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指向科学思维发展的化学数字化教学探究

摘要：分析当前初中化学教学的一般思路和存在问题，教师结合《义务教育化学课程标准（2022年版）》提出的学业要求，借助数字技术赋能化学课堂教学，从定性和定量的视角剖析化学原理和概念。在“饱和溶液与不饱和溶液”的教学中，教师开展仿真实验，实时呈现实验现象和溶液浓度，引导学生进行定性与定量相结合的分析，理解“饱和溶液”的含义，大胆质疑“人的肉眼能观察到极少量固体的溶解吗”，同时适时引入电导率传感器，辅助学生建立饱和溶液定性与定量的联系，促进其科学思维发展，实现了学科育人价值。

关键词：科学思维；化学数字化实验；仿真实验；饱和溶液

《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）建议教师利用数字化实验装备改进传统实验，让学生借助可视化的数据认识化学问题的本质，培养学生多视角收集证据解决化学问题的能力[1]。数字化实验是指借助计算机平台完成的实验，包括仿真实验和借助传感器的实验及多媒体展现的实验[2]。数字技术赋能化学课堂教学，在学生科学思维发展中发挥着重要作用。初中化学“科学思维”主要包括：在解决化学问题中所运用的比较、分类、分析、综合、归纳等科学方法；基于实验事实进行证据推理、建构模型并推测物质及其变化的思维能力；在解决与化学相关的真实问题中形成的质疑能力、批判能力和创新意识[3]。科学思维既重视概念形成的结果，又关注概念的生成过程，发展学生科学思维的能力和品质是化学课程的重要目标之一[4]。下面，以“饱和溶液与不饱和溶液”为例，对指向科学思维发展的化学数字化教学进行探究分析。

一、教学主题与现状分析

“饱和溶液与不饱和溶液”是《义务教育教科书化学九年级上册》（上海教育出版社出版）“溶液”一节的第三课时教学主题。笔者将溶质的质量分数提前至第一课时讲授，第二课时用以讲授物质的溶解性。“饱和溶液与不饱和溶液”是认识溶液的延续，是连接“物质的溶解性”和“物质的溶解度”的桥梁。本课教学旨在为学生定性分析向定量计算过渡做好铺垫，在第三单元的教学过程中起承上启下的作用。

笔者查阅文献，发现目前教师对“饱和溶液与不饱和溶液”的教学创新主要表现在以下四点。一是实验改进及呈现方式的创新。教师对教材上的实验进行改进[5]，以播放实验演示视频和展示学生家庭实验视频等方式教学，提高效率。二是创建模型，挖掘概念背后的本质或原理。教师逐步引导学生用模型（如“冰墩墩”[6]等）表征饱和溶液和不饱和溶液的转化过程。此举弥补了单纯改进实验而忽视概念理解的不足，但过度地引导学生借助模型解释不同方法下饱和溶液和不饱和溶液的转化过程，有将简单问题复杂化之嫌，增加了学生的理解难度。三是创设情境改变传统教学模式。教师指导学生制作“天气预报瓶”[7]，以做促学，体验实验探究过程，享受化学学习乐趣，让学生在电影情节“潘东子运盐三计策”[8]中身临其境解决真实问题。这样教学仍然存在对概念缺乏深层理解的问题。四是利用数字化实验赋能化学课堂教学。邵敏[9]将氢氧化钙粉末逐渐加入水中，测量溶液电导率判断溶液的饱和状态。上述操作对数字化传感器在教学中应用潜力的挖掘尚浅。胡博凯[10]等将虚拟仿真实验融入课堂教学，因允许添加的溶质种类只有一种，且不能改变温度，故不能完整归纳并得出饱和溶液的正确定义。

笔者借鉴上述经验，以帮助学生提升“科学思维”为目的，按照新课标提出的“能从定性和定量的视角说明饱和溶液的含义”的学业要求[11]，以数字化实验为突破口，精心设计，优化教学。

二、教学设计思路

（一）以活动为载体，发展学生的“科学思维”

科学思维的内涵是像科学家一样思考与探究，在科学实践活动中，进行知识建构和推理应用[12]。皮亚杰认为，活动既是感知的源泉又是思维发展的基础。笔者尝试充分利用学生已有的概念，设置不同类型的探究活动，以问题驱动学生在活动中自主建构和完善概念并表达自己的观点，实现“科学思维”发展（如图1）。

（二）借助数字传感器实验，帮助学生理解概念本质

教师在教学中需要引导学生判断溶液的饱和状态——对于烧杯底部没有溶质固体的溶液，怎样验证溶液的状态呢？在教学中教师往往引导学生加入少量的溶质，让他们根据溶质是否溶解来判断溶液的状态。但是，人的肉眼能观察到极少量的固体的溶解吗？答案是否定的。为破解上述难题，笔者引入电导率仪，根据电导率的变化情况判断溶液的状态。学生发现随着溶解的溶质增多，溶液的电导率增大，继而认识到可以将电导率增大作为判断溶质能继续溶解的证据。这样教学可以渗透“证据支持假设”的思想，加深学生对概念本质的理解。

（三）引入虚拟仿真实验，利于达成教学目标

为解决实验较多、耗时较长的问题，在保证实验科学性的前提下，笔者利用相关平台的虚拟仿真实验对实验进行改进（实验装置如图2所示），避免学生因等待溶解和蒸发而感到枯燥乏味