數字化工具在高中化學微觀概念可視化教學中應用的策略研究

《普通高中化學課程標準》（2017年版2020年修訂，以下簡稱《課程標準》）明確指出，教師應借助現代信息技術優化教學，尤其在微觀概念教學中，需通過動態模擬、虛擬實驗等手段突破空間與動態認知障礙。教育部《教育信息化2.0行動計劃》亦強調，要推動人工智能、大數據、虛擬現實等新技術在教育教學中的規模化應用，為化學微觀概念可視化教學提供了政策導向。深入研究數字化工具在高中化學微觀概念可視化教學中的應用實踐，對提升化學教學質量、促進學生化學學科核心素養的發展具有重要的現實意義。通過技術賦能，不僅能破解傳統教學中空間表征模糊、動態過程缺失、符號關聯斷裂等難題，更能引導學生從被動接受知識轉向主動建構微觀認知體系。這既符合《課程標準》對“借助現代信息技術優化教學”的要求，也為培養適應數字化時代的創新型人才提供了實踐路徑。

一、高中化學微觀概念可視化教學的難點

（一）空間維度認知障礙

高中化學微觀概念中的分子立體構型、晶胞堆積模式等內容，具有顯著的空間維度特征，要求學生在腦海中構建三維立體認知模型，精準把握原子間相對位置與空間關系。在傳統教學場景下，教師多依賴二維圖示、靜態球棍模型等教具開展教學。例如，在講解甲烷分子結構時，二維圖示只能呈現平面化的結構示意圖，無法直觀展現氫原子在空間中的對稱分布情況，導致部分學生錯誤地將其理解為平面構型；而靜態球棍模型雖具備一定立體展示效果，但無法動態呈現原子間角度變化過程，學生難以直觀理解甲烷分子中 109^° 28’的鍵角特征，也無法深入認知雜化軌道理論在分子空間構型形成中的作用機制[1]。此外，對于復雜的蛋白質四級結構、石墨晶體的層狀堆積等內容，傳統教具更難以全面展示其空間特征，使得學生在空間維度的認知構建上存在較大障礙。

（二）動態過程呈現困難

化學反應的本質是微觀粒子間的相互作用與變化，這一過程具有瞬時性與動態性的特點。然而，在傳統教學中，教師主要通過語言描述、板書圖示等方式講解反應機理，難以將微觀粒子碰撞、化學鍵斷裂與形成、電子轉移等動態過程完整且直觀地呈現出來。以酯化反應為例，學生需要理解羧酸分子中的羧基與醇分子中的羥基在濃硫酸催化作用下，如何通過脫水縮合形成酯鍵。但僅依靠教師的口頭講解和靜態板書，學生無法真實感知反應過程中分子構象的動態變化、化學鍵斷裂與重組的先后順序，以及電子云分布的改變情況，只能機械記憶反應方程式，難以深入理解反應的規律。同樣，在講解可逆反應平衡移動、催化劑作用機制等涉及動態過程的內容時，傳統教學手段的局限性導致學生難以建立起動態的微觀認知體系，影響學生對化學原理的深入理解。

（三）抽象概念理解困境

高中化學中的微觀概念，如物質的量、電子云、活化能等，因其抽象性特點，缺乏直觀的感官認知基礎，學生難以將其與宏觀世界建立直接聯系。同時，化學符號體系與微觀概念之間存在復雜的對應關系，化學方程式、電子式、離子反應式等符號背后蘊含著微觀粒子的行為變化、數量關系與能量轉化過程，學生在學習過程中常常難以準確把握符號與微觀概念之間的內在聯系。以原電池原理教學為例，學生不僅需要理解電極表面發生的氧化還原反應的微觀過程，包括電子的得失、離子的遷移等，還要掌握這些微觀變化如何導致宏觀電流的產生，以及如何通過化學符號準確表征整個過程。多重抽象信息的疊加，使得學生在學習過程中容易產生理解困難，出現概念混淆、符號運用錯誤等問題，導致學習效率低，難以形成系統的微觀化學思維體系。

二、數字化工具在高中化學微觀概念可視化教學中的應用策略

（一）動態模擬軟件的應用

動態模擬軟件以其精準的三維建模與動態演示功能，成為破解微觀概念空間認知障礙的核心工具。例如，在“雜化軌道理論”教學中可以針對sp、 sp² 、sp3雜化軌道的立體構型及成鍵機制，引入Chem3D軟件構建交互式學習場景。教學中，學生通過鼠標操作實現軌道模型的360度旋轉、局部放大及剖面切割，直觀觀察雜化軌道的空間伸展方向——如sp雜化軌道的直線型、 sp² 雜化軌道的平面三角形，以及 sp³ 雜化軌道的正四面體構型，并對比未雜化p軌道的垂直分布特征[2]。軟件特有的“鍵合路徑演示”功能，可逐幀呈現甲烷分子中碳原子2s軌道與2p軌道雜化形成4個等價 sp³ 雜化軌道，與氫原子1s軌道沿對稱軸重疊形成°鍵的全過程，使抽象的“原子軌道重新組合”概念轉化為可視化的空間動態變化。為驗證教學效果，筆者設計對照實驗：實驗班（45人）采用軟件輔助教學，學生可自主調控模型視角并重復觀察成鍵過程；對照班（45人）依賴傳統球棍模型與板書講解。課后測試顯示，實驗班學生在“根據雜化類型判斷分子空間構型”“解釋鍵角與雜化軌道關系”等核心問題上的正確率分別為 88% 、 85% ，較對照班的65% ： 62% 提升顯著。值得關注的是，實驗班學生在繪制 NH₃ 分子三角錐形結構時， 82% 能準確標注N原子 sp³ 雜化軌道中孤電子對的空間占位，而對照班僅有 37% 的學生具備同等認知水平[3]。這表明動態模擬軟件不僅提升了學生對雜化軌道空間形態的直觀認知，更幫助其建立“雜化類型一軌道分布一分子構型”的邏輯關聯，從根本上突破傳統教學中“教師難講、學生難懂”的空間表征困境。

（二）虛擬實驗平臺的實踐虛擬實驗平臺通過參數化調控與微觀過程實時追蹤，為動態化學平衡概念的可視化教學提供了創新路徑。在“弱電解質的電離平衡”單元教學中，依托PhET仿真實驗平臺，構建了醋酸電離平衡的交互式探究環境。學生登錄平臺后，可自主設置醋酸初始濃度（0.1mol/L至1mol/L）、溫度（ 25^°C 至 50^°C ）等變量，實時觀察溶液中 CH₃COOH 分子、H⁺ 與 CH₃COO^- 的動態變化—未電離的醋酸分子以紅色球體表示，電離出的 H⁺ 與 CH₃C00^- 分別以藍色、綠色離子圖標呈現，其運動速率隨溫度升高而加快，濃度變化則通過溶液上方的動態數據柱形圖實時顯示[4]。當學生調節溫度滑塊時，平臺同步演示“電離速率曲線”與“pH值波動曲線”，清晰呈現勒夏特列原理在弱電解質體系中的應用：升溫時，醋酸分子斷裂0-H鍵的動畫頻率增加， H⁺ 濃度數據柱上升，pH值曲線下降，直觀詮釋“電離吸熱，升溫使平衡正向移動”的微觀機制。該教學實踐注重“宏觀現象一微觀數據一符號表征”的三重關聯：學生在觀察離子濃度變化的同時，需書寫對應的電離方程式，并標注△H符號；在探究濃度對平衡的影響時，通過“稀釋溶液”操作，觀察到離子濃度瞬時下降后逐步回升的動態過程，理解“濃度減小相當于減小壓強，平衡向粒子數增多的方向移動”的本質規律。對比實驗顯示，實驗班學生在“解釋同離子效應影響電離平衡”“設計實驗驗證溫度對電離常數的影響”等復雜問題上的得分率達 79% 較傳統演示實驗教學的對照班（ 52% ）提升27個百分點。更值得關注的是，在后續的“難溶電解質溶解平衡”學習中，實驗班學生能快速遷移虛擬實驗中掌握的“變量控制一微觀觀察一規律歸納”方法，自主設計 BaSO₄ 溶解平衡的探究方案，體現出虛擬實驗平臺在培養科學探究能力上的長效價值。

（三）數字孿生系統的場景構建

在高中化學微觀概念教學中，數字孿生系統通過構建與真實物質微觀結構、反應過程等高度一致的虛擬鏡像，為學生提供沉浸式的可視化學習體驗，尤其適用于抽象性強的分子構型、晶體結構、化學反應機理等內容的教學。其核心在于將微觀世界的動態變化以可交互的虛擬場景呈現，幫助學生突破認知局限，建立直觀認知。在分子構型教學中，以“甲烷分子的正四面體結構”相關知識的教學為例，傳統教學中教師多借助球棍模型進行靜態演示，學生難以理解原子間的空間位置關系及鍵角形成原因。數字孿生系統可基于量子化學計算數據，構建甲烷分子的動態孿生場景：學生通過操作終端調整觀察視角，能 360^° 查看碳原子與氫原子的空間排布，放大后可清晰觀察 sp³ 雜化軌道的重疊方式；系統還能模擬不同外力作用下分子構型的細微變化，如在虛擬電場中展示鍵長、鍵角的動態調整過程，并同步顯示能量變化數據。這種場景構建打破了靜態模型的局限，讓學生直觀感受到微觀結構與化學性質的關聯。例如，在講解“氨氣分子的三角錐形結構”相關知識時，孿生系統可對比展示氮原子孤對電子對成鍵電子對的排斥作用，通過動畫模擬孤對電子的空間分布如何導致鍵角小于甲烷，使學生輕松理解價層電子對互斥理論的實際應用。晶體結構教學中，數字孿生系統的場景構建更具優勢。以“氯化鈉晶體”相關知識教學為例，系統可構建包含百萬級原子的三維孿生模型，學生通過縮放操作既能觀察宏觀晶體的幾何外形，又能深入晶體內部查看鈉離子與氯離子的周期性排列。教師可在系統中設置“缺陷模擬”功能，通過引入空位等晶體缺陷，讓學生觀察缺陷對晶體導電性、硬度等物理性質的影響，理解實際晶體與理想模型的差異。在講解離子晶體的熔融過程時，孿生場景能動態演示溫度升高時離子振動幅度的變化：隨著虛擬加熱裝置溫度升高，離子間的相互作用力逐漸減弱，有序排列被打破，系統同步顯示離子運動軌跡的混亂程度變化，幫助學生理解熔融過程中化學鍵的破壞與導電性變化的微觀本質。化學反應機理教學中，數字孿生系統可構建實時響應的反應場景。以“乙酸乙酯的水解反應”相關知識點教學為例，傳統教學中反應的斷鍵、成鍵過程難以具象化，而孿生系統能基于反應動力學數據，分步演示酯鍵斷裂、水分子參與及新化學鍵形成的全過程：學生點擊虛擬反應容器中的乙酸乙酯分子，系統會高亮顯示酯基結構，當加入虛擬的酸或堿催化劑后，可觀察到催化劑如何通過降低活化能促進反應進行，斷鍵與成鍵的能量變化以動態曲線同步呈現。

（四）互動可視化工具的教學融合

互動可視化工具通過實時交互與生成性資源共建，構建了“教師引導一學生探究一協同建構”的新型課堂生態。例如，在“化學反應速率與限度”教學中，教師利用現代教學工具，設計了“微觀碰撞一宏觀曲線”的聯動探究活動。課堂伊始，教師在白板上繪制 H₂ 與 I₂ 反應的速率一時間曲線，拖動“濃度調節”滑塊增加 H₂ 濃度，曲線立即呈現突躍上升趨勢，引導學生思考：“微觀層面發生了什么變化？”學生通過觸控筆在曲線旁標注“有效碰撞頻率增加”，并調用白板內置的“粒子碰撞模擬器”，觀察到紫色 H₂ 分子與黃色 I₂ 分子的碰撞次數隨濃度升高而顯著增多，部分碰撞因角度合適（顯示綠色光效）生成HI分子，直觀理解“濃度影響反應速率的本質是改變單位體積內活化分子數”[5]。在分組探究環節，學生以小組為單位，利用白板的動畫編輯功能，制作“催化劑降低活化能”的動態演示作品：藍色的反應物分子需越過紅色的“能壘”才能生成產物，加入催化劑后，能壘高度下降（顯示橙色漸變），更多分子（由灰色變為綠色表示活化）獲得足夠能量發生有效碰撞。各小組展示作品時，可借助現代教學工具的批注功能互評修改，如標注“活化分子百分數計算錯誤”并實時修正。教師則通過屏幕捕捉功能，將典型作品投射至大屏幕，引導全班分析“催化劑為何不影響平衡移動”。學生在拖拽、標注、互評的過程中，將抽象的反應原理轉化為可操作的可視化成果，既深化了對微觀機理的理解，又提升了協作探究能力，使課堂成為動態生成的知識建構場。

結束語

本研究通過對高中化學微觀概念可視化教學難點的分析，以及數字化工具應用實踐案例的探討，充分證明了數字化工具在突破教學瓶頸、提升教學效果方面的顯著優勢。數字化工具以其獨特的可視化、交互性和沉浸性，有效解決了傳統教學中空間維度認知障礙、動態過程呈現困難、抽象概念理解困境等問題，為學生提供了更加直觀、生動、高效的學習體驗。然而，在數字化工具的應用過程中，也面臨著如設備普及程度不足、教師技術應用能力有待提高、教學資源與實際教學需求匹配度需優化等挑戰。因此，學校應進一步加強數字化教學資源的開發與整合，提升教師的信息技術應用能力，探索更加科學合理的數字化教學模式，推動高中化學教學質量的持續提升。

參考文獻

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[3]張敏.數字化教學平臺助力高中化學教學轉型實踐研究[].中國新通信，2024，26(13):218-220，96.

[4]曾小紅.基于云平臺的高中化學項目式學習實踐與探索[J].中學化學教學參考，2024(8):4-7.

[5]王麗紅.合理借助數字化實驗幫助學生理解離子反應實質].中國教育技術裝備，2024(3):119-122.