以素養(yǎng)為基礎(chǔ)的高中化學(xué)實驗現(xiàn)象和過程可視化研究

摘 要：核心素養(yǎng)是化學(xué)學(xué)科的重要培養(yǎng)內(nèi)容，也是推動教改的重點.而實驗現(xiàn)象與過程可視化是優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)模式的有效手段.經(jīng)由智能手機，輔以微距鏡頭，基于濃硫酸的基本特性展開深入研究，此種措施能夠全面調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和參與性.首先對現(xiàn)象與過程可視化內(nèi)涵進行了簡析，然后介紹了可視化實驗設(shè)計原則，最后探究可視化實驗設(shè)計策略，并進行了實驗反思.

關(guān)鍵詞：可視化;化學(xué)實驗;高中化學(xué)

中圖分類號：G632????? 文獻標識碼：A????? 文章編號：1008-0333（2021）36-0090-02

對高中生而言，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)至關(guān)重要，它是學(xué)生日常學(xué)習(xí)和生活中表現(xiàn)出來的一種探索問題的能力，絕非成績所能體現(xiàn)的.實驗教學(xué)可增強學(xué)生的動手操作能力，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識靈活應(yīng)用到實踐活動中，學(xué)習(xí)有用的化學(xué)思想，從而提高學(xué)科核心素養(yǎng).

一、現(xiàn)象與過程可視化內(nèi)涵簡析

知識可視化最早出現(xiàn)在2004年，從最初的科學(xué)計算可視化到當前的知識可視化.最初人們運用知識可視化完成知識的獲得與傳遞，這是一種現(xiàn)代化研究方法.現(xiàn)象與過程可視化隸屬知識可視化這一大范疇，其內(nèi)涵主要體現(xiàn)在下述兩點：其一，現(xiàn)象與過程可視化概念中的現(xiàn)象能夠展現(xiàn)出微觀本質(zhì)層面的化學(xué)變化，人們經(jīng)由視覺能夠直接看到，但過程則指代事物發(fā)展歷程，具體是化學(xué)實驗現(xiàn)象由發(fā)生至變化的一系列經(jīng)過.知識可視化一般經(jīng)由某種方式中過程與現(xiàn)象可視化來達成，基于化學(xué)領(lǐng)域，現(xiàn)象和過程可視化能夠讓觀察者進一步深入觀察化學(xué)反應(yīng).由此可知，可視化技術(shù)增加了實驗現(xiàn)象的透明度和清晰度.

上述理論具有理論支撐，雙重編碼理論指出人類大腦存在兩個獨立通道，分別是語言與視覺信息通道，以此接收外界不同信息.經(jīng)由實驗現(xiàn)象與過程可視化能夠增加語言的清晰性和形象性，這在增強感知力與理解力具有重要的推動性作用.認知負荷理論指出人腦記憶容量具有一定限度，特性時間下，大腦加工信息量越多，則承擔的認知負荷便愈發(fā)沉重.當學(xué)生出現(xiàn)疲憊、厭倦和吃力的問題時，表明其認知負荷超出工作記憶限制，最終的學(xué)習(xí)效率不會很高.而現(xiàn)象與過程可視化能夠降低記憶難度，深化關(guān)聯(lián)性認知，以此提升學(xué)習(xí)效果.

二、可視化實驗設(shè)計原則

1.能順利達成教學(xué)目標

為迎合人才發(fā)展需求，教育改革基于教學(xué)目標進行了調(diào)整，從基礎(chǔ)學(xué)科知識學(xué)習(xí)、技能提升延伸至三維目標，當前又上升至五維教育目標，更加強調(diào)核心素養(yǎng)培養(yǎng).而可視化實驗則應(yīng)以此為基礎(chǔ)，在具體的實驗過程，應(yīng)保證所做實驗在目標達成中具有推動性作用.

2.實驗原理符合學(xué)生認知

實驗原理作為化學(xué)實驗的基本組成至關(guān)重要，能夠讓學(xué)生深入了解學(xué)科知識，并能在腦海中建立具體、清晰的實驗流程，讓學(xué)生明確反應(yīng)的微觀變化.為此，在具體的設(shè)計過程，所用原理與知識應(yīng)符合學(xué)生的認知，若所選內(nèi)容不便理解，便會阻礙教學(xué)活動的開展，增大教學(xué)負擔.

3.便于觀察和操作

依照實驗內(nèi)容和標準，選擇適宜的拍攝觀察方式，通常應(yīng)用智能手機和微距鏡頭加以觀察.若觀察反應(yīng)速率偏快或者偏慢的實驗，建議調(diào)慢播放速度，以便觀察完整、具體的實驗細節(jié).待完成拍攝任務(wù)以后，基于拍攝視頻加以處理，通過播放速度的控制來進一步明確實驗過程，也可截圖，展現(xiàn)化學(xué)現(xiàn)象的獨特美，保證教學(xué)活動的正常開展.

三、可視化實驗設(shè)計策略

在整個高中化學(xué)教學(xué)活動中，濃硫酸極具代表性，且十分重要，研究其相關(guān)性質(zhì)可促進學(xué)生在硫單質(zhì)與化合物方面的理解，要求廣大學(xué)生務(wù)必要學(xué)習(xí)好本節(jié)內(nèi)容.在本節(jié)內(nèi)容中，學(xué)生應(yīng)熟悉濃硫酸的相關(guān)性質(zhì)，掌握其根本用途，深化學(xué)生在觀察探究和綜合運用方面的能力.通過濃硫酸性質(zhì)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，建立實驗安全觀念.

以往所進行的濃硫酸實驗在吸水性環(huán)節(jié)會花費較長的時間，脫水性與強氧化性實驗中會生成有害氣體，不利于實驗的進行.為此，筆者借助微距鏡頭，輔以智能手機，將化學(xué)實驗現(xiàn)象清晰化和直觀化，能夠讓學(xué)生得到直觀體驗，掌握更多樣的細節(jié)信息，研究微觀世界，進而實現(xiàn)素養(yǎng)培養(yǎng)目標.明確實驗原理，準備實驗材料，依托下述步驟開展實驗：

其一，做好實驗準備工作.將實驗裝置規(guī)范安裝，智能手機前置攝像頭和微距鏡頭相互對準，將手機平放在操作臺上.將表面皿和鐵架臺相互固定，打開手機前置頭，合理擺放待測物，適當調(diào)整表面皿和待測物之間的位置，保證待測物與鏡頭正向相對.適當調(diào)整聚焦輪，保證待測物對焦.0～1min時，觀察并無明顯變化，其左下角出現(xiàn)透明絲狀液體，在蔗糖表面出現(xiàn)淺黃色晶狀體，1～5min時，蔗糖開始融化，液體黃色一點點變深，呈現(xiàn)出黃褐色，另外蔗糖晶體對角的位置出現(xiàn)深黃色絲狀物;5～15min時，周邊液體出現(xiàn)黑黃色，在邊緣出現(xiàn)脫離現(xiàn)象，并生成黑色液體;15～25min蔗糖表面變黑，晶體表面開始發(fā)黃，其內(nèi)部呈現(xiàn)透明狀，在晶體附近還會出現(xiàn)大量的黑黃色絲狀物，晶體變成小球體;25～30min時，出現(xiàn)亮黃色晶體，周邊被黑色液體包裹，蔗糖變成小塊晶體，而液體一點點變淺;30～50min時，蔗糖晶體完全融化，在表面皿出現(xiàn)褐色液體.

其二，濃硫酸脫水性與強氧化性實驗.將蔗糖放置在干凈的表面皿上，不斷調(diào)整聚焦輪，讓它和鏡頭對焦，開始錄像，通過滴管把濃硫酸滴到表面皿內(nèi)，讓待測物完全處于液體中.在反應(yīng)初始階段，經(jīng)由智能手機屏幕加以觀察，不斷對焦，適當調(diào)整光線，大約50min完成錄像.為便于描述，筆者將反應(yīng)過程劃分成6個階段，借此表明濃硫酸具有一定的脫水性，將蔗糖碳化，碳與濃硫酸相互作用生成氣體，經(jīng)由揮發(fā)變成水.

其三，吸水性實驗.將硫酸銅放置在干凈的表面皿內(nèi)，經(jīng)由對焦讓待測物完全呈現(xiàn)在手機屏幕內(nèi)，進行錄像，利用滴管把濃硫酸滴至表面皿內(nèi)，讓待測物完全處于液體中.在反應(yīng)的初始階段，經(jīng)由智能手機屏幕對實驗現(xiàn)象進行觀察，不斷對焦，適當調(diào)整光線，大約40min完成錄像.為便于描述，把反應(yīng)過程劃分成5個時期，經(jīng)由觀察得出，硫酸銅顏色一點點變淺，這表明濃硫酸具有一定的脫水性.

四、實驗反思

過程與現(xiàn)象可視化將實驗現(xiàn)象進行了放大，學(xué)生經(jīng)由微距鏡頭來觀察，能夠看到平常肉眼看不到的內(nèi)容.雖然濃硫酸是一個較為簡單的實驗，但是能夠觀察到具體、完整的實驗現(xiàn)象，得到直觀體驗，形成深刻印象.綜上可知，現(xiàn)象與過程可視化主要具有下述三方面特性：其一，實驗過程利用智能手機顯微鏡加以拍攝，能夠為學(xué)生帶來視覺沖擊，深化學(xué)生的記憶，了解濃硫酸的基本特性，幫助學(xué)生從微觀層面理解知識，降低記憶難度.其二，通過智能手機，輔以微距鏡頭加以拍攝，收集有用素材能夠直接應(yīng)用到課堂教學(xué)中，相對簡單的實驗也可引導(dǎo)學(xué)生自主拍攝，這是學(xué)生開展探究的重要工具.其三，濃硫酸實驗是一個微型實驗，實驗過程所用藥品不多，并較為安全，學(xué)生能夠自主操作.

綜上可知，高中化學(xué)實驗可增強學(xué)生的綜合能力，尤其是探究分析能力與配合協(xié)作能力，且通過知識學(xué)習(xí)和實驗探究能夠形成科學(xué)、合理的思維習(xí)慣，建立整體性的知識框架，培養(yǎng)開拓力和實踐力.為此，教師應(yīng)自主研究化學(xué)實驗方法，切實提升學(xué)生的綜合素養(yǎng).

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[責任編輯：季春陽]

收稿日期：2021-09-25

作者簡介：殷月芳（1983.2-），女，中學(xué)一級教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.