信息化工具支持下的四线式教学模式设计与应用
兰晓琴 吴荣华
摘 ?要 基于文献的阅读和梳理，在优化现有的四线式教学模式基础上，构建基于虚拟实验、史实视频和真实实验的四线式教学模式。同时，以F中学的“溶液的酸碱性”教学作为实践主题，进行相应的教学设计与实践。结果表明，该教学模式具有良好的教学可行性和有效性，对提升学生的学习质量具有明显的促进作用。
关键词 虚拟实验室;高中化学;溶液的酸碱性;四线式教学模式;史实视频;核心素养;化学史;实验;教育PPT
中图分类号：G633.8 ? ?文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2020）11-0023-05
1 引言
1851年，英国科学促进协会主席惠威尔提出：“我们要教给年轻人的，与其说是科学结论，不如说是科学方法，更不如说是科学史。”[1]此后，教育界掀起关于科学史在科学教育中的价值和教学应用的研究与探索。化学是一门具有科学教育性质的基础学科，如何将化学史融入化学教学，促进学生学科核心素养的培养和发展，是教育研究者密切关注的主题之一。
我国教育部新修订的《普通高中化学课程标准（2017年版）》中强调了化学史对于化学教学的重要意义：“结合人类探索物质及其变化的历史与化学学科发展的趋势”[2]，倡导以史为镜，取其精华融入教学，促进学生科学探究素养的形成和发展。而教育信息化2.0的到来，信息技术高速公路的发展，为推动化学史在课堂教学中的运用，深化史实学习，促进学科核心素养的培养和发展，起到重要的支撑作用。已有研究表明，新兴技术/工具有效融合课程教学，并与有关学习的知识配合使用时，不是将其引入或是放置于教室即可，而是要将其视为教学方法和教学模式的有机组成部分[3]。本研究在深入学习相关研究和实践成果的基礎上，聚焦于“如何更好地利用新兴信息技术服务于化学史融入中学化学教学”，设计融合信息化工具的四线式教学模式，并以F中学“溶液的酸碱性”化学选修课为例，进行具体的教学案例设计和实践。
2 理论基础
四线式教学模式 ?主要从四线式教学模式的内涵和已有相关研究进行阐析。
1）定义阐释。所谓四线式教学模式，是基于建构主义、情境学习理论，将化学史有机融合于化学课堂教学中，构建历史线、探究线、知识线和应用线四线合一的教学模式。
其中，历史线作为引子，营造课堂探究氛围，让学生通过教师讲解或者视频的学习，追溯化学实验知识的历程，了解知识形成的脉络，学习科学家勇于质疑、敢于批判、力求创新、追求真理的科学素养。
探究线主要分为两个阶段：第一个阶段是模拟历史实验，重走化学家科学发现与探究过程，让学生通过角色转换（科学家）的方式历经知识迭代发展的过程;第二个阶段是拓展问题进行实物实验探究，引发学生思考，引导学生设计实验探究方案，通过让学生经历实验探究设计和操作过程，进而提升学生的实验设计能力和实验操作能力，培养学生问题解决的思维意识。
知识线运用理论知识剖析实验现象，解读实验现象背后蕴含的实验原理，通过提炼并总结知识要点，同化和顺应学生已有的实验知识体系，进而升华探究活动，直击实验本质的内容。
应用线是能够从特殊中抽象出一般规律，根据已有经验对知识内容进行个性化图式的构建，迁移和应用于解决现实生活中相似情境的问题。即应用线是对历史线、探究线和知识线所学内容进行迁移和拓展应用，最能考查学生对实验知识的掌握情况。当学生能够将知识迁移运用来解决现实生活问题时，才算是吃透了相应的知识要点。
2）已有相关研究。目前，关于四线式教学模式的研究以刘子忠研究团队为主，该团队致力于将化学史实渗透于教学流程中，在借鉴HIV模式、HSP模式等多种创新型教学模式后，先后提出三线式教学模式[4-5]和四线式教学模式。
同时，该团队致力于一线化学教学实践，以迭代循环的教学方式不断优化教学模式，并对教学模式的可行性进行了重复验证。其中，李红月在其硕士论文中首次提出四线式教学模式流程图。她在宝秋兰构建的三线式教学模式的基础上新增了应用线，并选取“金属钠”“富集在海水中的元素——氯”和“氨”三部分内容进行具体的教学设计和实践，验证该模式能够促进学生创新思维的培养、实验技能的提升和实验知识的迁移[6]。刘源选取“元素周期表”的教学内容，遵循四线式教学模式，进行具体的教学设计，并在内蒙古巴彦淖尔市第一中学选取两个班级进行了准实验研究，进一步验证该模式在中学化学教学实践中的适切性和可行性[7]。马丽雪在总结研究团队已有经验和不足的基础上，为解决四线式教学模式所需课时较多的问题，建构了翻转课堂融合四线式教学模式的教学模型，将历史线和探究线的第一阶段安排学生在课前进行自主学习，并通过准实验的研究方法来验证翻转课堂融合四线式教学模式的有效性[8]。
综合来看，目前关于四线式教学模式的研究仍处于初期阶段，还需要通过教学实践来重复验证和说明其教学有效性;而已有的四线式教学模式未能很好地发挥信息技术的学习功能。如何利用信息技术的优势使历史线、探究线、知识线和应用线更为环环相扣、相辅相成，使得教学过程更连贯，师生和生生之间更有粘性，是当下需要进一步深思的问题。
信息化工具/资源介绍 ?说明模式在教学实践中涉及的主要信息化工具。
1）101LAB—3D虚拟实验室。这是网龙华渔教育推出的，用于K12教育的交互式数字实验平台，其功能定位为辅助教与学。该平台中的实验涵盖了小学到高中的科学、物理、化学、生物的海量实验资源，同时提供了配套的高清实验实拍视频、实验注意事项、实验步骤和实验原理的解析。实验器材/用品采用高精度3D仿真，且拥有强大的实验引擎，可自由对教材实验进行DIY拓展实验。目前，该平台是电脑版，学生或教师利用计算机或是笔记本电脑注册账号，输入账号登入即可。与其他虚拟实验室产品相比，101LAB—3D虚拟实验室所提供的资源和内容更加全面、更为灵活，有助于实现课堂教学的生成性。
2）101教育PPT。这是网龙华渔教育推出的一款专业服务教师的备授课一体化教学软件，具有丰富的教学资源，汇聚全球优质教学资源，能够满足K12阶段教学教辅需求。同时，它支撑多元教学互动，提供了诸多学科工具和互动工具，便于师生、生生的多向交互。
3）史实视频。这是以视频的方式重现化学家科学探究的过程，作为历史线的资源支撑。将史实视频放于网教通平台，学生可以利用账号登入，查看相关的视频。
3 技术工具支持下的四线式教学模式构建与实施
模式构建 ?结合化学课程教学的特点，在原有的四线式教学模式上加入信息技术与化学课程整合的思考，对整个教学模型进行细化和调整，构建的模式流程图如图1所示。
融合信息化工具的四线式教学模式概括为三阶段??—四线式。三阶段分别是课前知识预习、课中知识内化、课后知识巩固。课前，学生通过网教通平台进行新知预习;课中的基本教学程序遵循四线式教学流程;课后，学生利用教师布置的作业进行知识巩固和提高。
课中教学遵循四线式教学流程，以合力让学生掌握某一知识点。
1）历史线。以史实视频或是图片，加之教师补充讲解，重现历史探究情境，打开实验探究的大门。这条线通过梳理化学家发现知识点的历史事件和文化背景，为探究线的推进提供背景资料，也为知识线的发展搜集历史证据。
2）探究线。可分为两个分支线，分别是虚拟历史实验和实物拓展实验：虚拟历史实验即运用101LAB—3D虚拟实验室模拟化学家所做的实验，让学生合作探究，亲身体验科学家的历史实验;实物拓展实验即拓展历史实验，通过实物实验让学生亲身经历实验探究操作的全过程，进而提升学生动手实践的能力。实物实验安排在虚拟实验之后，是因为虚拟实验具有可重复性，允许学生在初试或者并未完全熟知實验的情况下进行多次试误;而实物实验是其拓展实验，基本实验步骤与虚拟实验相同，在经过了虚拟实验操作后，学生进行实物实验就能够更加得心应手。这条线为知识线的讲解提供了具体的实验数据和实验结果的支撑，通过“虚+实”的实验形式也能够循序渐进地去传授实验知识点，培养学生的实验探究技能。
3）知识线。运用101教育PPT的学科工具，可视化归纳、分析、推理和提炼现象背后的本质，运用逻辑推理和辩证思维去挖掘更深一层的化学知识和原理，即本质特征。这条线起到总结概况的作用，归纳总结相关实验知识，为应用线的推进做好前期理论和知识的铺垫与积累。
4）应用线。设置该线的主要目的是促使学生能够学以致用，将所学的实验知识拓展应用至解决或解释相似的问题。通过教师提前设置好课后思考题，让学生带着生活问题，利用现实生活物品进行趣味实验探究，进而达到对相关实验知识点的强化和巩固。
进一步对信息化工具在该模式中所起到的支撑作用进行梳理，其中101LAB—3D虚拟实验室发挥的作用有三：
1）进行DIY，能够重现和拓展科学家做的实验，增加学生进行动手实验操作的机会;
2）创造与他人合作探究的机会，通过小组合作，促进学生的认知加工过程，达到知识的深度理解;
3）提供重复试错的机会，让学生在虚拟环境中进行实验操作，减少实物实验操作错误引起的事故和实验器材的损耗。
101教育PPT在融合信息化工具的四线式教学模式中发挥的作用主要是内容呈现，即将枯燥乏味的文字以思维导图、流程图或是图文结合的方式进行可视化呈现，使之符合学习者的视觉习惯。史实视频作为历史线主要的载体，主要通过观看视频的方式向学生传达信息，调动学生学习的积极性和热情。
教学应用 ?模式构建完成后，以F中学的化学选修课“溶液的酸碱性”教学开展为契机，以高一选修化学的30名学生为研究对象，将融合信息化工具的四线式教学模式应用于具体的教学设计与实践中。
1）学习者特征分析。
①知识层面特征：高一学生在探究本实验之前，已经学习了溶液相关理论知识，但对于系统地根据指示剂变色情况，对溶液从酸、碱性的角度进行分类这一知识点掌握不佳。
②能力层面特征：高一学生已经具备自主预习的能力，并能在团队合作小组实验中积极思考、相互讨论，从而合作探究，共同解决问题。
2）学习内容分析。本节内容用于初高中衔接实验课程设计，“溶液的酸碱性”是中考重要的知识点，也是进行高中化学实验的前期知识储备，承担着对物质的性质、组成和结构等学科基本问题的渗透、落实和具体化。同时，对“溶液的酸碱性”知识的掌握也是学习酸碱盐的基础和前提。
3）学习目标分析。了解科学家在“溶液的酸碱性”的知识发展中所做出的努力，学习科学家不断求索的精神;熟练使用酸碱指示剂判断溶液的酸碱性;理解酸碱指示剂（试液）能够检测溶液的酸碱度的内因;理解pH值的化学意义;通过实验探究，经历科学探究的全过程，使观察能力、分析能力及实践能力得以提升，从而培养和提高科学素养。
4）教学实施。在正式进入相关内容课程教学前，教师根据学生《多元智能评分表》的得分情况划分小组和对小组成员进行分工安排。教学实践的环境：装有计算机的探究室。
“溶液的酸碱性”的课时分配为三课时：第一课时主题为“波义耳发现酸碱指示剂”;第二课时主题为“贝格曼发现植物汁液的变色对各种酸的灵敏程度不同”;第三课时主题为“探究酚酞做指示剂的灵敏度&pH值”。三个课时教学内容层层递进、步步深入，以系统化的方式构建和强化学生关于“溶液的酸碱性”的知识框架。以第一个课时的课中教学为例进行阐述。
①历史线。【观看史实视频，重现历史情境】教师组织学生通过网教通平台观看波义耳发现指示剂的历史视频，学生观看相关视频。
【进一步讲解史实信息】教师补充讲解关于波义耳发现酸碱指示剂的背景信息：1646年，英国化学家波义耳（Obert Boyle，1627—1691）不小心把几滴盐酸滴到了紫罗兰的花瓣上，发现紫色的紫罗兰变成红色……学生认知聆听并做好相关笔记的记录。
本活动旨在让学生了解化学史，学习科学家的求索精神，培养学生的科学探究素养。
②探究线。【虚拟历史实验】学生以小组为单位共用一台计算机，根据前期小组的分工，利用101LAB—3D虚拟实验室的DIY功能，模拟波义耳用紫罗兰试液判断几种溶液的酸碱性实验（图2）。操作步骤引导：打开虚拟实验室软件→把紫罗兰花的浆汁滴在白纸上→再在汁液上滴加2～3滴酒精→将待测液滴在浸有植物浆汁和酒精的纸上→观察颜色变化并进行记录。经历“提出问题—作出假设/猜想—虚拟合作探究—现象记录与分析”的过程。
【实物拓展实验】教师让学生探究石蕊溶液在不同溶液中的颜色变化的实物实验（图3），学生以小组为单位进行实物实验操作。
本环节活动旨在让学生亲自动手实验，增强他们的实验探究能力、合作能力。
③知识线。【解释实验原理】经过虚拟实验+实物实验探究后，学生对其原理把握尚未清晰。教师引导学生通过它们的实验现象来总结酸碱指示剂的概念，解释石蕊变色原理。通过从实验现象到实验本质的分析，挖掘实验本身蕴含的化学奥秘，如图4所示。
【总结知识点】运用101教育PPT进行课堂总结，使实验知识呈现更加系统化和可视化。
本活动的目的是引导学生总结和分析实验背后的原理，让学生知其然更知其所以然。
④应用线。【变式实验设计】教师提出问题：“如何用紫罗兰试液判断几种生活中常见的物质的酸碱性（食醋、酸奶、橙汁、洗衣液、水、土壤溶液）？请你设计实验方案，运用101LAB—3D虚拟实验室来进行探究实验。”
【知识拓展延伸】教师补充讲解：食物中的酸碱性并不是根据食入口中的味道来判断的，而是根据人体消化吸收后产生的作用效果来判断的。学生思考并进行笔记补充。
【布置课后作业，进行教学反思】课时教学结束后，教师布置课后作业：“思考问题：不同指示剂的灵敏度是否相同？不同酸、碱的强度是否相同？并找到相应的材料对你的观点进行佐证。”学生课后需针对问题进行思考和寻找佐证材料。同时，教师需要对本节课的教学过程和效果做好复盘和及时反思。
本活动旨在培养学生的知识迁移和运用能力。
教学效果 ?为了解教学效果，本研究从学生的知识掌握情况和课堂参与度两个层面来说明。学生的知识掌握情況通过前后测知识测评来获取。每个课时开始前进行前测，每个课时完成后进行后测。经统计，前后测的配对样本T检验的结果均为0.000<0.01，即在99%的置信区间内，学生的前后测成绩具有显著性差异。这一数据能在一定程度上说明融合信息化工具的四线式教学模式是可行的，有一定的教学价值，能够正向影响学生的知识点掌握情况。
通过反复观看视频录像去判断学生的课堂参与度。通过参与其中的学生的人数，对教师讲课、展示内容、教学提问、小组讨论、汇报、探究实验等教学活动进行“高”“一般”和“低”三阶等级评价。在“溶液的酸碱性”教学过程中，大部分学生处于一般参与状态。学生愿意参与课堂实验探究，但并未达到深度参与。究其原因，可能是教师在课堂的把控、气氛的调动和教学环节的衔接上存在经验不足的情况。但总体上来说，教学效果的数据很大程度上肯定了基于虚拟实验、史实视频和真实实验的四线式教学模式的教学有效性。
4 结语
本研究尝试借助101LAB—3D虚拟实验室、101教育PPT等信息化工具和手段促进化学史更好地融合于化学学科教学之中，构建了基于虚拟实验、史实视频和真实实验的四线式教学模式，进行具体的教学设计与实践。通过收集一线教学实践的数据并进行分析，统计结果表明，该教学模式具有良好的教学可行性和有效性，对提升学生的学习质量具有明显的促进作用。但对于该模式如何促进学生在课堂上更为深层次地参与，仍需进一步探究与完善。
参考文献
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[7]刘源.“四线式”教学模式在高中化学教学中的应用与实践研究[D].呼和浩特：内蒙古师范大学，2018.
[8]马丽雪.翻转课堂融合“四线式”教学模式的高中化学教学研究[D].呼和浩特：内蒙古师范大学，2019.
