高中化学探究性实验信息化教学环境调研

周业虹 杨青

摘要：《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中明确提出要发挥信息技术优势，充分利用信息化教学资源，为学生创建线上线下、课上课下融合的“教、学、评一体化”的数字化学习环境。文章结合信息化教学相关的课题研究，针对高中化学中探究性实验教学的关键环节，围绕实施中可能存在的问题和信息技术的应用情况，在教师和学生中展开调研，以期通过调研了解高中化学探究性实验教学对信息化资源和工具的具体需求，更精准地指导数字化教学资源的开发，为一线教学提供高效服务。

关键词：高中化学;核心素养;实验探究;信息化资源。

文章编号：1008-0546（2022）03-0085-05     中图分类号：G632.41     文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03.019

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称新课标）提出了五个维度的学科核心素养，其中“科学探究与创新意识”从实践层面激励学生勇于创新，[1]强调学生应借助已有的知识、原理、规律、方法对物质及其变化进行探索，在获得新知的同时建构知识体系。化学实验是科学探究的重要途径，如何引导教师在带领学生进行探究性实验的过程中，积极探索现代信息技术与化学实验的深度融合，发挥信息技术优势，合理运用计算机模拟技术，达到落实并发展学生化学学科核心素养的目的，真正实现“教、学、评”一体化呢？

正是基于此目的，我们围绕高中化学探究性实验的教学现状及对相关技术的应用展开了调研，以期了解实施探究性实验的过程中师生对信息技术的需求，探索在数字化资源工具的融合应用中，更好地实现以学生为中心的自主、合作探究的教与学。

一、调研对象、内容与方法

我们选择具有一定信息化教学经验的化学教师及其所任教的学生为调研对象。调研内容包括探究性实验教学的实际情况、面临困难、对相关信息技术的运用（需求）这三个方面展開，调研问题见图1。

调研方式包括网络问卷、课堂观察、专题访谈，范围覆盖北京、上海、广东、辽宁等14个省（市）的60所学校，收集教师有效问卷540份，学生有效问卷3022份，其中高一年级学生占比48%，高二年级学生占比27%，高三年级学生占比24%。

二、对探究性实验教学的调研结果及分析

1.影响学生科学探究能力的关键因素和面临的主要问题

（1）影响学生科学探究能力的关键因素

关于“探究兴趣高的实验内容”，通过调研我们发现，学生对涉及化学反应原理的探究性实验兴趣最高，紧接着是化学反应规律、物质性质与检验等内容，如表1所示。

通过我们对调研结果的分析及与学生的进一步交流了解到，一方面，这些实验的现象明显、容易被观察，另一方面，教师在实验前会进行相应的方法指导，例如，引导学生关注如何控制变量、如何进行对照实验、实验中观察哪些现象等，这些脚手架的搭建为学生获取证据进行推理、最终得出科学结论指明了方向;同时，教师在实验活动中为学生创设的自主、合作和交流的空间，也有助于促进学生对化学知识的理解和对科学探究方法的掌握。

因此，在探究性实验中采取有效的措施，增强学生对科学探究的理解，使学生能在一定程度上自主把控探究过程，同时在不断交流分享中能及时修正探究步骤、获得教师的激励，是影响学生科学探究能力的关键因素。

（2）学生在探究性实验中遇到的主要问题

“科学探究与创新意识”这一学科核心素养包括能发现和提出有价值的问题;能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验、调查等方法进行实验探究;勤于实践，善于合作，敢于质疑，勇于创新[1]。我们依据《科学探究论》中“探究教学的主要障碍”[2]设计了相关问题，引导学生针对自己在探究性实验中遇到的问题进行反思，调查结果如表2所示。

调查结果显示，在探究性实验基本步骤中都存在 着一些问题，尤其是“探究表面化，没有深度和挑战”“探究活动不自主，没有自我发展空间”这两个问题最 为严重。基于以上调研结果，我们对教师开展了有针 对性的访谈[2]，发现“对探究性实验教学缺乏系统设 计”“担心课堂秩序、时间不够”“缺乏评价工具”是导 致学生出现以上问题的主要原因。因此，教师需要加 强对探究性教学的认识，积极采取有效办法、利用合 理工具变革教学方式，提升学生在探究中的主体地 位。

钟启泉提出，学校可以通过“软环境”重构学习环境，促进学生自主活动和发展的“能动化”、学习共同体组织的“协同化”，而网络信息环境可为学生自主学习、知识构建可视化、伴随深层理解的反思提供支持[3]。为此，我们围绕高中化学探究性实验教学的目标与要素，针对信息化教学的实际情况和教师的需求进行了调研。

2.教师信息化教学的实际情况与需求的调研

（1）在实验探究教学中运用信息技术的情况

调研数据显示，在高中化学探究性实验教学中，认为不借助技术资源就可以基本达成目标的教师仅占 17%;认为需要借助一定技术资源和工具才能达成目标的教师占58%;因课时和条件的局限，在课下利用技术资源和工具为学生创设探究活动条件，弥补课内探究不足的教师占25%。这表明教师对实验探究教学中信息技术资源和工具的需求是较为强烈的。

（2）信息技术资源和工具在探究环节的运用情况

为了进一步了解教师是如何运用信息技术辅助课上教学、弥补课内探究不足，我们围绕实验探究教学要素进行了梳理，如表3所示，以便了解教师对信息技术的具体需求。

调研发现，随着学生对科学探究理解的深入，高二年级的化学教师在课上利用信息技术辅助实验探究的需求显然高于高一年级的化学教师，尤其在“方法技能学习”“微观抽象建模”这两个教学环节中较为突出;高一年级的教师更多采用在课下借助技术资源来弥补课上探究的不足的方法，尤其在“实验证据收集”“微观抽象建模”环节;高三年级的教师在课上利用技术资源和工具辅助实验探究的需求起伏较大，但在“方案设计”“实验证据收集”“总结与反思”环节的需求较高，究其原因，这与高考中的要求具有一致性，如图2所示。

我们结合课堂观察与访谈发现，随着课程改革的推进和对培养学生学科核心素养要求的不断提升，在探究性实验中，在促进学生基于实验证据进行推理、根据结论做出判断和解释、对物质的性质和变化进行预测等高阶思维形成和发展中，信息技术显现出了明显的优势。

三、对技术资源和工具的应用需求调研及结果分析

为有效利用信息技术为学生创建更加自主、合作、探究的学习环境，我们依据“数字学习”所具备的资源工具、协同合作、引导评价的环境要素[4] ，针对目前较为常见的教学资源工具——“虚拟实验”技术、支持协同合作的“互动教学”技术、支持评价的“智能评测”技术在探究性实验各个环节中的应用和需求开展进一步调研，并对调研结果进行了分析。

1.虚拟实验技术对教与学变革的影响和应用需求

虚拟实验是指依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库、网络通信等技术，将实验规律转化为计算机语言，构建仿真的虚拟实验对象和环境。研究证明，虚拟实验能显著提升学生对探究过程和要素的理解，有助于学生的知识构建。[5]同时，虚拟实验通过可视化实验操作及现象、数据的直观定量表征，一定程度上减少了学生学习的认知负荷[6]，并具有内容多样化、过程自主化、评价科学化、教学助智化等优势，是传统实验的有力补充。但是虚拟实验不能代替动手实验，要虚实结合，以虚促实来开展探究性实验教学。

从目前常见的技术类型上，虚拟实验可分为“微观动态模拟”“开放性操作模拟”“模拟操作+智能反馈”三种类型。围绕这三类虚拟实验技术，调研中我们发现，在实验方案设计、实验操作技能学习环节，凸显了对“虚拟开放操作”技术的需求;在抽象建模环节，对“模拟呈现”技术和资源的需求较高;在实验操作技能学习和数据归纳处理环节中，对“虚拟操作+智能反馈”的功能呈现出明显需求，如图3所示。

虚拟实验在提升学生认知、发展技能和提升学科核心素养方面有明显的优势，教学中教师可以根据具体内容特点，与学生亲自动手实验结合，进行合理安排。例如，涉及污染性强的实验、有害物质的实验及组装仪器较为复杂的实验时，可在动手操作前，让学生利用虚拟实验进行操作练习;涉及化学反应微观过程的探究内容，如强弱电解质的电离、离子反应的发生条件、有效碰撞理论等，利用软件直观呈现反应的微观过程或物质的微观结构。结合实验内容及目的合理运用虚拟技术，才能使其真正发挥引导学生理解知识、掌握方法、发展学科核心素养的作用。

2.实验探究对互动教学与智能评测技术的应用需求

新课标鼓励教师运用信息技术提高课堂教学效率和质量，强化信息技术与化学教学的深度融合，为教师提供交互式多媒体教学设备、常用软件、多媒体制作软件和即时通讯软件等工具，提供以大数据分析技术和虚拟技术为代表的个性化学习与评价系统[1]。为此，我们针对常见的互动教学系统和智能评价技术，在高中三个年级的教师中展开了调研。

（1）实验探究对互动教学技术的应用需求

互动教学技术指借助网络学习或互动教学平台，辅助实现教与学中的师生同步或异步的交流、展示、协作。从目前的技术类型上一般包括互动论坛、成果展示分享、知识建构工具三个类型。图4所示是教师在实验探究教学环节中对这三类技术的应用需求情况。

调研结果显示，教师在引导学生探究过程中对 “成果展示分享”的需求最高;在了解学前认知、学习 结束后的整理与提升这两个环节中，教师对利用“互 动论坛”来支持交流、聚焦核心问题的需求较高;随着 探究和对知识加工的深入，各环节对“知识建构工具”的需求伴随始终。教师普遍反映，这些信息技术的应 用，为学生创建了更加自主的合作探究环境，有利于 学生自主建构知识。

（2）实验探究对智能评测技术的应用需求

新课标高度关注评价在促进学生化学学科核心素养发展中的功能，注重过程性评价和结果性评价相结合，活动表现、测验和学习档案评价等多样化评价相结合，学生自评、同伴互评与教师评价相结合[1]。借助智能题库评测、学习行为数据跟踪与管理等手段的智能评测技术，可以实现个人与班级、学习过程与成果的自评、互评等多种评价，其“在线习题测评”“成果展示互评”“学习数据跟踪”三类技术有力地支持了新课标所倡导的评价方式。图5显示了调研中我们收集到的教师在实验探究教学各环节中对这三类技术的需求。

通过调研与访谈我们了解到，教师对采用“成果展示互评”技术支持探究过程的需求最高，尤其在实验证据收集、推理与解释、总结与反思这几个环节较为突出;在了解学前认知、整理与提升環节中对采用“在线习题测试”来实现即时评价的需求较为强烈;在整理与提升、总结与反思环节，凸显了利用“学习行为数据跟踪”来辅助过程性评价和结果性评价有机结合的需求。

互动教学技术、智能测评技术的应用要与具体探究内容和环节科学有效地结合。例如，在方案设计、实验证据收集、推理与解释这些环节，互动教学技术使得学生在课堂上的交流与表达成为了可能，因此，可以更有效地引导学生发现问题、建构知识;而在此过程中，要想全面、实时了解学生的动态，关注每一位学生的学习参与度、对知识和方法的掌握程度，智能测评技术则显示了极大的优势。

四、结语

立足于化学学科教学，探索与新课标、新教材深度融合的信息化教学，迫切需要与之相匹配的信息化教学资源和工具。我们通过调研，深入了解了广大师生在探究性实验教学中面临的具体问题和需求，启发我们进一步结合学科特点和学生认知特点，发挥信息技术优势，精准开发更加贴近一线教学实际、提升化学探究性实验教学质量的资源，让信息技术真正成为落实并发展学生化学学科核心素养的助推器。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：5.

[2] 王晶莹.科学探究论[M].上海：华东师范大学出版社.2011：9.

[3] 钟启泉.信息化时代知识教学的诉求——兼议学校的软环境设计[J].教育发展研究，2018，38（4）：1-7.

[4] 黄荣怀，杨俊锋，胡永斌.从数字学习环境到智慧学习环境[J].开放教育研究.2012（018），001：75-84.

[5] 徐光涛.科学探究学习中技术使能的作用空间与效果研究[D].上海：华东师范大学，2016.

[6] 卢文静.基于认知负荷理论的化学虚拟实验评析研究[J].中小学电教，2019（5）：48-52.

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