信息技術與高中化學教學深度融合的路徑

摘要：在信息技術快速發(fā)展的背景下，研究團隊基于高中化學教學實踐設計出了“明確教學要求—科學設計教學思路—精準設計教學過程—反饋教學效果”的數(shù)字化教學融合路徑。以“晶體結構與性質”為例，教師按照新的融合路徑教學，在創(chuàng)新課堂教學模式、豐富教學手段及發(fā)展學生“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認知”化學學科核心素養(yǎng)方面取得實效。實踐證明，加強硬件建設，轉變教師教學理念，提升教師信息素養(yǎng)，合理利用信息技術工具，豐富教學資源，創(chuàng)設多元的學習方式，加強學情管理，推進精準教學，是高中化學教學與信息技術深度融合的有效舉措。關鍵詞：信息技術；高中化學；深度融合；晶體結構與性質隨著科技不斷發(fā)展，教育數(shù)字化已成為必然趨勢?！督逃畔⒒?.0行動計劃》明確提出堅持將信息技術與教育教學深度融合的理念，整合數(shù)字化教育資源，有效促進教育發(fā)展的公平性、全面性、終身性，助力教育體系的現(xiàn)代化、網絡化、智能化[1]。在高中化學教學中，教師應將信息技術和課程資源深度融合，設置真實情境和具有挑戰(zhàn)性的問題或任務，創(chuàng)設積極探索、多重交互、互相合作、資源共享的學習環(huán)境。這有助于培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)，發(fā)展學生的科學思維和高階能力。下面，以“晶體結構與性質”為例，探究信息技術與高中化學教學深度融合的有效路徑，以優(yōu)化高中化學教學。一、明確教學要求《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》強調“借助實物模型、計算機軟件模型、視頻等多種直觀手段，充分發(fā)揮學生搭建分子結構、晶體結構模型等活動的作用，降低教學內容的抽象性，促進對相關內容的理解和認識”。一些學者將信息技術與化學教學深度融合，開展了虛擬現(xiàn)實（VR）積件的應用。它是關于化學理論或微觀結構的最小化的知識單元，是應用虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)的三維積件[2]。學生可以使用手機掃描二維碼，直觀地認識晶體的三維模型，這凸顯了VR積件的直觀性、科學性、獨立性、交互性和通用性等特點。教師充分合理地將VR積件運用在教學中，將抽象的化學理論具體化、可視化、形象化，幫助學生建立“宏觀性質—微觀結構—三維模型”三者之間的有機聯(lián)系。隨著信息技術手段不斷創(chuàng)新，高中化學教師的教學手段和方法更具有創(chuàng)新性、多樣性。高中化學教師有效利用信息技術可以優(yōu)化教學過程，降低教學內容的抽象性，幫助學生深度理解并建立結構與性質之間的聯(lián)系，增強學生的體驗，提高學生“宏觀辨識與微觀探析”和“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)水平。二、科學設計教學思路教師巧妙整合數(shù)字化資源，設計多元化的化學課堂教學內容，按照“引其趣—啟其思—激其情—奮其志—導其勢—凝其智”的思路（如圖1），各環(huán)節(jié)充分合理利用信息技術，讓學生寓學于樂、樂中求學，真正踐行“以學生為中心”的教學理念。教師將高中化學和信息技術深度融合，力求提高學生的學習水平，幫助他們從低階能力向高階能力轉變，有效提升核心素養(yǎng)。數(shù)字時代，深度融合將使傳統(tǒng)教學發(fā)生根本性變革，而其中的變量不應只有信息技術，還應有不同學科特性的教學方式和教學內容。為實現(xiàn)深度融合，教師需要把握學科特性，對學科內容與教學方式等進行深度解剖，以系統(tǒng)的、整體的眼光看待相互聯(lián)系的要素。建設科學高效的協(xié)同機制是促進信息技術與教學深度融合的有力保障。基于此教師設計了教學流程（如圖2）。從操作層面看，教學設計縱向有教師活動、學生活動、技術支持三大要素，橫向分“課前——以學定教”“課中——教學互動”“課后——以學促教”三個維度。教師在充分利用網絡平臺和信息技術工具的基礎上，支持學生高效地開展自主、合作、探究性學習，為學生個性化、創(chuàng)造性學習提供條件。三、精準設計教學過程（一）課前以學定教學生任務：查閱資料并搭建“石墨烯、金剛石、二氧化碳、氯化鈉”的球棍模型，比較幾種晶體物理性質間的差異，并完成導學案任務；用手機掃描VR積件二維碼，觀察各晶體三維模型，完成教師在釘釘App上布置的作業(yè)任務。教師任務：基于對釘釘App上學生預習結果的分析，針對性整合教學內容，以保證精準教學。設計意圖：教師明確教學目標，引導學生在鞏固舊知的基礎上探索新知，讓學生在預習過程中有的放矢主動學習，獨立思考自主完成模型搭建任務，掃碼觀看三維模型，激發(fā)學習興趣，以此促進“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)的發(fā)展，充分體現(xiàn)以學生為本的教學理念。教師分析學生預習的反饋結果，“以學定教”，助力課上高效教學。（二）課中教學互動教師創(chuàng)設情境：認識黑金之王——石墨烯?！笆謾C充滿電真的只需幾秒鐘嗎？史上最薄電燈泡薄到什么程度？存在光驅動飛行器嗎？大家相信嗎？科學家找到了一種只需借助鉛筆中蘊含的單一化合物——石墨烯。自此，關于石墨烯非凡應用的新聞不斷出現(xiàn)在人們的視野中，石墨烯似乎已經成為無所不能的超級材料。石墨烯到底是什么？到底有什么特性讓它備受推崇？下面，我們一起打開‘黑金之王——石墨烯的神奇大門?！苯處熡?/p>

PPT講解碳納米材料的發(fā)展和石墨烯的發(fā)現(xiàn)過程，讓學生認識到為材料科學領域帶來革命性進展的發(fā)現(xiàn)——使用撕透明膠帶的方法從石墨中分離出單層的石墨烯。為了讓學生更直觀地理解石墨烯的非凡特性，教師播放了一段關于石墨烯的性質的視頻。學生小結：石墨烯是現(xiàn)有材料中厚度最薄、強度最高、導熱性最好的新型二維材料，是重要的戰(zhàn)略新興材料；石墨烯具有強導電、高柔韌、高硬度、低密度等特性。1.分析石墨烯結構（任務1）第一項活動：基于構成微粒認識石墨烯。在模型展示環(huán)節(jié)，教師搭建石墨烯的球棍模型并展示其空間結構。然后，教師讓學生根據(jù)石墨烯的空間結構和構成原子結構的特點分組探討石墨烯中碳原子的成鍵情況。學生1：石墨烯為平面型結構，每個碳原子與周圍三個碳原子形成平面三角形結構，所以石墨烯中碳原子為sp2雜化。學生2：雜化后，每個碳原子剩余的一個單電子在未雜化的軌道里，每個未參與雜化的p軌道互相平行重疊形成了大π鍵。第二項活動：基于微?？臻g排布認識石墨烯。教師讓學生用ChemDraw軟件畫出石墨烯晶體的一個晶胞，分組討論并解釋。學生分組匯報，展示作品（如圖3）。教師提示：對于晶胞來講其頂點環(huán)境必須完全相同；晶胞在相應的各軸向上應具平穩(wěn)性，整塊晶體可以看成無數(shù)晶胞無隙并置而成的。在教師的引導下，學生最終確定石墨烯晶體的一個晶胞圖示應是作品2或作品3。2.基于結構解釋和預測石墨烯性質（任務2）第一項活動：解釋石墨烯的導電性。教師用PPT資料展示：石墨烯具有強導電性，其導電效率是硅的100倍左右。因此人們期待用它來制作更薄、導電速度更快的新一代晶體管。學生討論后得出結論：石墨烯中C原子采用sp2雜化形成平面結構，未雜化的p軌道含有一個單電子，且互相平行，可以形成大π鍵，電子具有較好的流動性，故石墨烯具有超強的導電性。第二項活動：預測石墨烯的性質——熔點高低（見表1）。教師引導學生基于晶體類型，構建物質結構與物質性質的關系（見表2）。3.基于結構與性質實現(xiàn)石墨烯功能化應用（任務3）活動：石墨烯的非共價鍵改性。學生討論后認為：由于π-π堆積、氫鍵、靜電等作用，氧化石墨烯有優(yōu)異的吸附性，有助于提取分離純化中藥有效成分，有助于提高提取分離效率，增強選擇性，使得其在生物醫(yī)藥方面有重要應用。設計意圖：教師以社會熱點為切入點，創(chuàng)設情境幫助學生了解石墨烯，以激發(fā)他們的學習興趣。通過結合信息技術和搭建球棍模型的實踐活動，教師引導學生分組探究，使他們能夠從宏觀和微觀兩個層面深入認識石墨烯。這種教學方式不僅可以促進學生對晶體的全面理解，而且能幫助他們內化了思維建模知識，增強其概念意識和抽象思維能力。這一過程可以有效促進學生在化學學科核心素養(yǎng)方面的提升，特別是在“宏觀辨識與微觀探析”以及“證據(jù)推理與模型認知”方面的發(fā)展。（三）課后以學促教教師給學生布置了三項任務：用Xmind軟件繪制思維導圖，分別歸納共價晶體、離子晶體、分子晶體的主要特點；嘗試用ChemDraw軟件繪制氯化鈉、水分子的結構；完成釘釘App中相應的習題，并填寫課后反饋單。設計意圖：學生在課后有效利用信息技術自主繪制思維導圖并拓展延伸，有利于提升其探究精神和創(chuàng)新能力。教師借助課后作業(yè)鞏固強化，實現(xiàn)對課堂知識的有效內化，促進學生由“低階能力”向“高階能力”的轉變；對課后反饋情況進行分析，進一步了解學生對本節(jié)內容的掌握情況，完善教學內容，提高教學效率。四、反饋教學效果教師利用三維模型VR積件教學，引導學生深入理解概念本質。同時，教師注重滲透思維方法的培養(yǎng)，實時監(jiān)控學生在模型建構與應用中的思維過程，幫助他們動態(tài)把握要素與關系的變化，并建立起“宏觀性質—微觀結構—三維模型”三者之間的聯(lián)系（如圖4）。學生學會在學習過程中不斷建立并應用思維模型解決問題，在結構與性質相關聯(lián)的探究活動中進一步深化物質的結構觀[2]，發(fā)展“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)?；谝陨系乃伎己吞剿鳎P者將高中化學教學與信息技術深度融合的經驗總結為如下三點。其一，提供豐富的教學資源，促進教學數(shù)字化。在“物質結構與性質”模塊中，學生對立體分子感知及具體形象思維的認知能力不強，對復雜知識的邏輯體系了解不夠透徹，且有些知識本身非常抽象和繁雜，所以教師用傳統(tǒng)方式教學效果不理想。針對化學學科的特性，教師利用信息技術突破原本難以研究的問題，可以使難以理解的抽象問題顯性化、可視化[3]。教師應用中小學智慧教育云平臺等數(shù)字化工具提供豐富的教學資源，拓展了教學時空，促進課堂教學的改革創(chuàng)新。例如，“晶體結構與性質”教學過程中，學生學習晶體的結構比較困難，因二維模型無法提供更形象具體的信息，利用三維模型VR積件教學，能讓學生從多個角度進行分析理解，實現(xiàn)從二維到三維的轉變，并構建“宏觀性質—微觀結構—三維模型”矩陣模型。在教學過程中，教師還讓學生利用信息技術協(xié)同互聯(lián)網技術開展學習活動，參與在線閱讀、在線溝通、在線學習、線上模擬實驗等活動，由此拓寬學生學習渠道，幫助他們積累經驗，掌握更多的學習方法，提高學生自主學習效率，最大限度體現(xiàn)信息技術在化學教學中的功效，將抽象的化學知識具體化、形象化，為教學賦能，為學生賦能。其二，創(chuàng)設多元的學習方式，促進高效學習。數(shù)字時代，教師如何利用信息技術來創(chuàng)造多元的學習方式，促進學生高效學習？教師可從以下幾方面著手。第一，教師積極利用多媒體課堂、網絡教學平臺、數(shù)字化學習平臺等方式開展教學活動，讓學生更好地了解化學前沿知識在不同行業(yè)的應用。第二，教師充分利用信息技術開展小組數(shù)字化實驗，培養(yǎng)學生之間的合作精神，解決現(xiàn)象不明顯、危險系數(shù)高等實際問題，設置沉浸式的虛擬實驗場景、三維可視化的效果，以及實操、評分等環(huán)節(jié)，讓學生以數(shù)字化學習方式學習實驗知識，提高實驗技能。第三，在教學過程中，教師要結合學生的學習情況針對性教學，在課前利用微課向學生展示具體案例，激發(fā)學生的學習興趣；課堂上充分利用信息技術融合化學實驗和虛擬實驗，讓學生感受化學魅力；課后，教師利用思維導圖，對知識進行全面梳理，幫助學生構建完善的知識體系[4]，實現(xiàn)學生能力由“低階”向“高階”的轉變。其三，加強學情管理，推進精準教學。在教學過程中，教師應建立數(shù)字化的質量評價和管理機制，對學生進行差異化管理，進一步完善精準化課堂教學體系。教師可利用信息技術“按需定教”，針對學生個性化發(fā)展需求，精準判斷學情，精準設計目標，精準設計教學資源，精準干預[5]，根據(jù)教學內容，教師可適當調整教學方法，利用信息技術與化學知識各個層面的聯(lián)系，促進數(shù)字化教學的有效開展，實現(xiàn)對學生學習狀態(tài)和成果的精準把握。因此，高中化學教師應積極踐行數(shù)字化教學理念，要有意識地借助信息技術改善課堂環(huán)境，挖掘與彰顯化