數(shù)字化工具在高中化學(xué)微觀概念可視化教學(xué)中應(yīng)用的策略研究

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版2020年修訂，以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）明確指出，教師應(yīng)借助現(xiàn)代信息技術(shù)優(yōu)化教學(xué)，尤其在微觀概念教學(xué)中，需通過動(dòng)態(tài)模擬、虛擬實(shí)驗(yàn)等手段突破空間與動(dòng)態(tài)認(rèn)知障礙。教育部《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》亦強(qiáng)調(diào)，要推動(dòng)人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)在教育教學(xué)中的規(guī)?；瘧?yīng)用，為化學(xué)微觀概念可視化教學(xué)提供了政策導(dǎo)向。深入研究數(shù)字化工具在高中化學(xué)微觀概念可視化教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐，對提升化學(xué)教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過技術(shù)賦能，不僅能破解傳統(tǒng)教學(xué)中空間表征模糊、動(dòng)態(tài)過程缺失、符號關(guān)聯(lián)斷裂等難題，更能引導(dǎo)學(xué)生從被動(dòng)接受知識轉(zhuǎn)向主動(dòng)建構(gòu)微觀認(rèn)知體系。這既符合《課程標(biāo)準(zhǔn)》對“借助現(xiàn)代信息技術(shù)優(yōu)化教學(xué)”的要求，也為培養(yǎng)適應(yīng)數(shù)字化時(shí)代的創(chuàng)新型人才提供了實(shí)踐路徑。

一、高中化學(xué)微觀概念可視化教學(xué)的難點(diǎn)

（一）空間維度認(rèn)知障礙

高中化學(xué)微觀概念中的分子立體構(gòu)型、晶胞堆積模式等內(nèi)容，具有顯著的空間維度特征，要求學(xué)生在腦海中構(gòu)建三維立體認(rèn)知模型，精準(zhǔn)把握原子間相對位置與空間關(guān)系。在傳統(tǒng)教學(xué)場景下，教師多依賴二維圖示、靜態(tài)球棍模型等教具開展教學(xué)。例如，在講解甲烷分子結(jié)構(gòu)時(shí)，二維圖示只能呈現(xiàn)平面化的結(jié)構(gòu)示意圖，無法直觀展現(xiàn)氫原子在空間中的對稱分布情況，導(dǎo)致部分學(xué)生錯(cuò)誤地將其理解為平面構(gòu)型；而靜態(tài)球棍模型雖具備一定立體展示效果，但無法動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)原子間角度變化過程，學(xué)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(rèn)知雜化軌道理論在分子空間構(gòu)型形成中的作用機(jī)制[1]。此外，對于復(fù)雜的蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)、石墨晶體的層狀堆積等內(nèi)容，傳統(tǒng)教具更難以全面展示其空間特征，使得學(xué)生在空間維度的認(rèn)知構(gòu)建上存在較大障礙。

（二）動(dòng)態(tài)過程呈現(xiàn)困難

化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是微觀粒子間的相互作用與變化，這一過程具有瞬時(shí)性與動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)。然而，在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師主要通過語言描述、板書圖示等方式講解反應(yīng)機(jī)理，難以將微觀粒子碰撞、化學(xué)鍵斷裂與形成、電子轉(zhuǎn)移等動(dòng)態(tài)過程完整且直觀地呈現(xiàn)出來。以酯化反應(yīng)為例，學(xué)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(tài)板書，學(xué)生無法真實(shí)感知反應(yīng)過程中分子構(gòu)象的動(dòng)態(tài)變化、化學(xué)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(jī)械記憶反應(yīng)方程式，難以深入理解反應(yīng)的規(guī)律。同樣，在講解可逆反應(yīng)平衡移動(dòng)、催化劑作用機(jī)制等涉及動(dòng)態(tài)過程的內(nèi)容時(shí)，傳統(tǒng)教學(xué)手段的局限性導(dǎo)致學(xué)生難以建立起動(dòng)態(tài)的微觀認(rèn)知體系，影響學(xué)生對化學(xué)原理的深入理解。

（三）抽象概念理解困境

高中化學(xué)中的微觀概念，如物質(zhì)的量、電子云、活化能等，因其抽象性特點(diǎn)，缺乏直觀的感官認(rèn)知基礎(chǔ)，學(xué)生難以將其與宏觀世界建立直接聯(lián)系。同時(shí)，化學(xué)符號體系與微觀概念之間存在復(fù)雜的對應(yīng)關(guān)系，化學(xué)方程式、電子式、離子反應(yīng)式等符號背后蘊(yùn)含著微觀粒子的行為變化、數(shù)量關(guān)系與能量轉(zhuǎn)化過程，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中常常難以準(zhǔn)確把握符號與微觀概念之間的內(nèi)在聯(lián)系。以原電池原理教學(xué)為例，學(xué)生不僅需要理解電極表面發(fā)生的氧化還原反應(yīng)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(dǎo)致宏觀電流的產(chǎn)生，以及如何通過化學(xué)符號準(zhǔn)確表征整個(gè)過程。多重抽象信息的疊加，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易產(chǎn)生理解困難，出現(xiàn)概念混淆、符號運(yùn)用錯(cuò)誤等問題，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率低，難以形成系統(tǒng)的微觀化學(xué)思維體系。

二、數(shù)字化工具在高中化學(xué)微觀概念可視化教學(xué)中的應(yīng)用策略

（一）動(dòng)態(tài)模擬軟件的應(yīng)用

動(dòng)態(tài)模擬軟件以其精準(zhǔn)的三維建模與動(dòng)態(tài)演示功能，成為破解微觀概念空間認(rèn)知障礙的核心工具。例如，在“雜化軌道理論”教學(xué)中可以針對sp、 sp² 、sp3雜化軌道的立體構(gòu)型及成鍵機(jī)制，引入Chem3D軟件構(gòu)建交互式學(xué)習(xí)場景。教學(xué)中，學(xué)生通過鼠標(biāo)操作實(shí)現(xiàn)軌道模型的360度旋轉(zhuǎn)、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(gòu)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(xiàn)甲烷分子中碳原子2s軌道與2p軌道雜化形成4個(gè)等價(jià) 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(zhuǎn)化為可視化的空間動(dòng)態(tài)變化。為驗(yàn)證教學(xué)效果，筆者設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)班（45人）采用軟件輔助教學(xué)，學(xué)生可自主調(diào)控模型視角并重復(fù)觀察成鍵過程；對照班（45人）依賴傳統(tǒng)球棍模型與板書講解。課后測試顯示，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在“根據(jù)雜化類型判斷分子空間構(gòu)型”“解釋鍵角與雜化軌道關(guān)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(guān)注的是，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在繪制 NH₃ 分子三角錐形結(jié)構(gòu)時(shí)， 82% 能準(zhǔn)確標(biāo)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(xué)生具備同等認(rèn)知水平[3]。這表明動(dòng)態(tài)模擬軟件不僅提升了學(xué)生對雜化軌道空間形態(tài)的直觀認(rèn)知，更幫助其建立“雜化類型一軌道分布一分子構(gòu)型”的邏輯關(guān)聯(lián)，從根本上突破傳統(tǒng)教學(xué)中“教師難講、學(xué)生難懂”的空間表征困境。

（二）虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)踐虛擬實(shí)驗(yàn)平臺通過參數(shù)化調(diào)控與微觀過程實(shí)時(shí)追蹤，為動(dòng)態(tài)化學(xué)平衡概念的可視化教學(xué)提供了創(chuàng)新路徑。在“弱電解質(zhì)的電離平衡”單元教學(xué)中，依托PhET仿真實(shí)驗(yàn)平臺，構(gòu)建了醋酸電離平衡的交互式探究環(huán)境。學(xué)生登錄平臺后，可自主設(shè)置醋酸初始濃度（0.1mol/L至1mol/L）、溫度（ 25^°C 至 50^°C ）等變量，實(shí)時(shí)觀察溶液中 CH₃COOH 分子、H⁺ 與 CH₃COO^- 的動(dòng)態(tài)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(lán)色、綠色離子圖標(biāo)呈現(xiàn)，其運(yùn)動(dòng)速率隨溫度升高而加快，濃度變化則通過溶液上方的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)柱形圖實(shí)時(shí)顯示[4]。當(dāng)學(xué)生調(diào)節(jié)溫度滑塊時(shí)，平臺同步演示“電離速率曲線”與“pH值波動(dòng)曲線”，清晰呈現(xiàn)勒夏特列原理在弱電解質(zhì)體系中的應(yīng)用：升溫時(shí)，醋酸分子斷裂0-H鍵的動(dòng)畫頻率增加， H⁺ 濃度數(shù)據(jù)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(dòng)”的微觀機(jī)制。該教學(xué)實(shí)踐注重“宏觀現(xiàn)象一微觀數(shù)據(jù)一符號表征”的三重關(guān)聯(lián)：學(xué)生在觀察離子濃度變化的同時(shí)，需書寫對應(yīng)的電離方程式，并標(biāo)注△H符號；在探究濃度對平衡的影響時(shí)，通過“稀釋溶液”操作，觀察到離子濃度瞬時(shí)下降后逐步回升的動(dòng)態(tài)過程，理解“濃度減小相當(dāng)于減小壓強(qiáng)，平衡向粒子數(shù)增多的方向移動(dòng)”的本質(zhì)規(guī)律。對比實(shí)驗(yàn)顯示，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在“解釋同離子效應(yīng)影響電離平衡”“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證溫度對電離常數(shù)的影響”等復(fù)雜問題上的得分率達(dá) 79% 較傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的對照班（ 52% ）提升27個(gè)百分點(diǎn)。更值得關(guān)注的是，在后續(xù)的“難溶電解質(zhì)溶解平衡”學(xué)習(xí)中，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生能快速遷移虛擬實(shí)驗(yàn)中掌握的“變量控制一微觀觀察一規(guī)律歸納”方法，自主設(shè)計(jì) BaSO₄ 溶解平衡的探究方案，體現(xiàn)出虛擬實(shí)驗(yàn)平臺在培養(yǎng)科學(xué)探究能力上的長效價(jià)值。

（三）數(shù)字孿生系統(tǒng)的場景構(gòu)建

在高中化學(xué)微觀概念教學(xué)中，數(shù)字孿生系統(tǒng)通過構(gòu)建與真實(shí)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、反應(yīng)過程等高度一致的虛擬鏡像，為學(xué)生提供沉浸式的可視化學(xué)習(xí)體驗(yàn)，尤其適用于抽象性強(qiáng)的分子構(gòu)型、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等內(nèi)容的教學(xué)。其核心在于將微觀世界的動(dòng)態(tài)變化以可交互的虛擬場景呈現(xiàn)，幫助學(xué)生突破認(rèn)知局限，建立直觀認(rèn)知。在分子構(gòu)型教學(xué)中，以“甲烷分子的正四面體結(jié)構(gòu)”相關(guān)知識的教學(xué)為例，傳統(tǒng)教學(xué)中教師多借助球棍模型進(jìn)行靜態(tài)演示，學(xué)生難以理解原子間的空間位置關(guān)系及鍵角形成原因。數(shù)字孿生系統(tǒng)可基于量子化學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)，構(gòu)建甲烷分子的動(dòng)態(tài)孿生場景：學(xué)生通過操作終端調(diào)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(tǒng)還能模擬不同外力作用下分子構(gòu)型的細(xì)微變化，如在虛擬電場中展示鍵長、鍵角的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程，并同步顯示能量變化數(shù)據(jù)。這種場景構(gòu)建打破了靜態(tài)模型的局限，讓學(xué)生直觀感受到微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)。例如，在講解“氨氣分子的三角錐形結(jié)構(gòu)”相關(guān)知識時(shí)，孿生系統(tǒng)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(dòng)畫模擬孤對電子的空間分布如何導(dǎo)致鍵角小于甲烷，使學(xué)生輕松理解價(jià)層電子對互斥理論的實(shí)際應(yīng)用。晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)中，數(shù)字孿生系統(tǒng)的場景構(gòu)建更具優(yōu)勢。以“氯化鈉晶體”相關(guān)知識教學(xué)為例，系統(tǒng)可構(gòu)建包含百萬級原子的三維孿生模型，學(xué)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(nèi)部查看鈉離子與氯離子的周期性排列。教師可在系統(tǒng)中設(shè)置“缺陷模擬”功能，通過引入空位等晶體缺陷，讓學(xué)生觀察缺陷對晶體導(dǎo)電性、硬度等物理性質(zhì)的影響，理解實(shí)際晶體與理想模型的差異。在講解離子晶體的熔融過程時(shí)，孿生場景能動(dòng)態(tài)演示溫度升高時(shí)離子振動(dòng)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(tǒng)同步顯示離子運(yùn)動(dòng)軌跡的混亂程度變化，幫助學(xué)生理解熔融過程中化學(xué)鍵的破壞與導(dǎo)電性變化的微觀本質(zhì)?；瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)理教學(xué)中，數(shù)字孿生系統(tǒng)可構(gòu)建實(shí)時(shí)響應(yīng)的反應(yīng)場景。以“乙酸乙酯的水解反應(yīng)”相關(guān)知識點(diǎn)教學(xué)為例，傳統(tǒng)教學(xué)中反應(yīng)的斷鍵、成鍵過程難以具象化，而孿生系統(tǒng)能基于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，分步演示酯鍵斷裂、水分子參與及新化學(xué)鍵形成的全過程：學(xué)生點(diǎn)擊虛擬反應(yīng)容器中的乙酸乙酯分子，系統(tǒng)會高亮顯示酯基結(jié)構(gòu)，當(dāng)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(jìn)反應(yīng)進(jìn)行，斷鍵與成鍵的能量變化以動(dòng)態(tài)曲線同步呈現(xiàn)。

（四）互動(dòng)可視化工具的教學(xué)融合

互動(dòng)可視化工具通過實(shí)時(shí)交互與生成性資源共建，構(gòu)建了“教師引導(dǎo)一學(xué)生探究一協(xié)同建構(gòu)”的新型課堂生態(tài)。例如，在“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”教學(xué)中，教師利用現(xiàn)代教學(xué)工具，設(shè)計(jì)了“微觀碰撞一宏觀曲線”的聯(lián)動(dòng)探究活動(dòng)。課堂伊始，教師在白板上繪制 H₂ 與 I₂ 反應(yīng)的速率一時(shí)間曲線，拖動(dòng)“濃度調(diào)節(jié)”滑塊增加 H₂ 濃度，曲線立即呈現(xiàn)突躍上升趨勢，引導(dǎo)學(xué)生思考：“微觀層面發(fā)生了什么變化？”學(xué)生通過觸控筆在曲線旁標(biāo)注“有效碰撞頻率增加”，并調(diào)用白板內(nèi)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(shù)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(yīng)速率的本質(zhì)是改變單位體積內(nèi)活化分子數(shù)”[5]。在分組探究環(huán)節(jié)，學(xué)生以小組為單位，利用白板的動(dòng)畫編輯功能，制作“催化劑降低活化能”的動(dòng)態(tài)演示作品：藍(lán)色的反應(yīng)物分子需越過紅色的“能壘”才能生成產(chǎn)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?yōu)榫G色表示活化）獲得足夠能量發(fā)生有效碰撞。各小組展示作品時(shí)，可借助現(xiàn)代教學(xué)工具的批注功能互評修改，如標(biāo)注“活化分子百分?jǐn)?shù)計(jì)算錯(cuò)誤”并實(shí)時(shí)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(dǎo)全班分析“催化劑為何不影響平衡移動(dòng)”。學(xué)生在拖拽、標(biāo)注、互評的過程中，將抽象的反應(yīng)原理轉(zhuǎn)化為可操作的可視化成果，既深化了對微觀機(jī)理的理解，又提升了協(xié)作探究能力，使課堂成為動(dòng)態(tài)生成的知識建構(gòu)場。

結(jié)束語

本研究通過對高中化學(xué)微觀概念可視化教學(xué)難點(diǎn)的分析，以及數(shù)字化工具應(yīng)用實(shí)踐案例的探討，充分證明了數(shù)字化工具在突破教學(xué)瓶頸、提升教學(xué)效果方面的顯著優(yōu)勢。數(shù)字化工具以其獨(dú)特的可視化、交互性和沉浸性，有效解決了傳統(tǒng)教學(xué)中空間維度認(rèn)知障礙、動(dòng)態(tài)過程呈現(xiàn)困難、抽象概念理解困境等問題，為學(xué)生提供了更加直觀、生動(dòng)、高效的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。然而，在數(shù)字化工具的應(yīng)用過程中，也面臨著如設(shè)備普及程度不足、教師技術(shù)應(yīng)用能力有待提高、教學(xué)資源與實(shí)際教學(xué)需求匹配度需優(yōu)化等挑戰(zhàn)。因此，學(xué)校應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)字化教學(xué)資源的開發(fā)與整合，提升教師的信息技術(shù)應(yīng)用能力，探索更加科學(xué)合理的數(shù)字化教學(xué)模式，推動(dòng)高中化學(xué)教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)提升。

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