信息技术支持下的高中化学建模教学研究

信息技术支持下的高中化学建模教学研究建模是模型发展的历程。模型被普遍定义为根据关键特征抽象并简化系统，用以解释和预测科学现象的一种表征形式。以下是小编分享的内容，欢迎参考借鉴与借鉴。建模作为一种教学手段和科学实践能力，受到越来越多的关注。学生可以通过构建、描述、评价、修改模型的建模历程来学习科学知识。实证研究发现，在教学中融入建模历程，利用模型对现象表征、解释或预测的功能，能够帮助学生理解学科核心概念，提升学生对模型本质的认识，培养学生的科学探究和实践能力。然而，在讲授一些微观概念时，传统的建模教学却无法很好展现微观粒子的内部结构及运动轨迹。随着信息技术的发展，计算机工具被开发用来表征难以观察的现象或者模拟复杂的实验，逐渐应用于建模教学中。有关研究表明，相比较于传统建模教学，计算机辅助建模能够更有效地促进学生学习抽象的化学知识，提高推理能力。教师在开展建模教学活动时，会依据活动中所强调模型功能的不同，采用不同的建模活动策略，但较少研究探讨计算机辅助建模活动策略的具体实施，缺少以其为主题的教学研究。因此本研究尝试从两种不同的建模活动策略——表达性建模与探索性建模入手，以2019新人教版《普通高中教科书·化学必修第一册》“原子结构”一节为例，使用PhET与Scratch两种计算机工具进行化学建模教学策略的研究，对比二者在化学教学中的优势及适用性，为计算机建模工具融入化学课堂提供参考。一、计算机辅助建模教学建模是模型发展的历程。模型被普遍定义为根据关键特征抽象并简化系统，用以解释和预测科学现象的一种表征形式。模型的表征方式包括：具体模型（球棍模型）和抽象模型（心智模型）。随着教育技术的发展，电脑模拟、动画等视觉模型也广泛运用于教学中，视觉模型的建构通常需要计算机的辅助。计算机辅助建模即在建模历程中，以计算机建模工具为媒介，利用计算机建模的诸多优点，如操作灵活、节约时间、可视化、实时反馈、人机互动及可进行重复测试等，帮助学生构建或表达心智模型。表达性建模与探索性建模是以构建心智模型为目的的建模活动策略，目前广泛运用于中学建模教学实践。本研究基于Buckley的建模学习框架，构建计算机辅助建模教学的理论框架，对两种建模策略进行分析。教师通过先验知识和新设情境的结合，帮助学生建立心智模型。接着学生通过绘图、讨论等形式表达心智模型。通常学生的心智模型与科学概念不一致，因此教师需要提供新的教学情景或者引入新的概念，引导学生对表达的模型进行评价或解释，发现其存在的不足，并进入修正模型的环节。解释或评价之后，如果学生表达的模型与评价的结果出入较大，则重新建模。反之，对表达的模型进行较小改动就可以得到目标模型，即完成建模历程。计算机工具的辅助功能主要是为学生提供构建模型的环境以及使学生能与模型进行交互。在不同阶段使用计算机工具能够体现不同的建模策略：在探索性建模中，学生在已有模型的基础上，通过与计算机程序中的模拟实验互动获得对科学概念的认识，以此来评价模型；在表达性建模中，学生使用计算机软件制作模型来表达他们对科学概念的认识，并在后续建模历程中利用计算机工具完成从心智模型到目标模型的历程。二、计算机建模工具目前已开发的计算机建模工具数量较多，主要有两种类型：一类是模拟类软件，由计算机生成反映真实事物的动态模型；另一类是通过图像、动画、思维导图等形式让学生描述概念及其复杂关系的建模软件。本研究选取了两类工具中具有代表性的计算机工具——PhET和Scratch。PhET具有模拟类软件的主要特点，例如模拟真实现象、可调节变量等，在教学中的适用性非常强；Scratch是一款编程软件，通过积木指令编程制作动画让学生描述想法。1.虚拟仿真程序PhETPhET（ThePhysicsEducationTechnologyProject）是由科罗拉多大学博尔德分校开发的教育技术项目，该项目提供了数款基于探究的数理化互动式仿真程序，可供在线和离线使用。本研究选择“卢瑟福散射”和“原子模型”两个程序进行原子结构的建模教学，帮助学生从微观层面理解化学基本原理。“卢瑟福散射”程序模拟了α粒子穿过原子结构“行星模型”与“枣糕模型”的运动状态，通过两种运动状态的对比，有利于学生建立正确的原子结构模型。在“枣糕模型”的交互界面中，给出了粒子图示及能够调整α粒子能量大小和显示轨迹的按钮。在“行星模型”的交互界面中包含了“原子标度”与“核标度”两个模型。“原子模型”程序交互界面中，通过添加质子、中子和电子，可获得不同的原子模型，包括原子轨道模型和电子云模型。交互界面中包含了元素符号、电荷数、质量数等信息，现象会随着交互的进行发生变化。2.动画编程软件ScratchScratch是2007年由麻省理工学院媒体实验室开发的一款积木式图形编程软件。与常见的文本编程软件不同，Scratch将程序语言集合在积木中，通过拖拽积木式指令可以帮助学生表达想法。学生没有经过专门的编程学习也可以通过Scratch自由创作，这一特点提高了运用Scratch进行建模教学的可行性，同时Scratch的可视化功能能够帮助学生表征心智模型，以上特点与表达性建模相吻合。基于此，Scratch可以作为建模教学的有力工具。Scratch的操作界面可分为代码区、操作区、演示区、素材库及菜单栏。操作者可在代码区获得各种逻辑代码，并将其拖拽入操作区，当代码执行时，将在演示区展示运算结果。考虑到部分学生不熟悉编程的逻辑，在用代码构建原子模型时会存在困难，因此本研究采取支架式方法，设计了相关的支架代码，如画笔支架、速度支架、轨迹支架等，降低技术层面的难度。三、原子结构教学分析原子结构是科学知识体系中的重要知识点，是学生从微观视角认识科学，形成宏观辨识与微观探析核心素养的基础。研究表明，由于化学微观世界存在抽象、难以观测的特点，学生建构原子结构的心智模型时常存在困难，例如对原子的结构、形状、大小、重量存在错误理解。学生即使在学习了现代原子理论后，有关原子结构的心智模型仍旧各不相同，学生虽然已经了解目前最新的原子结构模型是电子云模型，但只有较少学生能构建电子云的心智模型。学生建构原子结构心智模型的困难成因有多方面：首先，原子结构本身是一个抽象的科学概念，学生的认知发展水平影响了其自身对抽象概念的建构。其次，原子结构作为科学的客观真理，与学生的生活经验联系较少，加大了学习的难度。最后，错误的教学策略，例如宏观物质与微观结构的不恰当类比以及规律的过度概括也影响了学生对抽象概念的正确理解，不利于学生建构正确的原子结构心智模型。在原子结构教学中运用模型能够使抽象的知识变生动，易于突破教学重难点，提高教学效果。计算机建模工具有利于将抽象的概念转化成具象的模型，弥补学生认知水平的局限，并且能够提供开放的探索环境，学生在计算机提供的环境中调节模型中的变量，自由探索组件之间的动态关系，有利于建模活动策略的实施。四、原子结构建模教学历程分析在工具性质方面，PhET是搭载在网页上的程序，而Scratch是独立运行的软件。在建模历程方面，PhET提供了计算机制作的现象模型，即符合科学现象的正确模型，而在Scratch中需要学生自己建构动态的模型，二者的模型都是定性的描述。两种工具要求的操作基础不同，使用PhET只需要掌握计算机的基本操作，但使用Scratch需要具备一定的编程思维。两种工具的差异导致教学目标和教学流程的侧重点不同。以“PhET”为工具的探索性建模教学重在探索的过程，通过探索程序对绘制的模型进行评价以发展心智模型，在教学过程中获得更多的是知识性内容，教学目标侧重于掌握科学知识；以“Scratch”为工具的表达性建模教学重在构建模型的过程，利用软件制作模型动画，并在对化学现象解释的过程中发展模型，最后回归软件进行修正，使学生在脑海中形成一个科学、动态的原子结构模型，教学目标侧重于培养学生的建模思维。研究以原子结构内容为例，分别对两种建模历程进行分析。1.探索性建模历程分析（1）形成、表达心智模型在探索性建模中，通过提问、回忆旧知使学生在脑海中组织有关原子结构的知识架构，形成初始心智模型，再通过书写、绘画等方式将心智模型表达出来，使教师能够清楚地把握学生对原子结构的认知情况，也利于学生对模型进行探索、修正。例如教师可以让学生回忆初中已学过的微观粒子知识，并结合当前的认知基础表达现有的心智模型。（2）评价模型学生表达的心智模型可能存在问题，教师介绍虚拟仿真程序帮助学生评价所表达的心智模型在内部构成和运动状态等方面是否正确。学生通过操作“卢瑟福散射”和“原子结构”程序，观察模拟实验现象，认识到原子核的存在，并对原子核周围电子的排布形成两种认识，一种在固定的轨道内运行，一种在原子核外一定空间内运动。在操作卢瑟福散射程序时，学生点击程序中α粒子束的开关，观察模拟的实验现象，发现卢瑟福模型中α粒子发生了偏转，而枣糕模型中α粒子没有改变运动路径。此时学生建立了有关原子核的认识，但可能还未建立起对质子、中子、电子的正确认识。在原子结构程序中，学生将中子、质子、电子拖入到模型中，得到不同原子的原子轨道模型和电子云模型，并呈现对应的元素种类、电荷数、质量数。在学生操作程序的过程中，教师讲解化学史和现代原子理论，帮助学生认识到电子的运动没有固定轨迹，只在原子核外一定空间内无规则运动。根据模拟实验和现代原子理论的学习，学生认识到实心球模型、枣糕模型用来描述原子结构是不准确的，并能够找出自己所画的模型与科学模型不一致的地方。（3）修正模型在评价模型阶段，学生发现初始模型在原子核的构成、电子的排布等方面与PhET中的现象不相符，心智模型随之发生变化，从实心球模型、枣糕模型发展到原子轨道，再到电子云，对比模拟实验现象对模型相关方面进行修正改善。修正模型是对变化后的心智模型进行再次表达，使模型各方面的特征与现象相一致，并再次展示修正后的模型，与老师、同学交流修正后模型的科学性，完成建模过程。2.表达性建模历程分析（1）形成、表达心智模型在表达性建模中，教师通过一系列的提问，引导学生组织脑海中的知识结构，逐步形成初始心智模型。学生借助Scratch计算机编程软件，自主选择图片素材并输入代码、创建模型，充分发挥学生的主体地位。通过软件制作的动态模型能够完整地展现心智模型的所有特征，学生的想法得到充分地表达。在建模过程中，学生首先确定原子的构成成分，然后在Scratch的操作界面中插入原子核、电子等图片素材，调整大小、位置即可得到初始的静态模型。接着确定原子内部各组分运动状态，在图片上插入代码，制作原子结构模型动画。学生可以使用教师已组合好的支架代码，更快地建立模型。最后点击运行指令，运行原子结构模型动画。（2）解释模型学生的初始模型可能并不是科学的，他们的原子结构模型发展需要一个过程，从初始模型过渡到原子轨道模型再到电子云模型。通过解释科学现象可以帮助学生完成对模型认识的转变。例如通过解释金属钠与氯气反应的得失电子情况，帮助学生建构原子轨道模型，学生会发现具有原子轨道的模型能够解释为何钠元素和氯元素分别只得失一个电子，从而形成电子围绕着原子核在一定轨道内运动的认识。随即教师可展示电子衍射图，通过科学现象对电子的真实运动情况做出解释，使学生明白电子没有确定的运行轨迹，并理解电子云的概念。原子轨道、电子云与学生的初始心智产生认知冲突，从而需要修正模型。（3）修正模型学生通过对科学现象的解释促使心智模型得到发展，随即在Scratch中对初始的模型进行修正，重新选择代码、修改参数，完成最终的模型。将修正后的模型与同学交流、比较，体现不同学生之间目标模型的差异，以便自己对模型再修正，最终完成建模。结合具体的教学流程，对形成模型、表达模型、评价或解释模型及修正模型四个步骤中阶段、核心内容和特色进行比较，可以发现探索性建模与表达性建模共同点在形成初始心智模型阶段，两种教学都是通过回忆旧知促使学生形成初始心智模型。二者区别主要体现在表达、评价或解释及修正模型阶段：探索性建模采用传统方式绘制模型，通过教师引导学生探索PhET程序对模型进行评价，对比PhET模拟程序中的结果修正或