信息技术与高中化学教学创新融合的实践探索

　　摘 要:本文探讨信息技术与高中化学教学的融合创新,致力于提升教学效率､激发学生的学习兴趣｡首先分析现有技术在教学､学习､教师发展和学生评价中的功能,如虚拟实验､数字化实验等;其次列举常用软件与教学实例;再次分析硬件不足､教师能力参差不齐等融合困难及应对策略;最后展望AI驱动学习､元宇宙课堂等未来趋势｡

　　关键词:信息技术;高中化学;虚拟实验;数字化实验;教学融合;核心素养

　　论文《信息技术与高中化学教学创新融合的实践探索》发表在《中小学电教》，版权归《中小学电教》所有。本文来自网络平台，仅供参考。

　　一、充分挖掘现有信息技术在高中化学的教与学的功能作用

　　(一)教师在教学中的特殊场景可通过信息技术展现

　　1.借助ChemDraw、Blender等软件建模与创设动画

　　ChemDraw､Blender 等软件可为学生形象地展示典型的分子立体结构如手性分子､晶体结构等｡再比如利用软件辅助学习“化学反应速率”,学生就可以利用电脑模拟不同浓度条件下的反应过程,通过传感器验证真实实验数据,并通过动画感受化学反应中微粒间的有效碰撞及化学键的断裂与形成,从而帮助提高学生对活化能等抽象概念的理解｡

　　2.借助VR/AR/MR虚拟实验

　　使用虚拟现实(VR)或增强现实(AR)或MR(混合现实)技术模拟化学实验有明显优势｡其一,能够为学生直观展示微观机理;其二,能够做到灵活控制实验条件,无须承担真实操作的风险｡以金属钠与水反应实验为例,学生可以在虚拟环境中尝试“将大块金属钠或钾投入水”的危险操作,直观感受爆炸的后果｡除此之外,还可以模拟某些场景进行类比实验｡如非常抽象的微观世界或理论推测(DNA双螺旋､苯分子结构､氢电子云)或其他复杂反应机理(原电池､电解池的工作原理)｡AI技术的使用突破了现实实验的条件限制,让实验室的边界从试管延伸到数字世界｡

　　3.借助数字化信息系统(DIS)操作实验

　　数字化信息系统(Digital Information System,DIS)通过传感器实时采集实验数据,结合数据采集器､计算机软件和可视化工具,为科学实验和工程提供高效､精准的解决方案｡如实验中pH值､温度､浓度､压力､光强､电导率的变化,均可通过DIS自动采集实验数据生成动态曲线(如pH值变化对速率的影响)｡快速､准确､动态地采集实验信息,实现数字化显示,由计算机辅助分析处理,能够有效减少偏差,避免人工读取记录的偶然误差,帮助学生迅速理解抽象的概念及理论｡

　　(二)学生在学习中的特定疑问可寻求信息技术支持

　　1.借助人工智能辅助学习

　　通过DeepSeek､聊天机器人解答化学问题(如微粒浓度的比较､KSP的运算､配平离子方程式)｡通过小猿搜题､豆包等提供个性化习题推荐,并对学生的学习难点进行智能诊断｡

　　2.借助游戏优化学习

　　设计化学知识闯关对抗游戏(如再现元素周期表)､模拟化工厂生产(如优化化工流程),从而提高学生的学习兴趣｡比如AR模拟的即时反馈和积分系统,就符合新时代学生的游戏化学习偏好(McGonigal, 2011),但应避免“游戏化陷阱”,同时需要注重维持科学探究的严肃性｡

　　3.借助平台在线学习

　　通过微课､慕课(MOOC)､互动式课件支持学生自主预习､复习,例如国家中小学智慧教育平台资源等｡

　　(三)教师的专业发展通过信息技术进一步提升

　　达到资源共享与协作:通过“希沃白板” “学科网”等云端平台分享优质课件､优质实验视频,跨区域跨学科协作开发教学资源｡

　　达到教学数据分析:利用数据共享,对比分析不同学校､不同班级､不同环境的学生群体对特定知识的接受情况,调整教学策略,优化教学设计｡

　　(四)教师对学生的评价通过信息技术进一步优化

　　数据分析与反馈:通过在线测试系统(如“问卷星” “ClassIn”)收集学生答题数据,分析多发错误点,生成有针对性的教学与学习报告｡

　　过程性评价:利用电子档案袋(如“钉钉班级圈”)记录学生实验过程视频､思维导图等学习成果,实现教学的多元化评价｡

　　二、典型的信息技术手段在高中化学教学中的实践应用

　　(一)常用化学软件与工具

　　1.利用PhET､Avogadro､Jmol实现分子可视化

　　以探究理想气体定律为例,可通过PhET仿真实验进行实验模拟｡既可在不接触高压气体､高温或低温环境的情况下完成一种理想模型的建构,又可有效避免实验过程中可能出现的泄漏､爆炸等实验风险｡同时还可以自由调节参数(如温度､体积､压强),甚至模拟理想状态(如绝对零度),突破现实条件限制,验证极端情况｡并且允许无限次重复操作,成本效益显著｡

　　2.利用Labster､NOBOOK完成实验模拟

　　以实验室制备氯气为例,借助Labster(虚拟实验室)能有效的避免现实实验中毒气体泄漏等危害｡学生可以进行多组多次的错误操作或错误连接,并模拟错误后果,形成对化学实验的正确认知,尤其强化了进行化学实验的安全意识｡同时还可以支持探究不同试剂､不同装置､不同原理的制备方法(如氧化还原､电解等手段),深化对反应原理的理解,还可动态调整实验参数(如盐酸浓度､温度条件),直观展示造成反应停止的原因｡

　　当然模拟实验在实际教学中也存在劣势｡相较于模拟实验,真实实验通过多模态感官刺激(视觉变色､触觉温度变化､听觉爆鸣声)形成具身记忆,符合皮亚杰 “具体运算阶段”向“形式运算阶段”过渡的认知需求｡例如萃取实验中分液漏斗的触感记忆,比虚拟界面点击更能形成程序性知识｡同时真实实验的成功操作能显著提升化学效能感(Bandura, 1977),如滴定终点精准判断带来的成就感｡但高风险实验(如浓硫酸稀释)的模拟预演能降低状态焦虑(Spielberger, 1983),避免“实验恐惧症”｡实验过程中伴随的意外现象(异常颜色变化)引发的惊奇感,能产生更持久的情感记忆(McGaugh, 2003),这是程序化模拟难以复制的教育价值｡

　　3.利用Excel､Origin､Python实现数据处理

　　使用Origin软件绘制反应速率曲线时,其图形化界面能直观呈现反应进程的动力学特征(如线性区､平台区或异常点),通过内置工具可快速拟合曲线并提取关键参数(如速率常数､活化能)｡另外,编程分析实验数据(如Python编程或MATLAB)具有显著优势:

　　①自动化处理:可编写脚本批量处理多组数据,避免手动重复操作;

　　②复杂算法集成:灵活调用机器学习､非线性回归或微分方程求解库,精准解析复杂动力学模型;

　　③错误溯源:通过代码版本控制确保计算过程可追溯,降低人为失误风险;

　　④扩展性:自定义数据预处理(如基线校正､噪声滤波)和可视化模块,满足个性化科研需求｡二者结合(如Origin调用Python脚本)可实现高效数据分析与高质量图表输出的协同,尤其适用于高通量实验或需长期追踪的反应体系研究｡

　　(二)课堂教学实例

　　第一,原电池､电解池原理:用动画展示电子流动方向,结合DIS传感器测量电流强度变化｡模拟实验通过动态分子模型拆分认知负荷(Sweller, 1988),将抽象概念可视化｡如原电池教学中,先通过模拟观察电子流动,再实际操作测量电流,形成“双重编码”记忆(Paivio, 1971)｡

　　第二,化学平衡移动:通过虚拟实验模拟勒夏特列原理,动态调整浓度､温度参数观察平衡变化｡通过实时展示分子碰撞频率､反应速率曲线及浓度变化折线图,将不可见的分子运动转化为可视化数据,帮助学生建立微观粒子运动与宏观现象的逻辑关联｡同步生成浓度时间曲线,反应商(Q)与平衡常数(K)动态对比面板,结合热力学参数(∆H)联动显示,引导学生通过拖拽浓度滑块观察Q/K关系变化,直接验证勒夏特列原理｡

　　第三,晶体结构学习:用AR技术扫描课本图片,立体展示金刚石､石墨烯的原子排布｡金刚石的空间立体网状结构仅凭想象难以理解,通过AR技术展示,可帮助学生直观感受原子间的键合方式和空间排布差异｡学生可通过手势操作“拆解”金刚石的立体晶格,或“剥离”石墨烯的层状结构,理解石墨烯如何从石墨中分离｡结合动画演示(如金刚石的高熔点､石墨烯的导电性),将抽象概念具象化,激发探究兴趣｡

　　三、信息技术与学科教学融合的困难与应对思考

　　(一)融合困难

　　一是“最后一公里”落地难:从理念､政策到学校课堂的具体实践,存在巨大的鸿沟｡

　　二是“人”的因素是关键瓶颈:教师的能力､意愿､时间和精力是融合能否深入的核心制约｡

　　三是系统性变革的复杂性:融合需要教育生态系统中各个要素(课程､教学､评价､资源､教师发展､管理机制)的协同变革,牵一发而动全身｡

　　四是教育行政部门及学校重视程度:社会对信息技术与学科融合的关注度低就会导致资金投入不足,硬件设备不足(如缺乏VR设备､传感器)等问题出现｡

　　五是技术与教育的深度磨合:如何让技术真正服务于教育的本质目标(育人),而非让教育迁就或屈从于技术,是现今课堂教学面对的最大挑战｡

　　(二)应对策略

　　第一,分阶段实施:从简单工具(如动画､在线测试)入手,逐步引入复杂技术｡在具体实施过程中应采用“5E+1S”模式:Engage(模拟引发疑问)￫Explore(真实实验)￫Explain(模拟解析)￫Elaborate(拓展实验)￫Evaluate(实验评价)￫Simulate(巩固)

　　第二,教师培训:借助教师培训平台系统开展信息技术与学科融合的校本研修｡可采用混合研修的方式,线上慕课和线下工作坊同时进行,而后开展“设计”-“实施”-“反思”三轮迭代实施课例打磨,组建学科资源开发小组,构建校本数字资源库,建立跨学科教研共同体,实施“1+N”师徒结对｡教师需从“知识传授者”转向“技术整合设计师”,掌握数据分析､工具开发技能等｡建立教师技术培训社区(如GitHub教师协作平台),共享教学资源与代码模板｡

　　第三,虚实结合:保留传统实验的动手环节(实操环节),虚拟实验作为补充｡真实实验的操作误差(如溶液溅出)提供真实的元认知反思素材,而模拟实验的“撤销”功能可能削弱错误归因能力｡建议采用“模拟-真实-再模拟”的螺旋式反思模式｡模拟实验允许快速变量调控(如浓度梯度设置),适合发展控制变量思维,但须警惕“完美数据”造成的认知偏差,须与真实实验的随机误差形成对比教学｡

　　第四,资源整合:利用免费开源软件(如Moodle､GeoGebra､PhET)降低成本｡像VR设备､传感器等硬件成本高,会进一步拉大不同区域教育资源的差距｡可优先推广低代码或无代码工具(如APP Inventor开发简易化学APP)､开源软件与低成本替代方案(如手机传感器替代专业设备)｡

　　四、信息技术与学科教学融合的未来趋势

　　(一)教师角色的根本性转变

　　教师要完成从知识的“传授者”到学习的“设计师与引导者”,从成绩的“汇总者”到数据的“分析师与教练员”,从课堂的“执教者”到技术的“新学员与协作者”｡

　　(二)无缝融合的混合式学习空间

　　课堂授课要突破线上线下界限,课堂空间要突出以学生为中心,学习场域要突围现有课堂局限｡

　　(三)AI驱动的个性化学习

　　AI将不仅提供难度各异的习题,开始有效分析学生个体的认知水平､知识漏洞､学习风格､兴趣偏好等多维度数据,构建精准的“个体画像”｡也就是基于学生知识图谱的智能导学系统,做到“超越浅层适配”｡

　　AI还能通过分析学生答题数据,精准定位知识盲区 (如化学平衡理解偏差),推荐最适合的学习资源(如微视频､互动模拟､拓展阅读)､学习活动和练习策略,生成个性化学习路径,实现“千人千面”的定制化教学,从而完成“智能路径规划”｡

　　AI甚至通过聊天机器人(如基于GPT-4)解答化学问题,模拟师生对话,突破时空限制｡实现“实时反馈与辅导”｡

　　(四)跨学科项目式学习成为常态

　　整合数学､科学､工程､艺术､人文社科等多种学科的知识与技能,信息技术是连接各学科的“粘合剂”和“放大器”｡比如结合Python编程解决化学计算问题,培养计算思维｡学生可以通过编程模拟构建化学平衡常数,逐步理解K、Kw、Ka、Kb、Ksp的本质特征及内在联系,从而提升学生的计算思维｡

　　信息技术与高中化学教学的深度融合不仅仅是教学工具和方法的升级,更是教育理念､教学模式､评价体系和学校生态的系统性重构｡但也须注意技术与学科目标的平衡,避免“为技术而技术”｡教师应结合学情灵活选择工具,最终提升教育质量,培养适应未来社会发展的创新型人才｡未来已来,这场融合变革将深刻塑造高中教育的面貌｡

　　参考文献:

　　[1] 朱云敏,罗雪仪.利用数字化实验技术探究溶液pH变化:以“pH传感器测试”为例[J].中小学实验与装备,2024,34(05):59-63.

　　[2] 田珊珊.PhET虚拟仿真互动平台资源在中学化学教学中的应用研究[D].西安:陕西师范大学,2020.

　　[3] 尤东琳.信息技术与高中化学实验教学深度融合的实践应用:以“氯气的实验室制法”教学为例[J].广西教育,2024,(29):106-109,114.

　　[4] 陈静.核心素养导向的5E教学模式在高中化学教学中的应用 [D].岳阳:湖南理工学院,2024.

　　[5] 刘治国.信息技术在高中化学教学中的应用[J].中国新通信,2024,26(13):224-226.

　　[6] 黄程.高中化学课程中融入计算思维的编程教学策略[J].安徽教育科研,2025(11):104-106.