宋小宏

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：10056629（2023）06003506中图分类号：G633.8文献标识码：B

1 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，化学反应速率对深入认识化学反应、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^［1］。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

2.1 UbD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（Grant Wiggins）和杰伊·麦克泰（Jay McTighe）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入中学化学教学中，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）。

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），与化學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^［9］。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，现正逐步融入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。

3.1 梳理课标要求，确定预期结果

《普通高中化学课程标准（2017年版2020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入认识化学反应、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。

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、表现性任务和项目、观察和对话，也包括不同时间内的学生自我评估。

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。

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——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。

4 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。

4.2 基于PhET碰撞理论的教学活动设计与实施

本研究采用PhET平台提供的虚拟仿真实验“Reactions & Rates”模型进行探究。模型由单一碰撞、很多碰撞和反应速率实验三个界面构成，单一碰撞界面如图4所示，可以选择反应类型及发射条件等，如直接撞击或偏向射入、选择4种反应类型或自行设计反应、反应历程中的变化对标原子分离情况和反应界面的能量变化。

活动1 建构碰撞理论

教师：在微观层面上是什么促成了成功的反应？

学生：在虚拟仿真实验中选择“Reactions & Rates”实验模型，或使用java打开“rates-and-rates-zh-CN”即中文版“化学反应速率”虚拟仿真实验模型。

教师：以第一组化学反应为例，选择不同的发射条件，可能会发生什么现象？

学生：在“Single Collision”即单一碰撞界面分别使用不同的发射力度和发射角度发射反应物分子进行碰撞实验，观察不同发射力度和角度的反应情况和能量变化，填写活动任务单（见表5）。

活动2 微观探析影响化学反应速率的因素

教师：参照反应坐标描述是什么使反应进行或减缓其进展？

学生：在“Many Collision”即多次碰撞界面先自行探究影响反应快慢的因素。

教师：反应物分子数量相同的情况下，以下哪种反应可能会是最快的（见图5）？

学生：测试以上四个反应，分析反应不同快慢的原因。

教师：如果活化能较低，反应可以在较低温度下进行，在真实反应中，这是通过添加催化剂来完成的。

学生：通过自行设计反应降低或提高活化能，观察反应的变化。

教师：在反应中，使用加热器加热会有什么影响？

A. 增加

B. 增加

C. 没有影响

学生：自行设计多次实验，控制变量观察使用加热器的影响，填写任务单。

教师：对于没有足够能量进行反应的，可以通过增加温度来增加碰撞概率使反应发生。

4.3 教学反思

“化学反应速率”一课基于UbD理论确定了学习目标、评估证据和学习活动，将学习目标聚焦转化成相应的评估证据，如化学实验报告体现实验过程；碰撞理论建构活动任务单体现学生的表现；相关测试题、自评表等使学习活动的针对性更强，有利于促进教、学、评的一致性。

由于化学反应的不可视性，使用碰撞理论解释影响化学反应速率因素的原因一直是教学难点，基于此，选用了PhET虚拟仿真平台中的“Reactions & Rates”实验模型，学生使用此模型能够直观地观察模拟分子碰撞现象，有效建构碰撞理论。知道反应物分子间的相互碰撞是反应发生的前提条件。碰撞的速度（能量）和角度决定碰撞是否会生成产物，大大降低学生对化学微观视角的认知负荷。

5 总结与展望

本研究以UbD理论为支撑，融合PhET平台提供的虚拟仿真实验进行教学设计和实践，促进了学生从微观到宏观的角度对化学反应速率概念及影响因素的认识。UbD逆向设计使预期结果、关键表现以及教与学体验之间产生更大的一致性，从而使学生有更深刻的理解。PhET作为一个开源平台，拥有丰富的主题模拟实验、教学案例，在化学教学中有较高的适配性、有效性和实用性。经教学实践，学生基于PhET虚拟仿真平台利用碰撞理论解释影响化学反应速率因素的原理比传统课堂教学效果更佳，对学习目标的达成起到了正向作用。

笔者使用PhET虚拟仿真平台中的“Reactions & Rates”模型融入“化学反应速率”课堂教学，旨在建构碰撞理论并运用该理论解释影响化学反应速率的因素，因此在教学设计时采用了模型中的一部分交互内容。学生在使用“Reactions & Rates”模型时可能会发现反应是可逆的，产物可能会通过碰撞生成反应物，这与本活动的学习目标未能达成一致性，作为后续研究，拟在此基础上针对化学平衡做深入的研究和探讨。

通过初步研究和总结，认为基于PhET平台设计学习活动有下列经验：

（1） 融合虚拟仿真实验模型的活动设计最好是一个相对开放的探索活动。

（2） 要求设计的活动简短、开放、灵活且带有开放性的问题。

（3） 在学生体验主题模拟实验时，可以提供简单的支架说明，如设计观察表格、记录数据等。

参考文献：

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［2］倪胜军，付绍武，艾进达. 逆向、整体、可操作： UbD理论视角下化学单元教学设计——以九年级“化学方程式”为例［J］. 化学教学，2021，（12）： 48～51，64.

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