UbD理念指导下虚拟仿真实验赋能化学教学的课例研究——以“化学反应速率”为例.pdf

352023年第6 期UbD理念指导下虚拟仿真实验赋能化学教学的课例研究以“化学反应速率”为例宋小宏（上海市嘉定区第一中学，上海201808)摘要：以UbD理论为支撑，对“化学反应速率”一课进行教学设计。研究表明：基于UbD理论的教学设计有助于达成“教、学、评”一致性，融合PhET虚拟仿真实验平台模拟的化学反应，能让学生更主动地融入学习，提高学生联系和分析宏观现象与微观可视化的能力，促进学科核心素养的落地，关键词：虚拟仿真实验；PhET；逆向设计；高中化学文章编号：10 0 5-6 6 2 9(2 0 2 3)0 6-0 0 35-0 6中图分类号：G633.8文献标识码：B1引言化学反应的快慢和进行的程度是研究化学反应的两个重要方面，化学反应速率对深人认识化学反应、指导化工生产实践有着重要的价值。从微观层面理解化学反应速率一直是教学难点,为了解决这一难题,需要教师在教学过程中运用适当的教学方法、教学手段促进学生理解，实现信息技术与实验教学的深度融合。为此，作者基于PhET虚拟仿真实验平台，直观、形象地展示化学变化的特点。对信息技术支持下的教学过程，学生往往会表现出较高的学习兴趣，但若单纯为展示技术而采用仿真实验并不能促进学生对问题的理解以及核心素养的发展。为使仿真实验在化学教学中获得较好的学习效果，本研究结合UbD理论进行教学设计与探索实践，重视“理解为先”，通过重构教学流程，促进“教学评一体化”；增强操作性，促进学科素养落地；加强连续性和整体性，利于学生学习理解。2理论概述2.1UbD理论概述UbD全称为Understanding by Design，即追求理解的教学设计，也叫逆向设计法，由教育专家格兰特威金斯（GrantWiggins）和杰伊麦克泰（JayMcTighe）提出。UbD逆向设计法分为三个阶段：确定预期结果、确定合适的评估证据、设计学习体验和教学。该教学研究从经验型转向实证型，从知识为本转向核心素养为本，旨在促使学生参与探究活动，提升学习迁移能力。UbD理论目前在我国化学教学中已经有了一定的研究应用。例如以九年级“化学方程式”为例进行逆向、整体、可操作的单元教学设计2 ,以及基于UbD理论的评价工具研制和学习任务单的设计研究3.4。有关研究发现，基于UbD理论设计教学、研制评价量表能形成良好学习氛围，拓宽内容深广度，促成学生高效自主学习。2.2基于虚拟平台的化学教学相关研究虚拟平台能够将化学抽象知识可视化、情境化的工具，帮助学生从宏观、微观等多层面认识化学5 。目前国内常将NOBOOK虚拟仿真实验结合试误教学法融人中学化学教学中，以提高化学实验教学质量6 ；有些教育研究者以POE教学策略为支撑，融合PhET虚拟仿真实验帮助学生从定性和定量相结合的视角认知饱和溶液的概念7 ；还有一些高等化学教育研究工作者通过把虚拟现实（VR）技术和分子动力学方法结合到一起，开发了交互式分子结构可视化工具Manta，生动形象地展示微观纳米结构，让学生直接与分子结构交互作用，带领学生走进真正的分子世界8 。总之，虚拟*上海市提升中小学（幼儿园）课程领导力行动研究（第三轮）项目研究成果。36案例研究聚焦课堂平台在化学实验教学、远程教学、技术或系统的开发及设计等方面均有一定的应用（见表1）。表1常见虚拟平台及其研究领域虚拟平台类型涉及学科研究领域化学、物理、生结合试误教学法常用于实验NOBOOK物、小学科学教学化学、物理、生PhET结合模型建构进行教学设计物、地理、数学Manta分子动力学虚拟现实技术将分子可视化PhET(Physics Education Technology）是诺贝尔奖获得者卡尔威曼创立、由科罗拉多大学团队运营的互动仿真平台，它能提供一个开放的探究环境，拥有丰富的课程资源（包括主题模拟实验、教学案例、使用说明），与化学学科有较高的契合度，目前已经被广泛应用于不同化学主题的教学。PhET提供的主题模拟实验均经过专家的测试与评估，可通过html在线使用或下载java程序包至电脑，确保教学的有效性及实用性，现正逐步融人到学校的教学实践中。目前，PhET上的化学资源适用于高中生及其以上层次的学生和化学教育研究工作者，其中教学资源分为普通化学和量子化学两个领域，能够实现化学基本原理、化学抽象概念等模块知识的可视化10 3教学活动设计基于图1所示的UbD逆向设计三个阶段，我们的研究结合PhET虚拟仿真实验平台，对上科版高中化学教材中“化学反应速率”这一课时进行了设计探索与实践。确定预期结果：结合高中化学课程标准思考“化学反应速率”学习目标，明确学习内容的优先次序，构建理解框架确定合适的证据：为预期结果开展各种正式和非正式的评估而收集起来的证据，如化学实验报告、小测试等设计学习体验和教学：做好教学计划，包括教学方法、教学顺序以及资料材料的选择图1UbD逆向设计的三个阶段化学教学3.1梳理课标要求，确定预期结果普通高中化学课程标准（2 0 17 年版2 0 2 0 年修订）中关于“化学反应速率”的内容要求为：知道化学反应速率的表示方法，了解测定化学反应速率的简单方法。通过实验探究，了解温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响。知道化学反应是有历程的，认识基元反应活化能对化学反应速率的影响。化学反应的快慢和进行的程度是研究化学反应的两个重要方面，化学反应速率与化学平衡理论对深人认识化学反应、指导化工生产实践有着重要的价值。表2 所示即为“化学反应速率”一课的逆向设计阶段1。表2“化学反应速率”逆向设计阶段1阶段1一确定预期结果一所确定的目标：G。知道化学反应速率的表示方法，了解测定化学反应速率的简单方法。通过实验探究，了解温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响。知道化学反应是有历程的，认识基元反应活化能对化学反应速率的影响。基本问题：Q学生将会理解U什么是化学反应速率？理解测定化学反应速率的简单影响化学反应快慢的因素方法。有哪些？理解反应物的性质是决定化学如何从微观层面解释影响反应速率大小的因素。化学反应的发生，理解活化体会微观（碰撞）理论模型的能对化学反应速率的因素？建构过程，理解学科素养中的宏观辨识与微观探析。学生将会知道K学生将能够S知道化学反应速率的定量利用控制变量法，以不同反应表示方法。为实验载体，探究浓度、温度、知道活化能的涵义及其对压强和催化剂等外在因素对化化学反应速率的影响。学反应速率的影响，培养科学知道影响化学反应速率的探究与创新能力。外在因素和自身条件。能够运用碰撞理论来解释宏观研究外界因素对化学反应条件对化学反应速率影响的原速率的影响时需要运用控因，提高从宏观角度与微观视制变量法。角对化学反应本质的认识。能够解释生产生活中有关化学反应速率的问题，发展解决生产生活中实际问题的能力。3.2确定评估证据，检测学习效果有效的评估不应仅在教学结束时一考了之，而是在教学过程中使用各种方法和形式收集大量的证据，不同评估类型为不同的课程目标提供证据，如图2 所示。收集的证据既包含传统的测验和考试、表现性任372023年第6 期案例研究聚焦课堂务和项目、观察和对话，也包括不同时间内的学生自我评估。评估方法需要熟悉的知识传统的测验和测试OE.需要纸和笔的选择式的需要掌握和完构答式的成的重要内容表现性任务和项目T大概念和复杂的核心任务开放式的真实的图2评估方法本研究使用表现性任务和小测试作为主要评估证据。其中表现性任务以化学实验报告和基于虚拟仿真平台为教学载体，设计表现性任务；另外又设计课堂问答和随堂测验，收集学生自我评价和反馈，如主要学到了什么知识、还有什么疑惑或者不能解决的问题等，此谓逆向设计阶段2，如表3所示。表3“化学反应速率“逆向设计阶段2阶段2 一一确定合适的评估证据表现性任务：T其他证据：OE化学实验报告一一探究浓查阅资料一一了解合成氨工度、温度、压强和催化剂等艺的产生与发展。外在因素对化学反应速率小测试一一选择题、填空题。的影响。课后练习一一化学反应速率碰撞仿真实验一一不同碰概念及影响因素相关的简撞速度（能量）和角度时的答题。微观化学反应、不同外在因素下的碰撞情况和微观反应。学生的自我评价和反馈：SA自评课堂学习过程中的表现，如回答问题、小组讨论、展示交流。自评化学实验探究时的表现，从对象选择、方法确定、实验设计、变量控制、观察内容、现象记录、实验操作、实验结论等角度进行评价。自评碰撞仿真实验活动的表现。3.3预期学习体验，确定学习环节只有我们明确了预期结果和评估证据，才能真正做好教学计划的细节一一包括教学方法、教学顺序，以及资源材料的选择。教学是达到目标的一种手段，一个清晰的目标能够帮助我们在设计时有所聚焦，并能指导我们有目的地朝预期结果发展。学习环节的设计应该基于预期结果和评估证据这两个阶段来进行。新课改背景下，教师应转变传统的教学思路，以学生为中心，从学生角度出发，思考以什么方式更能促进学生对知识的理解，达到预期的结果目标。表4为逆向设计阶段3。表4“化学反应速率”逆向设计阶段3阶段3一一设计学习计划WHERETO1.介绍在研究化学动力学（化学反应速率）领域获得诺贝尔奖的部分科学家，引入新课。H2介绍基本问题，讨论单元的最终表现性任务（化学实验报告和碰撞仿真实验）。W3.注意：通过各种学习活动和表现性任务，根据需要介绍主要的术语。学生阅读和讨论化学反应速率章节中的相关内容，以支持学习活动和任务。E4.建构化学反应速率的概念和表示方法。E5学生以书面形式回答问题，解决有关化学反应速率的计算。E6.学生使用色度传感器测NO2和N,04混合气体的吸光度，通过改变压强，了解压强对反应的变化。07.利用控制变量法设计实验研究“影响化学反应速率的因素”，并汇报实验设计思路。E-28.评估实验方案的科学性和可行性，学生以小组为单位，动手实验，数据处理，得出结论。R9.每个学生将实验过程、数据记录与分析、实验结论等记录至化学实验报告中。E10.查阅资料，了解弗立茨哈伯的生平以及合成氨工艺的产生和发展，并在班级内展开讨论与交流。ET11.基于PhET进行单一碰撞、很多碰撞的微观动态演示，构建有效碰撞理论的基本模型。HT12.学生能够基于有效碰撞理论解释各个因素影响化学反应速率的原理。E13.根据影响化学反应速率因素的原理，能够列举外界条件影响工业生产中化学反应的运用。R14.在单元总结时，学生回顾完成的化学实验报告，并自评实验参与度和解决问题的程度。E15.在单元结束时，每个学生对碰撞理论影响化学反应速率的理解进行自我评估，并发布课后小练习，利用Fe粉和KNO3溶液反应可模拟地下水脱氮过程，以解决饮用水中硝酸盐浓度的提高对人体健康造成的危害。ET4教学活动实施在我们的研究中，教学活动实施对象为高中二年级学生，建议3课时。教学实施选取“基于PhET虚拟仿真平台构建的碰撞理论”片段教学为例，活动目标旨在：能够有效建构碰撞理论模型,理解活化能与碰撞角度对化学反应的影响；能够运用碰撞理论从微观角度来解释宏观条件对化学反应速率影响的原理，提高从宏观与微观的角度对化学反应本质的认识。4.1“化学反应的速率”学习路线图学习路线图如图3所示。38化学教学出例选叔不同做代时冬件教师：以第一组化学反应+BC文版“化反应速率”虚拟仿真实验模型实验模型，或使lavai升rates-and-rates-zh-CN即中学生：在虚拟仿真实验中选择“Reactions&Rates教师：在微观层成功的反应？案例研究聚焦课堂科学态度科学探究与创新意识、证据推理与证据推理与模型认知科学态度与社会责任素养培育与社会责任模型认知、宏观辨辩识与微观探析宏观辨识与微观探析变化观念与平衡思想教学环节引人新课概念建构探索发现追根溯源举一反三总结评价建构化学反应速率的概念设计实验方案虚拟仿真实验分析外界条件学生活动问题分析理解碰撞理论在工业生产中复盘与总结根据化学反应速率的表示汇报实验方案的运用方法解决有关的计算实验操作数据处理运用有效碰撞反思与自评分析结果理论解释结论得出结论分析外界条件教师活动介绍研究的问知识框架搭建设计实验方案虚拟仿真实验在工业生