高中化學可視化教學實踐探索

楊藝

摘? ?要： 高中化學可視化教學利用現代信息技術和信息資源，以知識可視化和思維可視化為手段，將抽象、隱形、復雜的知識內容具體化、顯性化、形象化，有利于發展學生化學核心素養，并促進信息技術與化學課程的深度融合。基于此，文章以高中化學“電解質”的相關內容為教學背景，設計了運用導電測試儀、手持技術和思維導圖三種不同形式的可視化課堂教學，以期實現技術與教學的深度融合，探索高中化學課堂教學可視化的途徑和效果。

關鍵詞： 信息技術；高中化學；可視化教學

一、可視化教學的內涵與價值

1.可視化教學的內涵

“可視化”的英文是“Visualization”，意思是“視覺化，可看見的”?？梢暬虒W（Visual Instruction）研究如何利用圖形圖像、動畫視頻等視覺表征手段以及思維導圖、知識地圖等視覺認知輔助工具，將抽象的教學內容具體化，并經由相應的教學活動內化為學習者認知結構。1

本研究中的可視化教學是指從可視化的角度，在信息化環境中利用現代信息技術和信息資源，以知識可視化和思維可視化為手段，將抽象、隱性、復雜的知識和教學內容具體化、顯性化、形象化，并通過課堂教學活動進行知識的傳播與創新，轉化為學生已有認知。

高中化學可視化教學是指在信息化教育發展的背景下，在高中化學課堂中借助信息技術手段實現教學知識可視化、學生思維可視化，以達到可視化教學目的的雙邊教學活動。首先，作為一種教學媒體，信息技術能夠為可視化教學提供各類教學資源和教學工具，有助于呈現圖文并茂的教學內容，幫助教師建立信息技術與可視化教學的融合，拓展教學內容；教學設計的呈現形式由文字敘述向圖示設計轉變，便于教師設計教學，多維度促進可視化教學目標的實現。其次，信息技術為學生提供多樣化的學習方式，直接呈現教學情境，刺激學生神經元，與已有認知經驗建立聯系，能夠啟發學生思考，從而促進學生對知識的理解，建立知識網絡結構。

2.高中化學可視化教學的重要性

高中化學課堂教學可視化是運用各種途徑，將教學信息、教學知識、思維方法等內容用圖形、圖片的方法呈現出來，通過視覺刺激支持學生知識理解和建構。吉米·布洛諾（Jerome Bruner）從實驗中發現，人們可以記住自己看到的約80%的信息2，因此，課堂教學中合理運用視覺刺激可以提升學生對于教學信息的關注，有利于提高課堂教學有效性。課堂教學不僅是知識的傳遞，更需要注重培養學生的綜合素養。通過圖形動態變化過程、信息數據量化的比較、思維導圖的設計等可視化方法，可以有效啟發學生思考，培養學生觀察能力，提高學生創新精神和實踐能力。

高中化學的學習內容主要注重微觀過程變化的理解，學生在學習過程中常需要用微觀變化過程解釋宏觀現象性質，這一學習過程體現培養學生“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養。但是學習中的微觀世界是人肉眼無法看到的，雖然在教學中有了許多微觀粒子模型可以供學生學習，但是在大多數傳統的高中化學課堂教學中，還有學生無法觀測到的很多微觀變化過程，只能依靠自身想象和教師講解進行學習，難以提高學生的學習興趣和課堂教學的有效性。

二、高中化學可視化教學實踐

高中化學可視化教學主要是通過可視化技術將教學中的知識和信息進行可視化呈現，實現知識的可視化視覺表征，完成可視化教學為核心的教學任務，培養學生的化學學科核心素養。本文選取“電解質”的相關內容，進行了運用導電測試儀、手持技術和思維導圖三種不同形式的課堂教學可視化實踐探索。

1.運用導電測試儀的可視化實踐

高一化學“電解質的電離”屬于上?？茖W技術出版社（滬科版）教材第二章第二節內容。在本節教學內容中，學生需要從微觀角度理解物質在水溶液中的微粒形式。由于學生還未學習物質結構等微觀認知內容，所以需要從實驗現象中獲取證據，并運用證據推理出物質在水溶液中的微粒形式，加強對于電離的理解，學會從微觀角度認識物質，為之后學習必修階段的“從微觀角度學習物質間的反應”打下基礎。

在“電離”的教學環節中，學生需要觀察物質導電性實驗現象，分析明確的證據，證明物質在水溶液中或者熔融狀態條件下是否產生自由移動的離子，加強對于電解質電離的理解。通常實驗室傳統儀器是電解質溶液導電演示器（見圖1），學生可通過該演示器上燈泡的亮暗或燈泡的亮度為現象依據來判斷溶液是否導電或溶液的導電性強弱。但是在使用該顯示器進行實驗的過程中存在如下一些問題：首先，該顯示器的電阻較大，溶液導電能力較弱的時候無法正確顯示證據讓學生判斷。例如，用該顯示器測蒸餾水導電性的時候燈泡不亮，該現象會誤導學生認為蒸餾水不導電、蒸餾水中不存在可自由移動的離子，但是根據已有知識可知該結論是錯誤的。其次，根據電解質的概念，電解質的電離可在水溶液或熔融狀態下進行，顯然該演示器無法在熔融狀態下進行實驗，這讓學生在對“電解質”及“電解質的電離”的概念理解中容易因為證據不全而產生理解不清晰的現象。最后，該顯示器通過燈泡亮的程度將導電性強弱可視化，但是并不能清晰量化展示，同時燈泡亮的程度受到環境、學生視力等各方面因素影響。

因此，本節課堂教學中選用“導電測試儀”（見圖2）重新設計實驗，課堂教學信息得以清晰可視化，使學生可基于更多準確實驗現象進行微觀分析。導電測試儀上的黑色按鈕是開關，這個開關下面有一排指示燈，做實驗的時候我們需要先按住這個開關，然后把儀器插入物質中，如果物質不導電，那么指示燈不亮，如果物質可以導電，指示燈會亮起來，且個數會有不同。課堂中運用“導電測試儀”設計的相關實驗如下：

實驗1（教師演示實驗）：按住導電測試儀開關，插入蒸餾水中，觀察現象，并向蒸餾水中加入少量蔗糖，觀察加入蔗糖前后指示燈的變化，同時思考產生現象的原因。

實驗2（學生分組實驗）：按住導電測試儀開關，分別插入同體積、同濃度的鹽酸和醋酸溶液中，觀察導電測試儀指示燈變化情況并思考產生現象的原因。

實驗3（教師演示實驗）：按住導電測試儀開關，分別插入固態氯化鈉以及熔融態的氯化鈉中，觀察導電測試儀指示燈變化情況并思考產生現象的原因。

運用“導電測試儀”檢測物質導電性會觀察到不同的實驗現象（見圖3）。在不同現象中，學生可以觀察并記錄指示燈是否亮以及指示燈亮的個數，并根據這些量化的現象分析導電的原因、發生的微觀過程變化，從而更清晰地理解“電解質的電離”的概念以及電離的微觀過程。

運用“導電測試儀”將課堂實驗中的電離程度等實驗現象通過燈泡亮的個數可視化地展現出來，較之前的“電解質溶液導電演示器”更為直觀清晰。而且手持式的儀器也便于學生實驗操作。在此過程中，通過蒸餾水也可使燈泡亮起的現象突破了學生已有知識水平，產生認知沖突，提升了學生的學習興趣以及實驗操作和觀察能力，同時學生通過物質導電性實驗現象觀察，也培養了通過證據分析歸納的能力。

2.運用手持技術的可視化實踐

高中化學教學中的重點之一是讓學生了解各種微粒，并理解微觀世界中結構決定性質的思想，從而理解各類宏觀現象和各類化學反應的實質。微粒是學生在學習過程中難以通過肉眼直接觀察的，大多需要借助模型或者教師推理演說，理解起來相對比較困難。學生學習了強弱電解質以及電解質的電離之后，將繼續學習弱電解質的電離平衡，弱電解質的電離也是高中重要的微觀概念，不同于其他有明顯宏觀現象變化的化學反應，學生無法親眼看到，所以學生對于電離平衡的理解容易產生障礙。而證據推理是認識物質及其變化的重要方法，所以“弱電解質的電離平衡”需要借助儀器將電離平衡的建立和移動過程可視化，將弱電解質的電離平衡以圖形的形式呈現平衡移動的動態微觀過程，幫助學生提供證據。

手持技術通過數據采集和量化呈現的形式，動態呈現曲線圖像，在教學過程中有助于學生可視化、具象的理解化學中的微觀世界，有助于學生通過分析、推理等方法認識微粒的性質以及微觀變化的過程。

因此，在“電離平衡”教學過程中選擇運用“手持技術”的pH值傳感器將電離平衡移動的微觀變化過程可視化，以此方式突破教學中的重難點。傳感器將溶液的pH值動態展現，學生在課堂中可以直接觀察分析曲線的變化情況，有利于加深印象和理解電離平衡。本節課的難點是學生對于醋酸溶液中加入醋酸鈉固體后溶液pH值增大的原因產生沖突，要通過實驗設計消除干擾因素，運用控制變量的思想進行實驗設計，并說出實驗設計假設對應的現象和結論。隨后教師再次運用pH值傳感器進行實驗驗證。學生根據同時存在的兩個影響因素，設計實驗：在同濃度同體積的醋酸溶液中加入醋酸銨固體作對照實驗，消除醋酸鈉溶解后水解成堿性這一影響因素干擾，探究電離平衡中同離子效應對于電離平衡的影響。學生根據pH值曲線（見圖4）變化分析實驗設計是否合理以及之前試驗中醋酸溶液pH值增大的主要原因。注重實驗事實，從微觀角度理解電離平衡。

運用手持技術將“不可見的電離平衡”這一微觀變化過程以圖像曲線形成的方式讓學生看到電離平衡移動的過程。建構主義理論提出在學習某個新概念的過程中，學習者往往會與原有認知產生矛盾沖突而產生困惑心理，只有突破矛盾認知才能讓學習者重建知識結構。1 手持技術通過直觀呈現微觀變化過程，直觀量化比較微粒的變化情況，幫助學生突破新概念的理解障礙，幫助學生獲取信息，在小組討論中提升學生基于證據的推理能力、小組合作交流的能力。

3.運用思維導圖的可視化實踐

高中化學教學要求宏觀與微觀的聯系、證據的采集分析等，實際是注重學生內在邏輯思維能力的培養。電解質是高中化學最為重要的理論知識之一，高中化學電解質及其相關體系概念有電解質、強弱電解質、電解質的電離、電離方程式、弱電解質的電離平衡。在后續的水溶液反應以及選擇性必修中的各類平衡移動都需要理解電解質的概念、電解質的判斷以及電解質的電離這些內容?？梢姼咧谢瘜W中圍繞電解質展開的相關概念多且復雜，是高中微觀學習中的主要和重要內容，需要學生重點掌握理解。如果學生孤立學習每個概念，未建立內在聯系，那么將不利于電解質這一單元的系統性學習理解。奧蘇泊爾提出，有意義的學習理論，在教學過程中，學生需要將新舊知識之間建立一定的邏輯關系，發現知識之間的實際聯系，才能成為有意義的學習。2 為了幫助學生將一系列復雜的概念轉化為自己的內部知識，提升課堂有效性，教師嘗試將電解質的電離教學課堂板書運用思維導圖形式呈現。思維導圖是一種將信息轉化為知識的可視化工具。通過思維導圖，學生可以厘清概念之間的內在關系，建立合理的邏輯關系，將思維過程以圖形形式清晰地呈現出來。電解質的思維導圖，見圖5。

圖5中的思維導圖闡明電解質概念的重點以及物質的分類依據，以圖形的形式說明清楚電解質及其相關概念之間的邏輯關系，可以幫助學生理解電解質這一新概念。有利于學生在之后的學習中遷移運用電解質及相關概念，也可以提升學生的學習興趣。同時，圖5的思維導圖也可以在后續學習中繼續完善，將已經學習的化合物的分類進行交叉繪制，將多個知識串聯在一起。在后續的學習過程中，學生可以自己設計完善概念的思維導圖，在設計的過程中，學生需要復習電解質及電離的概念，并整理歸納，這也可培養學生良好的學習習慣、歸納整理的能力以及思維邏輯能力。

三、高中化學可視化教學的啟示及建議

1.可視化教學的啟示

（1）可視化教學能夠發展學生思維能力

將可視化教學策略應用于化學教學中，能夠有效提高學生成績，其中的圖示技術將學生的思維路徑可視化，有助于教學環節循序漸進地進行，時刻注重學生的主體地位，促進學生自主學習，通過小組合作的學習模式，激發思維的碰撞，提高學生在學習過程中解決問題的能力。

（2）可視化教學能夠提升教學效能

從方法技術層面上看，運用思維可視化技術可以有效促進化學知識結構化，將抽象信息形象化、復雜信息簡單化，突出課堂重點，為教師教學提供支架。經實踐后發現，可視化教學也在潛移默化地影響著教師教學的思維模式，優化教師教學體系，提升教學效能。

（3）可視化教學能夠促進知識系統化

在化學教學中，知識概念抽象且繁雜，經實踐發現，可視化教學可以將語言信息和鮮明直觀的圖示結合起來，降低部分抽象語言信息的認知負荷，從而突破知識之間的屏障。同時，借助思維可視化技術將知識體系進行重組，激發學生深層思維的發展，幫助學生找到知識的邏輯關聯，及時地進行知識串聯，引導學生思維的發展，建立系統性的化學知識。

2.可視化教學的建議

（1）加強教師培訓

可視化教學策略實質在于構建知識體系，引導學生深入思維層面，這對新手教師有很高的要求。新手教師不僅要深入挖掘教材中的專業知識，還要學習新的教育技術，做到知識與技術融會貫通。這就需要學?；蛴嘘P教育部門開展可視化教學的培訓課程，有目的、有計劃地進行培訓，只有打好先進的教學理念的理論基礎，教師才能靈活地應用于教學實踐。

（2）豐富教學裝備

信息化社會一直在推動教學發展，學校教學的硬件設施一定程度上限制了可視化教學策略在化學教學中的應用。雖然教師可以在課上利用軟件技術展示微觀結構，但學生卻無法實時與教師互動，這會降低學生的積極性，從而影響學習效果。因此，學校需要配備必要的基礎設施，例如通用版的模擬實驗室、電子白板、智慧教室等教學設施，這類設備的充分利用會極大程度上地促進可視化教學策略的應用。

Explorating the Practice of Visualization in High School Chemistry Teaching

YANG Yi

（High School Affiliated to Shanghai Normal University， Shanghai， 200124）

Abstract： Visualization in high school chemistry teaching uses modern information technology and information resources to make abstract， invisible and complex knowledge content concrete， explicit and visualized by means of knowledge visualization and thinking visualization. It is conducive to the requirements for the development of students chemistry core literacy， and promotes the deep integration of information technology and chemistry curriculum. Based on this， this paper takes the relevant content of “electrolyte” as the basis of classroom teaching， and designs three different forms of visualization in classroom teaching by using conductivity tester， handheld technology and mind mapping in order to achieve the deep integration of technology and teaching and explore the ways and effects of visualization in high school chemistry classroom teaching.

Key words： information technology， high school chemistry， visualization in teaching