PhET軟件在化學(xué)跨學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

在高中化學(xué)、物理和生物學(xué)教學(xué)中，物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元相關(guān)概念較為抽象而成為學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。學(xué)生死記硬背，難以靈活運(yùn)用物質(zhì)性質(zhì)等知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。PhET互動(dòng)仿真模擬軟件的應(yīng)用為教師開(kāi)展物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相關(guān)內(nèi)容的跨學(xué)科單元設(shè)計(jì)與實(shí)踐提供了便利。筆者以“從原子結(jié)構(gòu)到分子構(gòu)建”為例，探討如何借助PhET軟件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，進(jìn)而提升學(xué)生對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)概念的理解與應(yīng)用能力。一、應(yīng)用互動(dòng)仿真模型平臺(tái)教學(xué)的背景與價(jià)值（一）教學(xué)挑戰(zhàn)：概念抽象不易理解高中化學(xué)、物理和生物學(xué)等學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生提出學(xué)業(yè)要求，必須掌握物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元知識(shí)，如原子結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)、生物大分子等。然而，筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵時(shí)面臨較大困難。主要原因之一是學(xué)生對(duì)化學(xué)式的認(rèn)知往往停留在記憶層面，而這部分內(nèi)容較為抽象，學(xué)生難以直觀理解和掌握。我們的研究對(duì)象是微觀粒子，但這些粒子無(wú)法直接用肉眼觀察，且與學(xué)生日常生活經(jīng)驗(yàn)相距甚遠(yuǎn)，缺乏直觀的手段辨識(shí)微觀粒子。（二）PhET平臺(tái)：互動(dòng)性與可視性完美結(jié)合為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，PhET仿真交互式軟件被引入課堂。PhET平臺(tái)由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主卡爾·威曼于2002年創(chuàng)立，是一款由不同知識(shí)主題構(gòu)建而成的獨(dú)立、互動(dòng)式教學(xué)游戲軟件。該平臺(tái)最大的特點(diǎn)是將互動(dòng)性與可視性結(jié)合，使學(xué)生在與仿真軟件互動(dòng)的過(guò)程中能夠主動(dòng)猜想并調(diào)整參數(shù)。學(xué)生可以觀察到與預(yù)想相符或出乎意料的直觀變化圖像，這種互動(dòng)體驗(yàn)不僅增加了學(xué)習(xí)的趣味性，還促進(jìn)了學(xué)生對(duì)模型的認(rèn)識(shí)、理解和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中思維的顯性化[1]。（三）數(shù)字化教學(xué)之利：提升學(xué)生的數(shù)字化探究能力PhET仿真交互式軟件的引入與《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出的總目標(biāo)相契合，旨在提高學(xué)生的數(shù)字化合作與探究能力。學(xué)生應(yīng)用PhET軟件，能夠在數(shù)字化環(huán)境中發(fā)揮學(xué)習(xí)自主性，針對(duì)問(wèn)題設(shè)計(jì)探究路徑，以模擬驗(yàn)證和可視化呈現(xiàn)等方式開(kāi)展探究活動(dòng)，得出探究結(jié)果[2]。用這種方式教學(xué)不僅能提升學(xué)生對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)概念的理解和應(yīng)用能力，而且能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和適應(yīng)數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境的能力。二、跨學(xué)科單元教學(xué)設(shè)計(jì)框架（一）明確目標(biāo)：構(gòu)建“位—構(gòu)—性”系統(tǒng)認(rèn)識(shí)模型學(xué)生認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)是從微觀層面學(xué)習(xí)科學(xué)的基礎(chǔ)。學(xué)生需要經(jīng)由探究不同元素原子結(jié)構(gòu)之間的規(guī)律性聯(lián)系，構(gòu)建“位—構(gòu)—性”系統(tǒng)認(rèn)識(shí)模型，建立對(duì)元素和物質(zhì)性質(zhì)的新視角和系統(tǒng)思維框架（如圖1）。其目的在于讓學(xué)生初步建立“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的學(xué)科大概念[3]，提升學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”素養(yǎng)[4]。學(xué)生認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)不僅是理解微觀世界的基礎(chǔ)，也是分析原子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和原子間相互作用的關(guān)鍵，為理解化學(xué)鍵概念打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。從微觀粒子和能量的視角出發(fā)，學(xué)生可以深刻理解化學(xué)變化中物質(zhì)變化的本質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的本質(zhì)?；瘜W(xué)鍵作為從原子結(jié)構(gòu)到分子構(gòu)建的橋梁，教師指導(dǎo)學(xué)生對(duì)其進(jìn)行探究有助于發(fā)展學(xué)生的證據(jù)推理和模型認(rèn)知學(xué)科核心素養(yǎng)。（二）開(kāi)展前測(cè)：摸清學(xué)生認(rèn)知起點(diǎn)與障礙點(diǎn)為了摸清學(xué)生在學(xué)習(xí)本單元知識(shí)之初的認(rèn)知起點(diǎn)和障礙點(diǎn)，筆者對(duì)高一新生做了單元教學(xué)前測(cè)問(wèn)卷調(diào)查。數(shù)據(jù)顯示，學(xué)生普遍對(duì)原子結(jié)構(gòu)有一定了解，能夠借助實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和卡通動(dòng)畫(huà)感性地認(rèn)識(shí)到物質(zhì)由元素組成，微觀由分子、原子構(gòu)成。然而，學(xué)生對(duì)原子構(gòu)成和化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在最外層電子的認(rèn)知不清晰，對(duì)原子結(jié)構(gòu)示意圖的表征也不準(zhǔn)確。這表明學(xué)生對(duì)原子及其反應(yīng)的本質(zhì)還處在模糊的微觀認(rèn)識(shí)水平階段。鑒于物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究對(duì)象是無(wú)法直接用肉眼觀察的微觀粒子，且距離學(xué)生的生活實(shí)際較遠(yuǎn)，缺乏直觀的實(shí)驗(yàn)輔助微觀粒子的辨識(shí)，筆者打算借助PhET仿真交互式軟件破解學(xué)生認(rèn)知瓶頸，以引導(dǎo)他們由原子結(jié)構(gòu)順利銜接進(jìn)入化學(xué)鍵，開(kāi)啟這一單元的學(xué)習(xí)。（三）建立框架：設(shè)計(jì)“從原子結(jié)構(gòu)到分子構(gòu)建”的教學(xué)路徑結(jié)合以上分析，筆者確定了“從原子結(jié)構(gòu)到分子構(gòu)建”跨學(xué)科單元教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了教學(xué)路徑：在科學(xué)方面，學(xué)生要了解原子結(jié)構(gòu)及化學(xué)鍵發(fā)展史，構(gòu)建科學(xué)的原子分子結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)各組分之間的數(shù)量關(guān)系，且了解構(gòu)建分子的一般思路，能科學(xué)構(gòu)建陌生分子；在技術(shù)方面，借助PhET建立并評(píng)價(jià)模型，了解數(shù)字技術(shù)在科學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用；在工程方面，體會(huì)建模學(xué)習(xí)的過(guò)程，能提出自主構(gòu)建原子、分子的方案并進(jìn)行評(píng)價(jià)；在數(shù)學(xué)方面，了解數(shù)學(xué)均值、極值模型的應(yīng)用，用數(shù)學(xué)圖形描述分子的大小、排列和空間結(jié)構(gòu)。建立該教學(xué)框架旨在利用PhET軟件，引導(dǎo)學(xué)生從原子結(jié)構(gòu)到分子構(gòu)建參與跨學(xué)科學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，提升學(xué)生對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)概念的理解與應(yīng)用能力。三、PhET軟件在原子與分子模型構(gòu)建中的應(yīng)用（一）構(gòu)建一個(gè)原子1.學(xué)習(xí)任務(wù)一：建立原子模型筆者讓學(xué)生探索“原子和離子有何區(qū)別”，使用BuildanAtom軟件的Atom功能區(qū)，嘗試構(gòu)建氫原子和碳原子，點(diǎn)擊功能鍵，結(jié)合電子云模型，直觀理解原子與離子的區(qū)別。學(xué)生參與上述活動(dòng)實(shí)現(xiàn)認(rèn)知進(jìn)階。他們感知原子形成過(guò)程，探索原子構(gòu)成要素，感受微?；顒?dòng)范圍，加深了對(duì)原子結(jié)構(gòu)的理解。同時(shí)，知曉電子在原子核引力場(chǎng)中的排布，以及電子云模型的發(fā)展，理解科學(xué)模型的變化性。2.學(xué)習(xí)任務(wù)二：表征一個(gè)原子筆者讓學(xué)生用化學(xué)符號(hào)表示原子或離子，使用BuildanAtom的Symbol功能區(qū)，分組合作，探究如何表征原子。學(xué)生自主探索和合作，完成原子空間結(jié)構(gòu)到符號(hào)表征的轉(zhuǎn)換，感受微粒符號(hào)表征的變化，提升了微觀探析和符號(hào)表征能力。3.學(xué)習(xí)任務(wù)三：競(jìng)技游戲自評(píng)與互評(píng)在筆者引導(dǎo)下，學(xué)生探究“如何多維度認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)中微粒關(guān)系”，進(jìn)入BuildanAtom的Game功能區(qū)，參與比賽，完成自評(píng)和互評(píng)。學(xué)生參與競(jìng)技活動(dòng)，厘清原子結(jié)構(gòu)與元素周期表的關(guān)系，強(qiáng)化微觀結(jié)構(gòu)和符號(hào)表征能力，建立了正確的元素觀。4.學(xué)習(xí)任務(wù)四：同位素及原子相對(duì)質(zhì)量模型構(gòu)建筆者讓學(xué)生思考“同位素原子占比變化如何影響元素相對(duì)原子量”，使用IsotopesandAtomicMass軟件的Mixtures功能區(qū)，合作探究同位素與元素概念的關(guān)聯(lián)。學(xué)生利用IsotopesandAtomicMass軟件進(jìn)行探索，加深了對(duì)元素相對(duì)原子量的認(rèn)知，建立了解決混合物問(wèn)題的思維模型。（二）構(gòu)建一個(gè)分子1.學(xué)習(xí)任務(wù)一：構(gòu)建熟悉的分子筆者問(wèn)：“原子外層電子排布與稀有氣體原子相同時(shí)，會(huì)有哪些新發(fā)現(xiàn)？”學(xué)生使用BuildaMolecule軟件的Single功能區(qū)，構(gòu)建了熟悉的分子模型并觀察其結(jié)構(gòu)（如圖2）。學(xué)生參與上述探究活動(dòng)，認(rèn)知水平實(shí)現(xiàn)進(jìn)階。他們從熟悉的化學(xué)物質(zhì)出發(fā)，分析分子構(gòu)成，建立化學(xué)鍵概念，認(rèn)識(shí)分子的空間結(jié)構(gòu)，初步形成分子構(gòu)成的思路。2.學(xué)習(xí)任務(wù)二：創(chuàng)造一個(gè)“新”分子“能否創(chuàng)建一個(gè)未知的‘新’分子？”學(xué)生積極面對(duì)挑戰(zhàn)，使用軟件的playgroung功能區(qū)，分組合作構(gòu)建新分子（如圖3）。學(xué)生自由探索分子的構(gòu)成，對(duì)分子構(gòu)成有清晰思路，提升了從分子尺度認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力。四、教學(xué)實(shí)踐跟蹤診斷與評(píng)價(jià)（一）跟蹤測(cè)試題設(shè)計(jì)：診斷學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平為評(píng)估學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)到分子構(gòu)建的認(rèn)知及其應(yīng)用能力，筆者設(shè)計(jì)了以下跟蹤測(cè)試題進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，為完善后續(xù)教學(xué)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。題1：請(qǐng)畫(huà)出碳的同位素（8個(gè)中子）原子結(jié)構(gòu)，并描述電子的排布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。核外電子排布及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的跟蹤診斷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，大多數(shù)學(xué)生能夠從量子力學(xué)電子云模型的角度解釋電子排布，了解每層容納電子數(shù)的規(guī)律，這為后續(xù)學(xué)習(xí)原子軌道知識(shí)打下了基礎(chǔ)。學(xué)生能夠聯(lián)系物理學(xué)科內(nèi)容，從核對(duì)電子引力的角度理解電子排布特點(diǎn)，在認(rèn)知發(fā)展層面實(shí)現(xiàn)從靜態(tài)孤立到動(dòng)態(tài)聯(lián)系的轉(zhuǎn)變，在思維層面從感性認(rèn)知發(fā)展為理性分析。題2：請(qǐng)用圖示畫(huà)出食鹽、水的微觀示意圖，并解釋海水曬鹽時(shí)為何“水走鹽留”。此題旨在診斷學(xué)生對(duì)微觀粒子種類及其相互作用方式的理解水平，以及應(yīng)用相關(guān)知識(shí)分析和解決真實(shí)情境問(wèn)題的能力。學(xué)生作答情況顯示，大多數(shù)學(xué)生能正確表達(dá)部分微觀粒子，且有驚喜表現(xiàn)，如能從微觀視角觀察物質(zhì)，在合作研討中進(jìn)行自我反思并完善作答。約60%的學(xué)生能描述水從液體到氣體的變化過(guò)程，即表現(xiàn)為分子間距增大。10%的學(xué)生能聯(lián)系電解質(zhì)概念，畫(huà)出海水中的水合陰陽(yáng)離子模型，知悉“水走鹽留”的微觀過(guò)程（如圖4）。（二）學(xué)生認(rèn)知進(jìn)階：從微觀探析到問(wèn)題解決在PhET輔助的“從原子結(jié)構(gòu)到分子構(gòu)建”跨學(xué)科單元教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生逐漸能區(qū)分離子鍵和共價(jià)鍵，自主分析海水曬鹽“水走鹽留”情境下分子間力的存在，探尋化學(xué)鍵強(qiáng)度的證據(jù)及其推理過(guò)程。學(xué)生關(guān)注陰陽(yáng)離子半徑大小、海水中水合離子的存在、分子存在空間結(jié)構(gòu)等物質(zhì)結(jié)構(gòu)的核心問(wèn)題，他們的宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等素養(yǎng)得到進(jìn)階式提升[5]。（三）教學(xué)效果：PhET軟件在教學(xué)中的實(shí)證分析學(xué)生借助PhET軟件學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵相關(guān)內(nèi)容，擺脫了對(duì)原子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單記憶，直觀地再現(xiàn)了原子的構(gòu)成，完整建構(gòu)了“如何構(gòu)建一個(gè)原子”的模型。從構(gòu)建一個(gè)原子到根據(jù)價(jià)電子排布判斷原子的穩(wěn)定性，再到通過(guò)共價(jià)鍵構(gòu)建分子，學(xué)生參與整個(gè)活動(dòng)過(guò)程，符合其認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。在構(gòu)建分子模型過(guò)程中，學(xué)生從熟悉分子的名稱化學(xué)式到看到分子內(nèi)部作用力并了解分子排列順序，初步了解分子的空間構(gòu)型，進(jìn)而調(diào)用高階思維，合理推測(cè)未知分子的構(gòu)建，提高了解決問(wèn)題的關(guān)鍵能力。實(shí)證分析表明，教師應(yīng)用PhET軟件教學(xué)能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并幫助他們更好地理解抽象的科學(xué)概念。該軟件助力學(xué)生參與直觀的模型構(gòu)建活動(dòng)，促進(jìn)了學(xué)生從微觀探析到問(wèn)題解決的認(rèn)知進(jìn)階。學(xué)生能夠逐漸區(qū)分離子鍵和共價(jià)鍵，自主分析分子間力的存在，并探尋化