探讨信息技术赋能高中化学模型认知的融合机制研究

1.模型认知的素养内涵与教学现实困境

模型认知作为化学学科核心素养的思维中枢，被定义为“通过分析、推理建立研究对象本质特征的认知模型，并运用模型解释化学现象的能力”（《普通高中化学课程标准》）。其核心价值在于贯通“宏观辨识-微观探析-符号表征”三重表征体系，使学生从现象观察者转变为本质解读者。然而当前高中化学教学面临三重结构性困境：

1.1 微观抽象性认知断层

调研显示，大部分学生无法将原电池的宏观电流现象与微观电子转移过程建立关联[1]。传统教学依赖分子式、示意图等静态符号表征，难以呈现电子云分布、离子迁移等动态过程，导致学生认知停留在机械记忆层面。尤其在学习晶体结构、有机分子空间构型时，部分学生因空间想象力不足而放弃深度理解。

1.2 多变量交互探究缺失

在探究电极材料活性差对电流强度的影响时，传统实验受限于设备精度与课时压力。王连平指出仅少部分学校能完成 Zn-Cu、Al-C 等多组电极组合测试，学生无法通过数据归纳“电极电势差—电流强度”的数学模型。变量控制能力的薄弱进一步阻碍了学生对化学反应限度和方向的规律性认知[2]。

1.3 模型迁移应用情境脱节

马瑞琪发现能背诵原电池原理的学生中仅有少部分能解释手机电池的续航衰减机制。这种“知识悬浮”现象源于教学脱离真实情境，学生未经历“建立模型—验证模型—应用模型”的完整认知闭环[3]。这些困境揭示了传统教学范式在培养学生模型认知能力上的根本局限，需信息技术提供破局路径。

2.认知科学与技术赋能的学理融合基础

2.1 建构主义理论：主动模型生成机制

学生通过虚拟实验主动建构认知模型。例如使用化学增强现实扫描干电池实物，触发三维动态拆解过程：锌筒负极溶解释放电子，电子经导线流向碳棒正极，H⁺在正极得电子生成氢气。这种“操作—观察—归纳”的参与式学习，使知识从外部灌输转向内生建构，契合皮亚杰“认知结构主动适应”理论。

2.2 情境认知理论：具身化学习环境创设

VR 技术构建分子级实验室，将抽象概念转化为具身认知任务。学生佩戴设备进入纳米空间，手势旋转乙炔分子模型，直观观测碳碳三键两侧 π 电子云的哑铃状对称分布。量子化学计算结果的电子云密度渲染，使轨道能级差异转化为可感知的彩色梯度变化，印证了布朗“知识是情境化活动产物”的论断。

2.3 认知负荷理论：阶梯式模型进阶设计

分层次的技术应用优化认知负载。在乙醇催化氧化教学中，仿真软件以 0.1 倍速拆解反应进程。每个阶段同步显示键能变化曲线（如 C-O 键断裂需 346kJ/mol），帮助学生建立能量变化与反应路径的关联，有效降低斯威勒提出的“内在认知负荷”。

2.4 三大理论共同证明：信息技术不仅是知识呈现工具，更是认知模型重构的赋能载体。

3.四重融合机制：信息技术驱动模型认知的实践路径

3.1 机制一：虚拟现实——空间构象的可视化解码在有机化合物结构教学中，VR 技术实现三重认知突破：

构型透视：甲烷正四面体键角 109°28′的空间张力、苯环大 π 键的离域电子云分布，通过立体渲染突破平面图示局限。学生可测量相邻氢原子间距（1.09Å），理解范德华力作用范围。

动态交互：手势操控乙烷分子模型，观察碳碳单键旋转引发的构象变化，分析重叠式与交叉式的位阻差异（能差 12.5kJ/mol）。

跨尺度关联：缩放视角对比石墨层间作用力（3.35Å）与共价键长（1.42Å），建立微观作用力与宏观导电性的因果链。

3.2 机制二：仿真模拟——多变量规律的交互探究原电池教学案例中，仿真平台构建自主探究环境：

参数调控：学生更换电极材料（Zn-Cu、Fe-C、Al-C），系统实时反馈电流强度：Zn-Cu 组 2.3A、Al-C 组 2.7A，直观验证“电极活性差↑→电流强度↑”的数学模型。

反例证伪：设置 Mg-石墨电极与酒精溶液组合，电流强度恒为 0，反向论证电解质需含自由移动离子的必要条件。

模型迁移：对比干电池（1.5V）、锂电池（3.7V）、氢氧燃料电池（1.23V）的电压数据，分析电极电势差对输出电压的调控机制。

3.3 机制三：人工智能——个性化认知模型的适配进化

AI 学习平台实现精准教学干预：

诊断推送：系统分析学生在“亲核取代反应”中的错误模式，空间思维薄弱者接收螺壬烷 3D 组装视频，机理混淆者进行同位素标记的 SN2 路径追踪实验。

情境拓展：基于学习进度推送诺贝尔化学奖案例（如 2021 年不对称有机催化），在真实科研场景中理解手性分子模型的应用价值。

智能评估：虚拟实验后自动生成报告框架，整合键角偏差分析、反应能垒计算等模块，引导学生完成“现象观察→数据归因→结论提炼”的科学探究闭环。

3.4 机制四：协作云平台——社会性模型的应用迁移金属腐蚀防护项目式学习中，协作平台构建社会性认知网络：

方案设计：小组在线设计船体防腐方案，虚拟测试镀锌层厚度（ ）对腐蚀电流的影响（从 1.2mA/cm²降至 0.3mA/cm²) 。

模型优化：嵌入钢板脆断案例，分析硫杂质导致的晶界腐蚀机制，迭代牺牲阳极材料选择标准。

跨校验证：共享不同海域水质数据（pH、盐度），建立腐蚀速率预测模型。

四重机制形成“感知—探究—建构—迁移”的认知闭环，实现模型认知能力的螺旋上升。

4.实证效能：多维度能力提升的证据链分析

4.1 微观辨识能力显著增强

学生在分子构型分析、空间想象、VR 技术使用、课外分子模型搭建等能力方面显著提升。

4.2 模型迁移应用水平突破

在“化学能与电能”教学中，学生能运用“电极电势差—离子迁移—能量转化”模型解释复杂问题：分析锌锰电池中 MnO₂ 对 H^∗ 的消耗机制、预测海水电解质对船体电化学腐蚀的加速效应、设计利用地瓜电解质制作生物电池的方案。

4.3 科学思维品质深度发展

通过虚拟实验的变量控制训练，学生表现出三类进阶思维：批判性思维：质疑教材中简化电池模型，提出“电解质浓度极化效应”问题；系统性思维：建立燃料电池效率与热机效率的能源转化对比模型；创新性思维：设计“盐桥材料替代实验”，测试琼脂、滤纸、黏土的电导率差异。

5.范式重构：挑战应对与未来教育图景

5.1 现实挑战的理性审视当前实践面临三重矛盾：

技术应用异化：部分课堂存在“为 VR 而 VR”形式化倾向，忽视教学目标适配性；教师数字素养断层：教师能自主开发分子动力学模拟资源，多数依赖预制课件；资源协同不足：各平台数据互不兼容，学生需重复登录 3-4 个系统完成模型学习[5]。

5.2 融合路径的创新设计

双轨制实验体系构建，采用“虚拟—实体”互补模式：，原理认知层：VR 拆解锂电池结构，观察 Li⁺在石墨层间嵌入过程，规律探究层：仿真测试温度对反应速率影响，模型验证层：实物组装水果电池，测量电极间距对电压的影响[6].

5.3 教师能力发展模型

建立“三维赋能”培养体系：认知图谱开发：锚定技术适配点（如微观过程→VR，变量关系→仿真），模块化资源库：按“分子结构”“反应机理”等主题整合 3D 模型，跨学科研修：学习计算化学基础，理解量子力学渲染原理[7]。

5.4 未来教育的四重进路

5.4.1 生成式 AI 辅助建模

基于大语言模型构建分子行为预测系统：输入“解释 C₆₀ 与氟气反应活性”，输出：分子轨道能级模拟动画+亲电位点热力图，动态生成反应路径。

5.4.2 神经教育学赋能界面设计

应用眼动追踪技术优化 VR 学习体验：记录学生观察苯分子电子云的热点区域，调整 π 键轨道渲染强度（注视率 <40% 区域增强亮度 50% ）

依据认知负荷数据（瞳孔直径变化率）动态简化模型复杂度[8]。

5.4.3 元宇宙协作实验室

构建跨校虚拟研究平台：多地学生同步操作同步辐射光源观测蛋白质晶体衍射，实时共享上海—新疆水质数据，联合建立金属腐蚀预测模型

5.4.4 区块链认证学习轨迹记录模型认知能力发展历程：

存储关键能力证据（如空间推理测试结果、虚拟实验报告）生成素养成长图谱，支持升学与职业规划

6.结语

信息技术与化学模型认知的深度融合，本质是教育范式从“知识传递”向“认知建构”的进化。当虚拟现实使电子云触手可及，当人工智能为每个学生定制认知路径，当协作平台将实验室延伸至元宇宙——我们正在见证化学教育从“纸上分子式”到“手中粒子”的认知革命。未来教育需坚守“素养本位”内核，在技术狂潮中锚定人的全面发展，方能使模型认知真正成为学生探索物质世界的思维罗盘。

参考文献：

[1]黄新. 信息技术在高中化学教学中学生模型认知培养的应用[J].中国新通信,2025,27(10):221-223.

[2] 王连平. 网络平台在高中化学教学中的应用实践研究[J]. 中国新通信,2024,26(14):227-229+232.

[3] 马瑞琪. “ 互 联网+” 背景 下高 中化学 教学改 革的 思考[J]. 中国 新通信,2025,27(03):242-244.

[4]刘远大. 基于新课标模型认知在高中化学教学中的功能与价值研究[J].遵义师范学院学报,2024,26(02):145-147+150.

[5]黄永祥. 信息化技术在高中化学实验教学中的创新应用[J]. 中国科技经济新闻数据库教育,2025(5):209-212.

[6] 刘 璐 .VR 技 术 融 入 高 中 化 学 教 学 的 实 践 研 究 [D]. 南 宁 师 范 大学,2023.DOI:10.27037/d.cnki.ggxsc.2023.000119.

[7]姚少伦,宋杰,冯尊磊,等. 基于深度学习的 3D 分子生成模型研究进展[J].中国科学:化学,2023,53(02):174-195.

[8]景惠美.面向虚拟现实选择任务的裸手交互视觉反馈策略研究[D].东南大学,2023.DOI:10.27014/d.cnki.gdnau.2023.001289.