基于“证据推理”的高中化学数字化实验案例和实践研究

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化学学科核心素养的培育是目前中学化学教育的研究热点之一。由《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》可知,“证据推理与模型认知”是化学学科核心素养的五个维度之一,是核心素养部分的思维核心。其中“证据推理”是开展实验探究和解决实际问题过程中必备的高阶思维能力。学生往往缺乏证据意识和推理能力低下,难以综合已有知识和信息去分析和解决问题。如何帮助学生提取有效证据,尤其是定量证据,培养学生基于证据意识进行逻辑推理的能力,在实际教学中显得尤为重要。化学的理论体系是建立在大量的事实证据上,经过缜密的逻辑推理而形成的,证据主要来自于实验。近年来,数字化实验与中学化学课堂的融合是教育的新趋势。数字化实验以微窥宏,从宏观、微观、符号和曲线四重表征来深刻认识和理解化学反应。它在培养“证据推理”素养方面,能弥补传统实验的局限性,实现定性又定量,定量又体现过程。基于“证据推理”素养的教学,借助数字化实验,它作为培养学生证据意识的一种工具,能够提供除实验现象外另一种更具说服力的“证据”进行证实或证伪。本研究通过借助数字化实验培养“证据推理”素养为出发点,采用文献研究法,测试法和教学实践法等多种方法相结合,进行高中化学数字化实验案例的开发,并开展了以素养为本的数字化实验教学实践,为促进学生的“证据推理”素养落地课堂提供新思路。研究内容主要分为以下三个部分:首先是理论研究,运用文献研究法,对“证据推理”素养和“数字化实验”在国内外的研究现状进行分析,明确了“证据推理”素养和“数字化实验”的概念内涵以及本研究需用到的基本理论和方法,确定研究的方向。结合课标和前人文献研究成果,将“证据推理”素养水平划分为4个水平,制定了素养水平评价量表,并以此量表为标准编制了“证据推理”素养水平现状的前测和后测试题,检测学生在教学实施前后其“证据推理”素养水平的变化。其次是实验开发,本研究共开发了8个数字化实验案例,例如《探究浓硫酸的吸水性》、《探究原电池的工作效率》和《自制气压快速变换器探究压强对化学平衡的影响》等,涵盖必修和选修内容,涉及实验内容有化学基础理论、元素化合物性质以及生产生活实际,实验装置简单,重现性高,可用于推广。最后是教学实践,选取人教版新教材选择性必修1《化学反应原理》中“中和反应反应热的测定”、“化学平衡移动”、“原电池”以及“金属的电化学腐蚀与防护”4个教学内容,设计成基于“证据推理”素养导向的数字化实验教学案例,同时选取成绩水平相当的高二(3)、(4)班学生作为实验班和对比班的研究对象,进行教学实践。通过对学生前后测试成绩和师生访谈结果进行统计和分析,得出以下结论:数字化实验通过数字化曲线认识原理性知识,有效帮助学生突破学习化学原理性内容和概念的思维难点,落实“证据推理”素养的发展,效果明显。学生原有的证据推理水平主要处于水平1和水平2,停留在宏观和定性认识层面,经过教学实践后,数字化实验中提供的数据和图像给学生带来量的观念,定性和定量结合,帮助学生进阶到水平3定量层面,提高运用定量证据分析推理的能力。
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