新课程下技术赋能化学实验教学的含义

所谓技术赋能化学实验教学是指用信息技术改善实验学习绩效，信息技术与实验教学过程双向渗透，利用信息技术变革实验教学方式，改进实验方案，创新实验装置，助力实验分析，解决实验安全问题等等，通过实验教学反过来推动技术的进化和创新。在利用信息技术解决传统实验教学中实验方案不严谨、实验时间长、实验分析困难、实验存在安全隐患等问题的过程中，实现新课程对学生核心素养的培养。

二、新课程下技术赋能的初中化学探究实验的教学意义

（一）促进信息技术与化学实验教学相融合

这是一个飞速发展的变化时代。我们用滴滴打车，扫码支付买东西，导航出行，智能挂号就医。科技与生活已紧密融合。促进信息技术与教育教学紧密融合势在必行。《义务教育化学课程标准（2022 年版）》的课程目标中提出：实验是科学探究的重要形式和学习化学的重要途径。探究实验承担了培养学生创新思维和实践能力的育人价值。

（二）丰富学生的学习模式，提高学生学习兴趣

现在的中学生童年时代的活动在学校里通常有跳绳、拍皮球、做手工等，而课余生活多是iPad、网络游戏、微电影等。学生活动模式的多样化，现实和虚拟体验也变得多样化。活动即学习，学习即活动。沉浸式的虚拟的探究实验教学让学生更加专注地亲身体验实验内容情节，更贴合学生的身心发展。对化学实验的全新体验，有助于学生对实验新技术的启迪和科学思维的培养，也有助于学生对科技未来新事物思考的培养和锻炼。新的学习模式，可以有效地调动学生的学习积极性，提高学生的学习兴趣。

（三）促进线上线下混合式学习方式的开展

线上线下混合式的学习方式打破了时空限制。课上的演示实验由于空间的限制，不能保证所有学生清晰地观察到实验现象，给学生播放实验录像，在一定程度上缺乏了真实性。线上线下混合式的学习方式使实验教学不再限于课堂这一有限的时空，而是贯穿于整个学习过程。学生可用于课前的实验预习，在预习中对实验的方案、细节等提出问题，在课上进行解决；学生也可课后重复观看学习录制的实验重点。这种学习方式解决了实验不可重现和短暂性的问题，还节约了课上记笔记的时间，提高了学习效率。

三、新课程下技术赋能的初中化学实验探究教学的策略

（一）利用虚拟实验促进实验自主探究

核心素养的发展是一个自我建构、不断发展的过程。提高核心素养最重要的方式是充分让学生经历和体验实验探究的过程。不同的学生，对同一探究问题做出的假设和设计的实验方案也不同，致使所需的实验仪器和装置也不同。在真实的课堂上，这些不确定性的因素让教师的实验准备变得无法实施。虚拟实验室中实验仪器和实验药品的任意调用和组合为学生实施自己的想法和计划提供了可能。学生在虚拟的实验室里体验自己的实验方案，经历自己的探究过程，总结归纳自己的实验现象，反思自己的实验过程，通过实验现象推理自己的实验结论。学生畅游在探究世界里，自主地进行思考和探索。在虚拟世界中排除了错误的实验方案后，在真实的世界里完成正确的实验探究步骤。虚实结合让以学生为主的学习方式得以充分落实。

例如，“燃烧条件”的探究实验。白磷属于易燃物，燃烧还会污染环境。在真实的课堂上，每个学生要亲自体验实验过程显然是不现实的，而搭载了虚拟实验平台技术的教学过程，就可以实现这一目标。首先引导学生对“燃烧条件”进行猜想，然后设计实验方案，在建议从红磷、白磷、任意温度的水（其他用品自选）的前提下，学生设计出了若干个实验方案。探究“温度达到着火点”的方案有：对比20℃冷水和80℃热水的铜片上的白磷；对比20℃冷水中和80℃热水中的白磷；对比80℃热水上的红磷和白磷等等。探究“与氧气接触”的方案有：在热水中放白磷，水中通入氧气，进行对比；对比80℃热水中的白磷，铜片上的白磷；80℃热水中和铜片上的红磷对比。学生在虚拟的实验里亲自验证自己的实验方案。最后通过引导，让学生将上述实验方案进行综合优化（即教材上的演示实验方案）。结合白烟的现象，分析如何避免污染环境。教师用改进后的实验装置演示实验。

（二）利用“互联网+”助力实验分析教学

数字传感器和电脑平台相结合，将传统实验中难以观察到的变化，转化为直观的数据或图像，教师根据数据和图像设置问题链，组织学生思考、交流、分析和归纳，学生思维的火花不断碰撞，模糊的原理逐渐清晰，实验的理解不断深刻，注意事项归纳的越来越准确。也可以通过数据和图像，推理化学变化的过程并归纳隐含的实验原理。学生从分析实验过程和结果，从量的角度感知化学知识，并根据不同的因素的数量关系揭示化学规律，帮助学生透过现象认识本质，从感性认识上升为理性分析，进而认识学科本质，建立认知过程，形成科学观念，促进认知能力发展。数字传感器和电脑平台相结合不仅提升了化学实验过程和结果的可视化程度和准确度，而且还将抽象且模糊的化学知识具体化、清晰化。通过巧妙的利用手持技术，促进学生的自主学习和深度学习。

例如，用红磷测定空气中氧气的含量的实验。在传统的实验教学中，实验几乎全靠老师将解。借助数字传感器采集装置内气压的数据，并以图像的形式呈现出来（如图所示）。气压的变化就变成了这个实验过程中明显的现象，教师借用这一现象，设置问题装置内压强先增大的原因是？压强减小的原因？a 点时刻对应的操作？图像中开始和结束时气压几乎相同的原因（引导学生得出进入集气瓶中水的体积等于消耗的氧气的体积）？解释什么时候打开弹簧夹合适？借助传感器清晰地将装置内气压的变化直观地表达出来，借助压强的变化完美地实现了从教师讲解实验到学生自己分析实验的转变。通过巧妙地利用手持技术，将实验讲解转化为了学生的思维活动，培养了学生的科学思维，提高了核心素养。

（三）利用便携式数字化仪器改进实验方案

新课标对科学探究的定义是“收集证据和作出解释，进行发现、创造与应用的科学实践活动”。从素养发展来看，新课标更凸显科学探究过程中的分析、推理、概括等高阶思维活动。证据推理是关键认知能力的核心要素，涵盖接受证据、提取证据和整合信息的能力和基于数据分析判断的能力。在化学教学中，我们以“证据推理”这一核心素养为目标，强调学生在化学学习中逐步形成证据意识，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪，建立观点、结论和证据之间的逻辑关系……这既是学科核心素养的描述，也是学科育人的需要。九年级化学人教版中有些实验的设计在分析和推理上一定程度上存在证据的模糊的问题。究其原因是传统的实验方法由于技术的原因，比如提供定量的数据，导致证据存在漏洞，推理过程难以完成。利用便携式数字仪器改进实验方案，通过精确的数据，可以加强实验的说服力。

例如，为探究二氧化锰是否加快了过氧化氢分解的速率，教材用带火星的木条检验加入二氧化锰前后产生氧气的速率。依据加入二氧化锰前后木条复燃的情况，推理得出二氧化锰加快了反应速率，显然证据不足。实验中木条不复燃是因为过氧化氢没有分解产生氧气，还是速率慢，产生的氧气少呢？由于需要达到一定的氧气浓度木条才复燃，不能检验出含量低的氧气。将木条改为氧气含量测定仪，测定空气中氧气的含量（20.7%）、盛双氧水试管中氧气的含量（23.4%）和盛二氧化锰试管中氧气含量（20.7%），对比实验数据，轻松得出双氧水本身也能缓慢产生氧气。这样的推理更严密，证据更充分。又如：《水的净化》中，我们经常告诉学生，过滤、吸附等净水方法，不能除去可溶性钙镁化合物，不能改变水的硬度，煮沸后的水不一定是软水。用肥皂水只能区分硬水和软水，但是解决不了上述问题。利用TDS 水质测试笔轻松检测过滤、吸附、煮沸前后水中钙镁等离子浓度的变化情况。

（四）利用3D 打印发展实验创新能力

3D 打印帮助学生将实验仪器和装置的创新设计便捷的转化为现实。在实验教学过程中首先通过记录学生在实验过程中出现的问题，然后通过分析出现这些问题的原因，将与仪器改进有关的原因剥离出来，组织学生对实验仪器和装置进行创新性的改进，交流讨论不同的设计方案的优缺点，综合不同的改进方案，形成最佳的实验装置，根据图纸进行模型的设计，然后打印成型，应用改进后的3D 成品再次进行实验，感受实验效果，继续进行修正，最后达到一个完美的改进后的实验装置。在“分析装置-发现问题-构思创意-建模设计-制品打印-迭代修正”活动程序里，教师引导学生分析实验、思考问题、创新仪器、评价装置、改进实验装置、不断修正的过程就是学生发展创新能力的过程。在真实的问题情境下，学生分析问题、解决问题。在解决实验真实的问题的过程中，学生的质疑能力、批判能力和创新能力都得以提升。

例如，在金属与盐酸、稀硫酸反应的探究实验中。在学生分组进行实验的过程中，教师记录每组同学的完成时间，拍照学生手忙脚乱、打翻试管、洒出药品的瞬间。然后将拍照和记录的完成时间呈现给学生，组织分析出现此问题的原因，通过思考、讨论和交流，从实验装置改进的角度提出解决这些问题的策略或办法。有同学提出倾倒酸液时借用漏斗避免撒落，有同学提建议一次性把酸液倒入四支试管节约时间，有同学提出用塑料制品替代试管以免打碎……然后可以组织学生去仪器柜寻找自己所想用的仪器并进行实验，有的学生用点滴板代替了试管，有的学生利用三通的玻璃管和漏斗组合在一起，一次性可以向两支试管里同时加入酸液……接着，教师组织学生展示改进的实验装置方案，进行交流后，引导学生思考，如何将各优点组合在一起，设计一种新的实验装置，将设想画下来。通过3D 打印将学生自己的创新装置打印为成品，用成品进行实验，发现问题，进行修正，再次打印。

（五）利用计算机小程序解决实验安全问题

新课标增加了关于实验室安全的相关内容，强化了安全意识。如何让学生体会操作失误或条件控制不得当造成的后果，显然不可能以伤害为代价来教育学生。在初中化学实验操作中有很多注意事项都是为保证安全而设定的，这些注意事项在教学中无论如何重复强调，在学生实验中总难以避免。通过计算机模拟实验可以轻松解决安全问题，充分让学生动手实验完全无后顾之忧。当学生通过虚拟的实验平台，熟练准确地掌握了实验安全防护措施，强化了安全意识，再进入实验室进行实验时，安全事故会大大降低。当面对真实的突发的安全事故的时候，也会从容不迫地进行应急处理。利用虚拟实验和计算机小程序能在保证学生安全的前提下，为学生提供更多的动手机会，为学生感知和探究化学反应提供了更丰富的体验。

例如，实验室制氧气结束时，总有学生先熄灭酒精灯，造成试管炸裂，破碎的玻璃扎伤学生的现象出现。浓硫酸稀释的实验，从不敢放手让学生自己动手完成。一氧化碳有毒，有实验只能通风橱中演示。在虚拟实验的环境下，学生可以去点燃一氧化碳，点燃前没有验纯，在虚拟的世界里会接受到爆炸的惩罚。一氧化碳还原氧化铜的实验，没有先通一氧化碳排净装置内空气的学生也会收到类似的视觉冲击，结束时停止加热后没有继续通一氧化碳的学生还会观察到红色的铜慢慢变黑的现象。这些实验小程序为污染环境和对人体有害的实验探究提供了可能；为学生的自主学习和探究提供了无限的尝试空间；教会了学生正确使用安全防护措施，妥善处理实验安全问题；也教会学生珍爱生命，保护自身安全，对学生进行了生命健康教育。

四、结语

综上所述，新课程下技术赋能的初中化学探究实验通过从利用虚拟实验促进实验自主探究、利用“互联网+”助力实验分析教学、利用便携式数字化仪器改进实验方案、利用3D 打印发展实验创新能力、利用计算机小程序解决实验安全问题等方面促进信息技术与化学实验教学相融合，促进线上线下混合式学习方式的开展，丰富学生的学习模式，提高学生学习兴趣。