以素養為基礎的高中化學實驗現象和過程可視化研究

摘 要：核心素養是化學學科的重要培養內容，也是推動教改的重點.而實驗現象與過程可視化是優化學生學習模式的有效手段.經由智能手機，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動學生的學習自主性和參與性.首先對現象與過程可視化內涵進行了簡析，然后介紹了可視化實驗設計原則，最后探究可視化實驗設計策略，并進行了實驗反思.

關鍵詞：可視化;化學實驗;高中化學

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，化學學科核心素養培養至關重要，它是學生日常學習和生活中表現出來的一種探索問題的能力，絕非成績所能體現的.實驗教學可增強學生的動手操作能力，引導學生將理論知識靈活應用到實踐活動中，學習有用的化學思想，從而提高學科核心素養.

一、現象與過程可視化內涵簡析

知識可視化最早出現在2004年，從最初的科學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，這是一種現代化研究方法.現象與過程可視化隸屬知識可視化這一大范疇，其內涵主要體現在下述兩點：其一，現象與過程可視化概念中的現象能夠展現出微觀本質層面的化學變化，人們經由視覺能夠直接看到，但過程則指代事物發展歷程，具體是化學實驗現象由發生至變化的一系列經過.知識可視化一般經由某種方式中過程與現象可視化來達成，基于化學領域，現象和過程可視化能夠讓觀察者進一步深入觀察化學反應.由此可知，可視化技術增加了實驗現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.經由實驗現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沉重.當學生出現疲憊、厭倦和吃力的問題時，表明其認知負荷超出工作記憶限制，最終的學習效率不會很高.而現象與過程可視化能夠降低記憶難度，深化關聯性認知，以此提升學習效果.

二、可視化實驗設計原則

1.能順利達成教學目標

為迎合人才發展需求，教育改革基于教學目標進行了調整，從基礎學科知識學習、技能提升延伸至三維目標，當前又上升至五維教育目標，更加強調核心素養培養.而可視化實驗則應以此為基礎，在具體的實驗過程，應保證所做實驗在目標達成中具有推動性作用.

2.實驗原理符合學生認知

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

3.便于觀察和操作

依照實驗內容和標準，選擇適宜的拍攝觀察方式，通常應用智能手機和微距鏡頭加以觀察.若觀察反應速率偏快或者偏慢的實驗，建議調慢播放速度，以便觀察完整、具體的實驗細節.待完成拍攝任務以后，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，展現化學現象的獨特美，保證教學活動的正常開展.

三、可視化實驗設計策略

在整個高中化學教學活動中，濃硫酸極具代表性，且十分重要，研究其相關性質可促進學生在硫單質與化合物方面的理解，要求廣大學生務必要學習好本節內容.在本節內容中，學生應熟悉濃硫酸的相關性質，掌握其根本用途，深化學生在觀察探究和綜合運用方面的能力.通過濃硫酸性質內容的學習，建立實驗安全觀念.

以往所進行的濃硫酸實驗在吸水性環節會花費較長的時間，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，將化學實驗現象清晰化和直觀化，能夠讓學生得到直觀體驗，掌握更多樣的細節信息，研究微觀世界，進而實現素養培養目標.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，其左下角出現透明絲狀液體，在蔗糖表面出現淺黃色晶狀體，1～5min時，蔗糖開始融化，液體黃色一點點變深，呈現出黃褐色，另外蔗糖晶體對角的位置出現深黃色絲狀物;5～15min時，周邊液體出現黑黃色，在邊緣出現脫離現象，并生成黑色液體;15～25min蔗糖表面變黑，晶體表面開始發黃，其內部呈現透明狀，在晶體附近還會出現大量的黑黃色絲狀物，晶體變成小球體;25～30min時，出現亮黃色晶體，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，讓待測物完全處于液體中.在反應初始階段，經由智能手機屏幕加以觀察，不斷對焦，適當調整光線，大約50min完成錄像.為便于描述，筆者將反應過程劃分成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，經由揮發變成水.

其三，吸水性實驗.將硫酸銅放置在干凈的表面皿內，經由對焦讓待測物完全呈現在手機屏幕內，進行錄像，利用滴管把濃硫酸滴至表面皿內，讓待測物完全處于液體中.在反應的初始階段，經由智能手機屏幕對實驗現象進行觀察，不斷對焦，適當調整光線，大約40min完成錄像.為便于描述，把反應過程劃分成5個時期，經由觀察得出，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

過程與現象可視化將實驗現象進行了放大，學生經由微距鏡頭來觀察，能夠看到平常肉眼看不到的內容.雖然濃硫酸是一個較為簡單的實驗，但是能夠觀察到具體、完整的實驗現象，得到直觀體驗，形成深刻印象.綜上可知，現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，能夠為學生帶來視覺沖擊，深化學生的記憶，了解濃硫酸的基本特性，幫助學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用到課堂教學中，相對簡單的實驗也可引導學生自主拍攝，這是學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，學生能夠自主操作.

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

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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，中學一級教師，從事高中化學教學研究.