信息技術與化學實驗融合的四種方式

成斌斌

摘要： 化學實驗和信息技術深度融合能有效幫助學生探究實驗的動態過程，理解微觀變化，并依據實驗現象進行抽象概括，總結規律。教師可采用電鏡技術、DIS實驗、仿真實驗等與傳統實驗相融合，并使用線上平臺對實驗進行評價，提高學生的化學學科核心素養。

關鍵詞：化學學科核心素養;實驗教學;信息技術;融合教學

課堂教學與信息技術深度融合，正在促進學校教育的結構性變革。將信息技術有效地融合于學科教學過程，營造信息化教學環境，助力學生“自主、探究、合作”學習，既能充分發揮教師主導作用又能充分凸顯學生主體地位，加快教與學方式的轉變。對化學學科而言，在課堂教學中，將傳統實驗和信息技術相融合，能有效幫助學生更好地探究實驗的動態過程，理解化學實驗過程中物質的微觀變化，并依據實驗現象進行抽象概括，從而對物質的性質及其變化進行一般規律性的總結，提高學生的化學學科核心素養^[1]。實驗教學的目的不僅是驗證理論，還要培養學生的科學素養，讓他們學會正確使用儀器設備，提高測試、調整、分析、綜合和設計實驗方案及編寫實驗報告的能力。目前，信息技術與教學的融合多用于改變“教與學的環境”及“教與學的方式”。筆者通過營造新的“教與學的環境”，從實驗教學與信息技術融合的視角探究了如何利用信息技術改進化學實驗教學，改進“教與學的方式”。

一、電鏡技術與傳統實驗相融合

（一）電子顯微鏡及其功能

電子顯微鏡，簡稱電鏡，由鏡筒、真空裝置和電源柜三部分組成。電子顯微鏡技術的應用是建立在光學顯微鏡的基礎之上的。光學顯微鏡的分辨率為0.2 μm，透射電子顯微鏡的分辨率為0.2 nm。也就是說，透射電子顯微鏡在光學顯微鏡的基礎上放大了1000倍。

電子顯微鏡按結構和用途可分為透射式電子顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、反射式電子顯微鏡和發射式電子顯微鏡等。透射式電子顯微鏡常用于觀察那些用普通顯微鏡難以分辨的細微物質結構;掃描式電子顯微鏡主要用于觀察固體表面的形貌，也能與X射線衍射儀或電子能譜儀相結合，構成電子微探針，用于分析物質成分;發射式電子顯微鏡用于研究自發射電子表面。目前，電鏡技術在物理學領域常被應用于研究“分子和原子形態”“晶體薄膜位錯和層錯”“表面物理現象”等。在化學領域電鏡技術常被應用于研究高分子結構和性能，一些有機復合材料的結構形態和添加劑的研究，催化劑的研究，如各種無機物質性能、結構的研究，一些化學反應過程的研究等。

（二）案例解析：用電鏡技術觀察物質在水中的分散

教師提問：泥土、蔗糖、食鹽、植物油在水中的分散現象是否相同？為引導學生解答上述問題，教師利用技術手段進行演示：借助電子顯微鏡將泥土、蔗糖、食鹽、植物油在水中的分散過程放大1000倍以上進行觀察并錄制成視頻或制作圖片（如圖1和圖2）。

教師帶領學生對觀測的內容進行歸納。泥土、植物油在水中分散后形成的是濁液，蔗糖、食鹽在水中分散后形成的是溶液。溶液均衡穩定，濁液不均衡、不穩定。懸濁液中分散的是固體小顆粒，乳濁液中分散的是小液滴，這些顆粒和液滴大小不一，且分布極不均勻。同時，固體小顆粒由于重力作用，易下沉。小油滴一旦融合容易形成更大液滴從而上浮，因此濁液不穩定。溶液中的粒子在顯微鏡下不可見，是更小的微粒。

教師借助信息技術，將電子顯微鏡用于實驗觀察，使“不可見”變為“可見”，幫助學生從宏觀特征和微觀本質兩個方面對溶液和濁液進行觀察、分析。教師通過傳統實驗幫助學生從宏觀上對溶液、懸濁液、乳濁液的均一性與穩定性進行辨識，借助電子顯微鏡技術幫助學生從微觀上對三種體系中分散的分子或離子、固體小顆粒、液體小液滴進行微觀辨析。這樣教學能使學生對溶液“均一、穩定”的特征理解得更深刻，對三種分散系的不同分散形式區分得更清楚。在傳統教學與信息技術融合的環境下，教師帶領學生體會科技發展給科學研究帶來的助力，掌握探究微觀世界的一般方法，提高了其“宏觀辨識與微觀辨析”的化學學科核心素養。

二、DIS實驗與傳統實驗相融合

（一）DIS及其特點

DIS（Digital Information System）實驗是數字化信息系統實驗的簡稱，包括微型計算機、傳感器、數據采集器和軟件。DIS實驗的特點與優勢是能快速、準確、動態采集信息，并實現數字化顯示，智能化分析處理數據，避免偶然誤差。

（二）案例解析：確定中和反應的發生并測定溫度變化

教師向滴有酚酞溶液的氫氧化鈉溶液中不斷滴加稀鹽酸（邊滴邊攪拌），至紅色恰好變成無色（如圖3），并在反應前后分別測定溶液的初溫和末溫。

教師帶領學生分析傳統實驗的不足：①重復操作，耗時長，如操作者耐心不足，易滴加過量;②酚酞溶液“紅色恰好變成無色”不代表恰好完全反應，易使人造成錯誤理解;③實驗過程中溫度只升高，易導致觀測者對溫度變化認識不全面。

教師使用DIS改進傳統實驗：將150 mL稀氫氧化鈉倒入燒杯中，將pH傳感器和溫度傳感器均放入溶液中;打開磁力攪拌器，啟動軟件;用滴定管向燒杯中滴加稀鹽酸，繪制pH變化曲線（如圖4）和溫度變化曲線（如圖5）。

在實驗教學中，教師用滴定管滴定，用磁力攪拌器攪拌，大大縮減了實驗時長，借助DIS繪制曲線有利于學生動態理解反應的發生及反應帶來的各種變化。在技術支持下，均速滴定等以前人工難以精準控制的操作得以實現，系統呈現的數據變化不僅包括變大、變小或不變三種狀態，還可以表征變化速率，因而有利于學生深入學習和思考。教師將DIS與傳統實驗相融合，幫助學生建立了化學學科核心素養中的“變化觀念”，使其體會化學變化的多因素、多角度、多層次。

三、仿真實驗與傳統實驗相融合

仿真實驗沒有普通意義上的實驗必備器材，而是在計算機上用仿真軟件模擬現實的效果，用軟件模擬實驗條件，通過圖形化界面展現實驗過程，同時運用一定的編程達到模擬現實的效果^[2]。需要強調的是并非所有化學實驗都適用融合仿真實驗進行教學，它主要適用以下實驗。

（一）肉眼無法觀測的分子、原子水平上的實驗

計算模擬已成為化學研究的重要手段，一方面由于現有的測量手段多是間接測量，需要做理論與計算解釋，另一方面理想的實驗條件無法真正實現。教師使用量子化學計算和分子模擬手段，可以幫助學生從分子層次上理解化學物質的結構—性能關系，以及動力學性質和反應特性。本校教學團隊建立了“分子水平上的虛擬仿真實驗”平臺，依托“電子密度泛函理論與應用”“高分子物理實驗”等課程，設計了10多個模擬仿真實驗項目活動。下面結合案例“Flash動畫模擬物質溶解的微觀過程”進行闡述。教師提問：在乳化劑的乳化下，植物油在水中的分散發生了哪些變化？（學生填寫實驗任務單，見表1）

教師播放動畫模擬洗滌劑乳化植物油的微觀過程（如圖6）。

教師帶領學生一起歸納：乳化時，振蕩使大油滴變成小油滴，乳化劑包裹在小油滴周圍，阻止小油滴相互融合，細小的油滴均勻分散在水中，體系相對均一穩定。油滴在顯微鏡下清晰可見，仍是乳濁液。

教師借助信息技術，用動畫模擬乳化的微觀過程，并將宏觀實驗與動畫模擬相結合，能幫學生更好地理解乳化的過程和原理，從而對溶解與乳化的本質進行辨析，強化了學生的“宏微結合”意識，有利于他們建立化學概念。

（二）有毒、有害等不便在課堂上實際操作的實驗

視頻可對教學起重要補充與擴展作用，教師通過虛實結合，可以獲得良好的教學效果。為便于學生對實驗進行深入理解并系統完整地了解實驗項目所涉及的相關知識，教師可將經典的、富有特色的實驗項目素材制作成視頻，如制作工業上高爐煉鐵的生產視頻、污水處理廠的污水處理視頻等。這樣做是大有裨益的：既充實實驗教學內容，又方便學生了解實際的生產過程。

對于一些所需設備龐大、費用高昂難以在教室中開展的實驗，教師構建仿真的虛擬實驗環境（如圖7和圖8），讓學生通過人機交互完成一個教學實驗過程的各個環節，包括樣品前處理、儀器參數設置、整個測試過程操作、數據處理等，能夠使學生對這些大型儀器的工作原理及操作規范有個基本了解。

對于已用于教學的實驗儀器，教師可以通過虛擬仿真技術來進一步擴展教學內容。在項目式學習過程中，學生可以利用虛擬仿真技術對所設計的項目產品進行組裝、測試、調試和改進，并最終進行較為真實的展示。這樣，既避免了在真實實驗中進行測試和調試所產生的資源浪費、環境污染，又能激發學生的實驗設計熱情，增強學生的科學探究能力，發揚不斷探索的科學精神。

四、線上平臺與實驗評價相融合

互聯網的發展使學生的學習方式更加多元。對于化學實驗教學，教師可以利用網絡平臺，將整理好的文字、圖片、視頻等資料上傳云平臺后，供學生掃描二維碼觀看，或讓學生自行搜索更多相關信息進行整合理解。在課堂教學中，教師可以利用局域網，讓學生即時上傳實驗設計方案等個人成果，實現“限時分享、即時點評”。此外，教師還可以用iebook、flash、webex等整合文字、圖片、動畫、視頻制作實驗方案、實驗操作、儀器使用的電子書，通過發布在線雜志，在多個平臺進行傳播，為校內外學生提供全新的數字媒體學習平臺和重要的學習資料^[3]。

總之，信息技術與實驗教學有效融合能有效支撐傳統實驗，提高實驗教學效果，提升學生科學素養。信息技術的應用能幫助學生在化學學習中輕松走進生產生活。教師應鼓勵學生自主探究，并及時跟進學生的學習過程，讓學生從實驗中學習知識、建立科學精神與觀念，掌握科學探究與學習的方法。

參考文獻

[1] 邸得志.信息技術在化學實驗教學中的有效運用探研[J].成才之路，2021（14）：98-99.

[2] 黃巧文.虛擬實驗在化學教學中的應用實踐[J].學苑教育，2021（14）：79-80.

[3] 阿卜杜拉·玉蘇普，章聚寶，買買提·買吐奴熱，等.新冠肺炎下“互聯網+”教育模式的化學教學現狀調查研究[J].廣州化工，2021（10）：162-164.

（作者系江蘇省蘇州文昌實驗中學校教師）

責任編輯：祝元志