基于科学探究能力培养的数字化实验融合概念教学的实践研究

一、活动背景与设计 

科学探究是通过科学实验、探究活动等结合在一起的多重呈现方式。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》指出化学学科的核心素养包括“科学探究与创新意识”等五个方面，其中科学探究的内涵是：能发现和提出有探究价值的问题；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、调查等方法进行探究的科学实践活动。化学又是一门以实验为基础的自然科学，化学实验是化学学习中的重要组成部分，在数字化实验的过程中可以提升学生的科学探究能力，落实化学学科核心素养培育。

根据“指向核心素养培育的新教研”项目研制的真实问题属性工具表的指引，我们对高一学生的化学学习情况做了一个问卷调查。调查数据显示，大多数学生表示对化学概念和化学实验都很感兴趣；学生觉得在化学学习中化学概念是难点之一；学生更喜欢在教师引导下，能够参与讨论、探究的上课模式。同时，我们也对学生做了一些访谈，了解到学生学习化学概念时感到困难的原因主要有以下几点：概念类知识理论性强，往往缺少实验的证据；概念类知识的表现形式比较枯燥单一，没有化学实验直观有趣；概念类知识难度大，学生往往难理解、难深入，反而增加学习化学的挫败感。化学概念的学习在化学学习中有着非常重要的作用，因此我们有必要去优化和改进这类知识的教学模式。结合学校教研组一直以来实验研究的优势、平时教学中的问题、学生的需求、新教研主题确定为：基于科学探究能力培养的数字化实验融合概念教学的实践。

二、活动实施 

“指向核心素养培育的新教研”是以来源于课程教学实践、教学过程中的真实问题作为实施新教研活动的起点，在主题的引领下设计了一系列的活动，通过6个通用工具表和10个专用工具表的指引设计和安排教研内容。围绕概念学习的文献研究、“离子反应”实验设计、“离子反应”教学磨课、教学公开展示、教学反思等主题活动，系列化、进阶化、深层次地进行研究，把一个课时的教学模式辐射到整个单元教学，形成学科教学的基本模式。系列教研活动安排见表1。

（一）系列活动流程

系列教研活动流程具体如图1所示。从文献研究到“离子反应”的实验设计，再到“离子反应”的教学磨课，经过三次的活动，对“离子反应”一课的实验方案做了多次的实验和修正，第4次活动成功地开设了“离子反应”的展示课。在第5次活动中，我们对设计的数字化实验方案、教学模式作了总结，数字化实验融合概念的教学模式能够在单元教学乃至学科教学中得到推广。在第6次活动中，复制“离子反应”一课的教学研究模式，形成“电解质和离子反应”单元教学设计，设计成一个单元4个课时的教学计划，分别为“电解质和电离等概念”“影响弱电解质电离的因素”“离子反应的概念和实质”“离子反应的条件”，每一节课中设计学生分组的数字化实验，结合数字化平台和数字化实验，提升学生的科学探究能力，在单元教学之后用前后测对学生的科学探究能力做统计分析。从中选择了系列活动的第5次活动作市级展示，因为“离子反应”的教学反思是这次系列活动的阶段成果提炼，也是后续做单元教学设计的模板和起点。

（二）工具支持下的教研过程

第5次活动既是一次研讨，又是一次公开展示，以“教研赋能，实验攀登”为主题举行“指向核心素养培育的新教研”市级展示活动。参加此次展示活动的是我校高中化学教研团队，亲临现场的还有市专家团队，参与观摩的还有线上线下的项目学校的相关教师。新教研展示活动内容如图2所示。

化学组的展示活动主要分为2个板块，第一个板块是简单回溯此次主题教研的前四次的活动；第二个板块是现场研讨，对于前四次活动形成的“离子反应”一课进行教学反思。在这次现场研讨中我们共设计了2个流程，第一个流程是先由上课的教师介绍通过这几次的研讨，有关这节课的实验设计经历了哪些改进。第二个流程是讨论2个议题，其中第一个议题，请各位教师通过这次教学展示，比较传统实验和数字化实验的优势和劣势；第二个议题，请各位教师就数字化实验提升学生科学探究能力的作用，谈谈自己的体会。首先由“离子反应”的开课教师谈谈几次教研活动对这节课的实验设计的改进。

接着活动研讨进入讨论阶段，第一个议题是传统实验和数字化实验的优势和劣势，大家各抒己见。有教师提出：传统滴管实验也能够帮助学生理解是否发生反应，这些实验产生沉淀、气体等现象也很明显，并且实验准备时间短、学生操作简单，耗费的试剂量也少，那么是否有必要使用数字化实验呢？

第二个议题是数字化实验对提升学生的科学探究能力有哪些作用？

此次研讨我们应用了活动研讨记录单，每位教师记录了研讨中自己的观点，经过研讨达成的共识，活动研讨记录单如表2所示，作为后续教研中可查阅的资料。

在后续的“电解质”单元教学中，我们凝聚教研组的智慧，设计了每节课与教学内容相关的前后测的试题，根据数字化实验可能提升的科学探究能力中的要素能力，围绕任务分析、活动探究、数据获取、证据应用几个要素能力设计题目，实验班为学生操作数字化实验组，对照班为教师演示数字化实验组，每节课前后对两组同学的各要素能力进行测试，获取的数据统计如表3。

表3展示了科学探究能力独立样本t检验的结果，包括t检验结果、显著性P值，用于分析单元四课时实验班与对照班科学探究能力的差异性。统计结果显示，四课时教学之后，对照班与实验班在任务分析和活动探究的能力上不存在明显差异性；第一课时和第四课时在数据获取上，对照班与实验班的显著性结果（P=0.041**和0.035**，均<0.05）表明统计结果显著，说明对照班与实验班在数据获取上存在显著差异；第二课时和第三课时在证据应用上，对照班与实验班的显著性结果（P=0.000***和0.016**，均<0.01或0.05）表明统计结果显著，说明对照班与实验班在证据应用上存在显著差异。

根据分析结果我们得到启示，短期的数字化实验的体验对科学探究的部分能力的发展有着明显的提升作用，某些没有提升的能力可能跟实验设计环节有一定的关联。这也是后续深度教研的起点，后续的教研活动可以围绕数据统计，总结和反思部分能力提高的原因，剖析实验设计，完善实验设计，力争实现学生科学探究能力的全面发展。

三、反思与评价

此次系列教研活动展示出了一种教研新意，在活动呈现上既有过程，又有结果，是可以迁移应用的。其一，系列活动的真实问题来自学生，非常务实，聚焦点比较小，目的是培养学生的科学探究能力。其二，教研主题中“概念教学”如何体现探究可以从两个视角出发，一是让学生从科学家的角度分析，形成认知模型；二是将习得的一些概念、原理进行科学探究的运用。其三，化学教研组教师关注教研过程，研究过程有抓手，有共识、有质疑、有记录、有实证、有突破、有观点、有重点、有进阶、有展望，重点突破很明确，也有工具和视角，让研究可以迁移，体现了教研价值。

新教研工具是推动教研科学化、规范化、系列化的一个重要手段。学校的新教研项目推进离不开三支队伍的力量为其保驾护航，分别是重视实证教研的管理者队伍，懂得科学采集证据的教研组长队伍，会用数据来进行教学实践的教师队伍。学校推动新教研实施可以从“加减乘除”四个角度来探索：“加”是指增加，跨学科的教研力量相加，传统教研增加新教研的特征和特色；“减”是指重点突出，有所选择将学校的特色工作、重点工作与新教研项目的结合，聚焦主题展开研究；“乘”是指效果层面上活动的质量由量变到质变的过程；“除”意在优质而公平，需要市、区、校协作共研来实现教研的品质提升和优质发展。