錢穎丹

摘要： 為探索信息技術(shù)賦能學(xué)生深度學(xué)習(xí)的有效路徑，教師以化學(xué)實驗“金屬防護和廢金屬回收”為例，設(shè)計了基于數(shù)據(jù)診斷的自主學(xué)習(xí)型實驗教學(xué)流程，利用數(shù)據(jù)診斷技術(shù)精細分析學(xué)生自主學(xué)習(xí)的效果，借助傳感器技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生深入探究鐵生銹的原理和過程，實現(xiàn)學(xué)生從自主學(xué)習(xí)到探究學(xué)習(xí)、從淺層學(xué)習(xí)到深度學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)了學(xué)生獲取信息、整合知識、探索研究的素養(yǎng)和能力。

關(guān)鍵詞：化學(xué);數(shù)據(jù)診斷;數(shù)字化實驗;自主學(xué)習(xí);深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)指學(xué)生在教師引領(lǐng)下，圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程。深度學(xué)習(xí)的主體是學(xué)生。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生根據(jù)當前學(xué)習(xí)活動去聯(lián)想、調(diào)動、激活以往經(jīng)驗，以融會貫通的方式對學(xué)習(xí)內(nèi)容進行組織，從而構(gòu)建自己的知識結(jié)構(gòu)，并能將內(nèi)化的知識外顯^[1]。信息技術(shù)賦能可促進深度學(xué)習(xí)的發(fā)生，教師根據(jù)數(shù)據(jù)反饋，聚焦學(xué)生問題，組織教學(xué)活動，調(diào)整教學(xué)節(jié)奏，能夠有效幫助學(xué)生構(gòu)建新知、化解困難、克服困難、提升能力^[2]?！半p減”背景下，如何利用信息技術(shù)促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)，提高課堂教學(xué)有效性，是一個值得研究的問題。

一、基于數(shù)據(jù)診斷的自主學(xué)習(xí)型實驗教學(xué)流程的設(shè)計

筆者按照以下思路設(shè)計數(shù)字化實驗教學(xué)：教師基于課前、課中、課后的數(shù)據(jù)反饋，聚焦學(xué)生遇到的真實問題，針對重點目標、關(guān)鍵內(nèi)容并結(jié)合學(xué)生實際開展精準教學(xué)活動（如圖1）。筆者在學(xué)生合作探究深化學(xué)習(xí)階段引入傳感技術(shù)，增強學(xué)生的直觀感知，引導(dǎo)學(xué)生多角度深入探究化學(xué)問題，培養(yǎng)學(xué)生實驗探究和實驗分析能力，促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)，優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)和協(xié)作的質(zhì)量、廣度和深度。這是提高學(xué)生思維水平，發(fā)展科學(xué)思維能力，促進學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的有效方法。

筆者以滬教版《化學(xué)》九年級上冊第五章第三節(jié)“金屬防護和廢金屬回收”為例，探索化學(xué)實驗教學(xué)的新路徑、新流程。在生活中，學(xué)生已經(jīng)知道鋼鐵制品在表面不潔、潮濕空氣等條件下容易生銹，也掌握一些簡單的防止鋼鐵生銹的方法，但對于到底是哪些因素導(dǎo)致鋼鐵銹蝕和如何防止鋼鐵銹蝕未能深入探究。為了解決這一問題，筆者引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，對相關(guān)知識進行初步歸類?；诖?，筆者以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為課程教學(xué)起點，設(shè)計了如下教學(xué)流程（如圖2）。

以學(xué)生課前預(yù)習(xí)為起點，筆者根據(jù)數(shù)據(jù)反饋結(jié)果精準鎖定學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，帶領(lǐng)學(xué)生總結(jié)鐵生銹實驗探究的原理和方法、鐵生銹的條件及相關(guān)知識。之后，筆者以鐵生銹過程是否消耗空氣中的氧氣為起點問題，借助傳感器更深入地探究鐵生銹的原理并進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，讓學(xué)生了解信息技術(shù)在化學(xué)實驗中的應(yīng)用。最后，以鐵生銹由“弊”轉(zhuǎn)“利”為拓寬問題，開展數(shù)字化實驗，讓學(xué)生了解鐵生銹反應(yīng)在生活中的應(yīng)用，認識化學(xué)的價值。

二、科學(xué)使用技術(shù)手段全程助力學(xué)生深度學(xué)習(xí)

（一）基于數(shù)據(jù)，解決問題

筆者根據(jù)教學(xué)需要，設(shè)計了課前預(yù)習(xí)知識檢測。學(xué)生解決問題的情況持續(xù)反饋到數(shù)據(jù)端并被統(tǒng)計、分析。筆者查閱診斷報告，精確分析學(xué)生對不同知識點的掌握情況，了解學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的問題。在課堂教學(xué)中，筆者對學(xué)生未掌握的知識進行查漏補缺，為學(xué)生設(shè)計有針對性的個性化學(xué)習(xí)方案。針對學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)遇到的問題，課堂上筆者組織學(xué)生分組交流、研討，讓每位學(xué)生自主思考，公平實踐、探究、表達，完整參與學(xué)習(xí)全部過程，提出自己的疑問和解決問題的方案，并進一步探索、修訂和優(yōu)化，從而學(xué)會高效學(xué)習(xí)。

筆者在查閱學(xué)生課前自測成績和得分率統(tǒng)計圖表（如圖3）后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在第3、4、5、6小題上得分率較低，對應(yīng)的知識點分別是：（1）鐵生銹實驗操作的作用;（2）防銹的原理;（3）鐵銹的結(jié)構(gòu)。

課堂教學(xué)中，筆者向?qū)W生展示其課前預(yù)習(xí)結(jié)果，讓學(xué)生按以下流程分組交流：先組內(nèi)合作解決課前預(yù)習(xí)遺留問題;再交流收集到的與金屬生銹、金屬防護以及廢金屬的有關(guān)信息。

學(xué)生針對教材上的實驗（如圖4），研討如下問題：（1）試管②中水為什么要煮沸？（2）試管④中稀硫酸或者醋酸為什么要倒去？（3）試管①②為何要加橡皮塞？（4）防銹的原理有哪些？（5）鐵銹是怎樣的結(jié)構(gòu)，與氧化鋁結(jié)構(gòu)有何差異？（6）如何利用5支試管做對比實驗得到鐵生銹條件的？

小組展示其歸納知識的結(jié)果，并補充完善（如圖5）。筆者讓學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)，基于精準的數(shù)據(jù)分析結(jié)果在課堂上組織研討活動，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時以討論修正、爭論辨析、結(jié)果分享，取代單純的記憶、模仿和練習(xí)，關(guān)注學(xué)生的體驗、理解和思考。

（二）巧用技術(shù)，深度研討

在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生獲取知識、加深理解和遷移應(yīng)用是交叉進行的——只有在理解中嘗試應(yīng)用，才能在應(yīng)用中加深理解，構(gòu)建新的認識，形成新的思路和方法。教師要促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)，就要為學(xué)生設(shè)計深度互動的學(xué)習(xí)過程。學(xué)生深度學(xué)習(xí)有利于他們利用所學(xué)知識、技能和方法解決問題。學(xué)生只有在學(xué)習(xí)中遇到情境特別是與現(xiàn)有認知沖突的問題，才能真思、真做。教師讓學(xué)生面對真困難，解決真問題，有利于錘煉其意志品質(zhì)，提高能力和素養(yǎng)。

教師利用問題鏈，通過主干問題驅(qū)動學(xué)生深入思考、構(gòu)建知識，讓學(xué)生在解決問題的過程中積累學(xué)科活動經(jīng)驗并體驗學(xué)科問題解決的思路和方法，在冷靜思考后表達交流，是促進學(xué)生深度理解的有效途徑^[3]。應(yīng)用傳感器開展化學(xué)實驗為學(xué)生深度探究提供了技術(shù)條件。基于傳感器的數(shù)字化實驗具有操作方便、測量準確、現(xiàn)象直觀、原理可視等優(yōu)點，結(jié)果表達具有數(shù)據(jù)化、圖像化的特點，可以展現(xiàn)動態(tài)的數(shù)據(jù)鏈，有助于提高學(xué)生解決問題、數(shù)據(jù)分析的能力。教師用傳統(tǒng)方法做化學(xué)實驗往往只能粗略定性探索反應(yīng)原理，運用數(shù)據(jù)傳感器則可實現(xiàn)化學(xué)實驗定量化和精密化，便于學(xué)生分析數(shù)據(jù)，探究規(guī)律。例如，學(xué)生參考教材上介紹的方法，觀察5支試管在實驗中的現(xiàn)象并進行對比，只能得出鐵生銹需要“與空氣接觸”的結(jié)論，而不能得到“與氧氣反應(yīng)”的結(jié)論，實驗結(jié)論較為模糊。教師開展數(shù)字化實驗，則可以將教材內(nèi)容作為研究的起點，引出問題讓學(xué)生延伸探究，形成問題鏈，步步深入。

在課堂教學(xué)中的合作探究環(huán)節(jié)，筆者陳述問題：閱讀教材，思考5支試管提供的條件是空氣，何以確定鐵生銹一定是與空氣中的氧氣作用造成的。學(xué)生立刻陷入深思。在學(xué)生困惑之際，筆者為學(xué)生提供了有效的檢測工具——氧氣數(shù)字傳感器。筆者現(xiàn)場實驗，對于氧氣濃度不斷減小的情況學(xué)生直觀可見，實驗數(shù)據(jù)直接說明問題。

至此，通過研討形成如下問題鏈：

（1）課前教師參考教材選取5支試管利用氧氣傳感器進行了測量，形成相應(yīng)的反應(yīng)時間和氧氣濃度的圖像（如圖6），對比實驗數(shù)據(jù)看看能得到哪些與鐵生銹條件有關(guān)的信息。

（2）進一步利用溫度和壓強傳感器檢測得到與鐵生銹有關(guān)的其他數(shù)據(jù)，分析實驗數(shù)據(jù)，看看對鐵生銹過程有哪些更深的認識（如圖7、圖8）。

（3）根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)結(jié)果，回顧教材第一單元鐵生銹實驗，解釋紅墨水倒吸很慢的原因。

化學(xué)反應(yīng)原理一般都較為抽象。教師演示教材上的鐵生銹探究實驗，現(xiàn)象明顯，用它引導(dǎo)學(xué)生分析鐵生銹的原理，可以增強學(xué)生的感性認識，但是現(xiàn)象尚不能直接揭示反應(yīng)原理，鐵生銹是否真的是與氧氣發(fā)生反應(yīng)，學(xué)生并無直觀感受。傳感器實驗在現(xiàn)象和原理之間筑起橋梁，并且能多角度測量反應(yīng)系統(tǒng)中的多種物理量的變化，將其直觀呈現(xiàn)在學(xué)生面前，揭示反應(yīng)實質(zhì)。此次實驗要求學(xué)生學(xué)會利用控制變量法來進行實驗探究。學(xué)生利用傳感器測量，可以從定量的角度用對比法探究。這不僅是控制變量法的再利用，而且是對知識的深度探究。同時，該數(shù)字化實驗增加了壓強和溫度傳感器的測量，豐富了實驗數(shù)據(jù)，深化了學(xué)生對鐵生銹過程的認識——不僅僅是教材上描述的緩慢放熱，而且是基于真實的數(shù)據(jù)。此外，教師關(guān)聯(lián)已有知識經(jīng)驗（鐵絲生銹實驗），引導(dǎo)學(xué)生再分析、再判斷、再辯證，能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)能力和精神。

（三）拓展思維，學(xué)以致用

實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)最顯著的標志之一，是學(xué)生能夠?qū)W(xué)到的知識、技能、方法運用到真實問題的解決中。學(xué)生解決生活中的實際問題，有利于主動地提出問題，分析問題，解釋現(xiàn)象;或者經(jīng)過分析推理，溝通交流，最終解決問題。教師應(yīng)用數(shù)字傳感器探究實際問題，可以增加情境素材的豐富性，通過數(shù)據(jù)在情境和知識之間建立聯(lián)系，讓學(xué)生去理解、領(lǐng)會、評判、體驗、感受，讓知識“活起來”，將學(xué)習(xí)過程轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生能力發(fā)展的過程。除了利用數(shù)據(jù)傳感器探究教材上的實驗，師生還探究了鐵生銹反應(yīng)的實際應(yīng)用——暖貼是如何發(fā)熱的，將知識應(yīng)用于生活，解決實際問題。筆者使用傳感器對暖貼進行測量，得到溫度和氧氣濃度隨時間的變化圖像（如圖9），與普通的鐵生銹過程進行比較，讓學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)，得到相關(guān)結(jié)論。

同時，學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)分析情況，應(yīng)用所學(xué)知識，進一步討論“利用鐵生銹測定空氣中氧氣含量和利用紅磷測定空氣中氧氣含量兩組實驗各有什么優(yōu)缺點”（如圖10），拓寬思維，交流討論，批評辨析，真正理解知識，而不只是簡單記憶。課堂結(jié)尾，筆者聯(lián)系生活實際講解雙吸劑的應(yīng)用原理，讓學(xué)生認識到數(shù)據(jù)分析具有很大的應(yīng)用價值。

（四）總結(jié)反思，當堂檢測

筆者帶領(lǐng)學(xué)生總結(jié)后，利用當堂檢測、數(shù)據(jù)掃描和分析等手段，及時把控學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，使學(xué)生的學(xué)習(xí)實現(xiàn)閉環(huán)。課堂上，筆者當堂檢測，在技術(shù)支持下掃描、統(tǒng)計，快速找到學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在的問題;課后，通過“學(xué)生自糾”“同伴互助”“教師指導(dǎo)”等形式進行矯正。教師通過數(shù)據(jù)分析，掌握學(xué)生的具體需求，不僅能實時捕捉有效信息，根據(jù)學(xué)生遇到的困難及時干預(yù)，而且能幫助學(xué)生鞏固、深化和運用所學(xué)知識，直至最終達成學(xué)習(xí)目標。

三、信息技術(shù)助力精準教學(xué)實現(xiàn)學(xué)生素養(yǎng)提升

筆者開展實驗教學(xué)，基于數(shù)據(jù)，應(yīng)用技術(shù)，收到實效，促進了學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

（一）智慧教學(xué)，實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)、自主探究

深度學(xué)習(xí)的主要特征就是要讓學(xué)生進行“活動與體驗”，即讓學(xué)生主動研究而不是被動接受知識，用身心去體驗知識的發(fā)生、發(fā)展和形成。學(xué)生主動學(xué)習(xí)活動的發(fā)生離不開教師的引導(dǎo)，也離不開教師對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的精心設(shè)計。筆者在課前安排學(xué)生自主學(xué)習(xí)，利用數(shù)據(jù)掃描技術(shù)找到學(xué)生學(xué)習(xí)的薄弱點;用數(shù)據(jù)掃描技術(shù)當堂檢測，評估學(xué)生學(xué)習(xí)的效果，分析個體差異;讓學(xué)生分組合作，自主學(xué)習(xí)，溝通交流;利用信息技術(shù)啟發(fā)學(xué)生對鐵生銹知識進一步探究，引導(dǎo)學(xué)生自主探索、思考、合作釋疑，都是為了實現(xiàn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中質(zhì)疑、探究、歸納、演繹，在知識和內(nèi)容之間建立了緊密聯(lián)系。

（二）善用技術(shù)，實現(xiàn)探究體驗、深度思考

筆者帶領(lǐng)學(xué)生使用傳感器對鐵生銹過程中的數(shù)據(jù)變化進行分析，實現(xiàn)了從定性到定量、從粗略到精準、從淺表到深層的科學(xué)探究。如此，教學(xué)不再是簡單講授、反復(fù)記憶和重復(fù)訓(xùn)練，而是利用精準實驗，讓學(xué)生體驗到數(shù)據(jù)也可以“說話”。教學(xué)中，改進實驗用以驗證化學(xué)原理，啟發(fā)誘導(dǎo)學(xué)生探究，從認知、意志、情感、行為多角度促進學(xué)生發(fā)展，幫助學(xué)生把握知識的內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)，同時在實驗過程中通過傳感器的數(shù)據(jù)分析技術(shù)的應(yīng)用，增大了學(xué)生的思維容量，促進了學(xué)生思維進階發(fā)展，幫助他們理清思路、提煉方法，提高了批判性思維和創(chuàng)新能力。

（三）聯(lián)系生活，實現(xiàn)遷移應(yīng)用、素養(yǎng)提升

學(xué)生面對陌生的、較復(fù)雜的真實問題，能夠較快地形成整合資源、分析問題、解決問題的能力（特別是深度學(xué)習(xí)能力），是教師教書育人的追求。培養(yǎng)這種素養(yǎng)最重要的載體就是情境素材。學(xué)生在解決真實問題的過程中能將知識進行有效轉(zhuǎn)化、應(yīng)用。在學(xué)生掌握知識、技能、方法后，筆者還為學(xué)生提供了真實的生活素材暖貼，將數(shù)據(jù)傳感器的測量結(jié)果作為解決問題的支架，讓學(xué)生探索、發(fā)現(xiàn)新知，并進一步聯(lián)系原有知識（鐵生銹實驗），深度解決問題。筆者設(shè)置的問題具有開放性并且留給學(xué)生足夠的時間進行研討。學(xué)生在探討過程中，獨立思考，互相評判，提出疑問，持續(xù)反思，最終得到結(jié)果。

注：本文系江蘇省基于測試分析的跟進式改革項目重點課題“基于數(shù)據(jù)診斷深化自主學(xué)習(xí)型課堂建設(shè)的研究”（課題編號：2019jyktzd-03）、江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究第十二期重點課題“初中化學(xué)促進深度學(xué)習(xí)的課例研究”（課題編號：2017JK12-ZB11）的階段性研究成果。

參考文獻

[1] 劉月霞，郭華.深度學(xué)習(xí)：走向核心素養(yǎng)[M].北京：教育科學(xué)出版社，2018.

[2] 梅建芬.重構(gòu)·迭代·創(chuàng)生：自主學(xué)習(xí)型課改實踐優(yōu)化路徑[J]. 中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2021（12）：69-73.

[3] 唐恒鈞，張維忠，陳碧芬.基于深度理解的問題鏈教學(xué)[J].教育發(fā)展研究，2020（4）：53-57.

（作者系江蘇省常州市武進區(qū)湖塘實驗中學(xué)教師）

責(zé)任編輯：祝元志