摘 要:本文探討信息技術與高中化學教學的融合創新,致力于提升教學效率?激發學生的學習興趣?首先分析現有技術在教學?學習?教師發展和學生評價中的功能,如虛擬實驗?數字化實驗等;其次列舉常用軟件與教學實例;再次分析硬件不足?教師能力參差不齊等融合困難及應對策略;最后展望AI驅動學習?元宇宙課堂等未來趨勢?

　　關鍵詞:信息技術;高中化學;虛擬實驗;數字化實驗;教學融合;核心素養

　　論文《信息技術與高中化學教學創新融合的實踐探索》發表在《中小學電教》，版權歸《中小學電教》所有。本文來自網絡平臺，僅供參考。

　　一、充分挖掘現有信息技術在高中化學的教與學的功能作用

　　(一)教師在教學中的特殊場景可通過信息技術展現

　　1.借助ChemDraw、Blender等軟件建模與創設動畫

　　ChemDraw?Blender 等軟件可為學生形象地展示典型的分子立體結構如手性分子?晶體結構等?再比如利用軟件輔助學習“化學反應速率”,學生就可以利用電腦模擬不同濃度條件下的反應過程,通過傳感器驗證真實實驗數據,并通過動畫感受化學反應中微粒間的有效碰撞及化學鍵的斷裂與形成,從而幫助提高學生對活化能等抽象概念的理解?

　　2.借助VR/AR/MR虛擬實驗

　　使用虛擬現實(VR)或增強現實(AR)或MR(混合現實)技術模擬化學實驗有明顯優勢?其一,能夠為學生直觀展示微觀機理;其二,能夠做到靈活控制實驗條件,無須承擔真實操作的風險?以金屬鈉與水反應實驗為例,學生可以在虛擬環境中嘗試“將大塊金屬鈉或鉀投入水”的危險操作,直觀感受爆炸的后果?除此之外,還可以模擬某些場景進行類比實驗?如非常抽象的微觀世界或理論推測(DNA雙螺旋?苯分子結構?氫電子云)或其他復雜反應機理(原電池?電解池的工作原理)?AI技術的使用突破了現實實驗的條件限制,讓實驗室的邊界從試管延伸到數字世界?

　　3.借助數字化信息系統(DIS)操作實驗

　　數字化信息系統(Digital Information System,DIS)通過傳感器實時采集實驗數據,結合數據采集器?計算機軟件和可視化工具,為科學實驗和工程提供高效?精準的解決方案?如實驗中pH值?溫度?濃度?壓力?光強?電導率的變化,均可通過DIS自動采集實驗數據生成動態曲線(如pH值變化對速率的影響)?快速?準確?動態地采集實驗信息,實現數字化顯示,由計算機輔助分析處理,能夠有效減少偏差,避免人工讀取記錄的偶然誤差,幫助學生迅速理解抽象的概念及理論?

　　(二)學生在學習中的特定疑問可尋求信息技術支持

　　1.借助人工智能輔助學習

　　通過DeepSeek?聊天機器人解答化學問題(如微粒濃度的比較?KSP的運算?配平離子方程式)?通過小猿搜題?豆包等提供個性化習題推薦,并對學生的學習難點進行智能診斷?

　　2.借助游戲優化學習

　　設計化學知識闖關對抗游戲(如再現元素周期表)?模擬化工廠生產(如優化化工流程),從而提高學生的學習興趣?比如AR模擬的即時反饋和積分系統,就符合新時代學生的游戲化學習偏好(McGonigal, 2011),但應避免“游戲化陷阱”,同時需要注重維持科學探究的嚴肅性?

　　3.借助平臺在線學習

　　通過微課?慕課(MOOC)?互動式課件支持學生自主預習?復習,例如國家中小學智慧教育平臺資源等?

　　(三)教師的專業發展通過信息技術進一步提升

　　達到資源共享與協作:通過“希沃白板” “學科網”等云端平臺分享優質課件?優質實驗視頻,跨區域跨學科協作開發教學資源?

　　達到教學數據分析:利用數據共享,對比分析不同學校?不同班級?不同環境的學生群體對特定知識的接受情況,調整教學策略,優化教學設計?

　　(四)教師對學生的評價通過信息技術進一步優化

　　數據分析與反饋:通過在線測試系統(如“問卷星” “ClassIn”)收集學生答題數據,分析多發錯誤點,生成有針對性的教學與學習報告?

　　過程性評價:利用電子檔案袋(如“釘釘班級圈”)記錄學生實驗過程視頻?思維導圖等學習成果,實現教學的多元化評價?

　　二、典型的信息技術手段在高中化學教學中的實踐應用

　　(一)常用化學軟件與工具

　　1.利用PhET?Avogadro?Jmol實現分子可視化

　　以探究理想氣體定律為例,可通過PhET仿真實驗進行實驗模擬?既可在不接觸高壓氣體?高溫或低溫環境的情況下完成一種理想模型的建構,又可有效避免實驗過程中可能出現的泄漏?爆炸等實驗風險?同時還可以自由調節參數(如溫度?體積?壓強),甚至模擬理想狀態(如絕對零度),突破現實條件限制,驗證極端情況?并且允許無限次重復操作,成本效益顯著?

　　2.利用Labster?NOBOOK完成實驗模擬

　　以實驗室制備氯氣為例,借助Labster(虛擬實驗室)能有效的避免現實實驗中毒氣體泄漏等危害?學生可以進行多組多次的錯誤操作或錯誤連接,并模擬錯誤后果,形成對化學實驗的正確認知,尤其強化了進行化學實驗的安全意識?同時還可以支持探究不同試劑?不同裝置?不同原理的制備方法(如氧化還原?電解等手段),深化對反應原理的理解,還可動態調整實驗參數(如鹽酸濃度?溫度條件),直觀展示造成反應停止的原因?

　　當然模擬實驗在實際教學中也存在劣勢?相較于模擬實驗,真實實驗通過多模態感官刺激(視覺變色?觸覺溫度變化?聽覺爆鳴聲)形成具身記憶,符合皮亞杰 “具體運算階段”向“形式運算階段”過渡的認知需求?例如萃取實驗中分液漏斗的觸感記憶,比虛擬界面點擊更能形成程序性知識?同時真實實驗的成功操作能顯著提升化學效能感(Bandura, 1977),如滴定終點精準判斷帶來的成就感?但高風險實驗(如濃硫酸稀釋)的模擬預演能降低狀態焦慮(Spielberger, 1983),避免“實驗恐懼癥”?實驗過程中伴隨的意外現象(異常顏色變化)引發的驚奇感,能產生更持久的情感記憶(McGaugh, 2003),這是程序化模擬難以復制的教育價值?

　　3.利用Excel?Origin?Python實現數據處理

　　使用Origin軟件繪制反應速率曲線時,其圖形化界面能直觀呈現反應進程的動力學特征(如線性區?平臺區或異常點),通過內置工具可快速擬合曲線并提取關鍵參數(如速率常數?活化能)?另外,編程分析實驗數據(如Python編程或MATLAB)具有顯著優勢:

　　①自動化處理:可編寫腳本批量處理多組數據,避免手動重復操作;

　　②復雜算法集成:靈活調用機器學習?非線性回歸或微分方程求解庫,精準解析復雜動力學模型;

　　③錯誤溯源:通過代碼版本控制確保計算過程可追溯,降低人為失誤風險;

　　④擴展性:自定義數據預處理(如基線校正?噪聲濾波)和可視化模塊,滿足個性化科研需求?二者結合(如Origin調用Python腳本)可實現高效數據分析與高質量圖表輸出的協同,尤其適用于高通量實驗或需長期追蹤的反應體系研究?

　　(二)課堂教學實例

　　第一,原電池?電解池原理:用動畫展示電子流動方向,結合DIS傳感器測量電流強度變化?模擬實驗通過動態分子模型拆分認知負荷(Sweller, 1988),將抽象概念可視化?如原電池教學中,先通過模擬觀察電子流動,再實際操作測量電流,形成“雙重編碼”記憶(Paivio, 1971)?

　　第二,化學平衡移動:通過虛擬實驗模擬勒夏特列原理,動態調整濃度?溫度參數觀察平衡變化?通過實時展示分子碰撞頻率?反應速率曲線及濃度變化折線圖,將不可見的分子運動轉化為可視化數據,幫助學生建立微觀粒子運動與宏觀現象的邏輯關聯?同步生成濃度時間曲線,反應商(Q)與平衡常數(K)動態對比面板,結合熱力學參數(?H)聯動顯示,引導學生通過拖拽濃度滑塊觀察Q/K關系變化,直接驗證勒夏特列原理?

　　第三,晶體結構學習:用AR技術掃描課本圖片,立體展示金剛石?石墨烯的原子排布?金剛石的空間立體網狀結構僅憑想象難以理解,通過AR技術展示,可幫助學生直觀感受原子間的鍵合方式和空間排布差異?學生可通過手勢操作“拆解”金剛石的立體晶格,或“剝離”石墨烯的層狀結構,理解石墨烯如何從石墨中分離?結合動畫演示(如金剛石的高熔點?石墨烯的導電性),將抽象概念具象化,激發探究興趣?

　　三、信息技術與學科教學融合的困難與應對思考

　　(一)融合困難

　　一是“最后一公里”落地難:從理念?政策到學校課堂的具體實踐,存在巨大的鴻溝?

　　二是“人”的因素是關鍵瓶頸:教師的能力?意愿?時間和精力是融合能否深入的核心制約?

　　三是系統性變革的復雜性:融合需要教育生態系統中各個要素(課程?教學?評價?資源?教師發展?管理機制)的協同變革,牽一發而動全身?

　　四是教育行政部門及學校重視程度:社會對信息技術與學科融合的關注度低就會導致資金投入不足,硬件設備不足(如缺乏VR設備?傳感器)等問題出現?

　　五是技術與教育的深度磨合:如何讓技術真正服務于教育的本質目標(育人),而非讓教育遷就或屈從于技術,是現今課堂教學面對的最大挑戰?

　　(二)應對策略

　　第一,分階段實施:從簡單工具(如動畫?在線測試)入手,逐步引入復雜技術?在具體實施過程中應采用“5E+1S”模式:Engage(模擬引發疑問)?Explore(真實實驗)?Explain(模擬解析)?Elaborate(拓展實驗)?Evaluate(實驗評價)?Simulate(鞏固)

　　第二,教師培訓:借助教師培訓平臺系統開展信息技術與學科融合的校本研修?可采用混合研修的方式,線上慕課和線下工作坊同時進行,而后開展“設計”-“實施”-“反思”三輪迭代實施課例打磨,組建學科資源開發小組,構建校本數字資源庫,建立跨學科教研共同體,實施“1+N”師徒結對?教師需從“知識傳授者”轉向“技術整合設計師”,掌握數據分析?工具開發技能等?建立教師技術培訓社區(如GitHub教師協作平臺),共享教學資源與代碼模板?

　　第三,虛實結合:保留傳統實驗的動手環節(實操環節),虛擬實驗作為補充?真實實驗的操作誤差(如溶液濺出)提供真實的元認知反思素材,而模擬實驗的“撤銷”功能可能削弱錯誤歸因能力?建議采用“模擬-真實-再模擬”的螺旋式反思模式?模擬實驗允許快速變量調控(如濃度梯度設置),適合發展控制變量思維,但須警惕“完美數據”造成的認知偏差,須與真實實驗的隨機誤差形成對比教學?

　　第四,資源整合:利用免費開源軟件(如Moodle?GeoGebra?PhET)降低成本?像VR設備?傳感器等硬件成本高,會進一步拉大不同區域教育資源的差距?可優先推廣低代碼或無代碼工具(如APP Inventor開發簡易化學APP)?開源軟件與低成本替代方案(如手機傳感器替代專業設備)?

　　四、信息技術與學科教學融合的未來趨勢

　　(一)教師角色的根本性轉變

　　教師要完成從知識的“傳授者”到學習的“設計師與引導者”,從成績的“匯總者”到數據的“分析師與教練員”,從課堂的“執教者”到技術的“新學員與協作者”?

　　(二)無縫融合的混合式學習空間

　　課堂授課要突破線上線下界限,課堂空間要突出以學生為中心,學習場域要突圍現有課堂局限?

　　(三)AI驅動的個性化學習

　　AI將不僅提供難度各異的習題,開始有效分析學生個體的認知水平?知識漏洞?學習風格?興趣偏好等多維度數據,構建精準的“個體畫像”?也就是基于學生知識圖譜的智能導學系統,做到“超越淺層適配”?

　　AI還能通過分析學生答題數據,精準定位知識盲區 (如化學平衡理解偏差),推薦最適合的學習資源(如微視頻?互動模擬?拓展閱讀)?學習活動和練習策略,生成個性化學習路徑,實現“千人千面”的定制化教學,從而完成“智能路徑規劃”?

　　AI甚至通過聊天機器人(如基于GPT-4)解答化學問題,模擬師生對話,突破時空限制?實現“實時反饋與輔導”?

　　(四)跨學科項目式學習成為常態

　　整合數學?科學?工程?藝術?人文社科等多種學科的知識與技能,信息技術是連接各學科的“粘合劑”和“放大器”?比如結合Python編程解決化學計算問題,培養計算思維?學生可以通過編程模擬構建化學平衡常數,逐步理解K、Kw、Ka、Kb、Ksp的本質特征及內在聯系,從而提升學生的計算思維?

　　信息技術與高中化學教學的深度融合不僅僅是教學工具和方法的升級,更是教育理念?教學模式?評價體系和學校生態的系統性重構?但也須注意技術與學科目標的平衡,避免“為技術而技術”?教師應結合學情靈活選擇工具,最終提升教育質量,培養適應未來社會發展的創新型人才?未來已來,這場融合變革將深刻塑造高中教育的面貌?

　　參考文獻:

　　[1] 朱云敏,羅雪儀.利用數字化實驗技術探究溶液pH變化:以“pH傳感器測試”為例[J].中小學實驗與裝備,2024,34(05):59-63.

　　[2] 田珊珊.PhET虛擬仿真互動平臺資源在中學化學教學中的應用研究[D].西安:陜西師范大學,2020.

　　[3] 尤東琳.信息技術與高中化學實驗教學深度融合的實踐應用:以“氯氣的實驗室制法”教學為例[J].廣西教育,2024,(29):106-109,114.

　　[4] 陳靜.核心素養導向的5E教學模式在高中化學教學中的應用 [D].岳陽:湖南理工學院,2024.

　　[5] 劉治國.信息技術在高中化學教學中的應用[J].中國新通信,2024,26(13):224-226.

　　[6] 黃程.高中化學課程中融入計算思維的編程教學策略[J].安徽教育科研,2025(11):104-106.