多媒體技術(shù)助力初中化學(xué)微觀概念可視化教學(xué)探索

一、引言

化學(xué)學(xué)科的本質(zhì)在于從微觀視角解釋宏觀現(xiàn)象，而初中階段作為化學(xué)啟蒙教育的關(guān)鍵學(xué)段，其核心概念具有極強的抽象性。在傳統(tǒng)教學(xué)中，當(dāng)教師依賴語言描述、靜態(tài)圖示等手段講解“分子永不停息地做無規(guī)則運動”等概念時，學(xué)生往往只能形成機械記憶，無法建立微觀與宏觀的聯(lián)系[。隨著教育信息化2.0時代的到來，多媒體技術(shù)以其動態(tài)性、交互性和模擬性等特征，為微觀概念可視化教學(xué)提供了新可能。將3D動畫、虛擬仿真等技術(shù)與化學(xué)教學(xué)深度融合，不僅能將納米級的微觀粒子“放大”為可視模型，更能通過沉浸式體驗讓學(xué)生“親歷”化學(xué)反應(yīng)的微觀過程[2。這種教學(xué)范式的轉(zhuǎn)變，既順應(yīng)了《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中“發(fā)展科學(xué)思維，培養(yǎng)探究能力”的要求，也為解決初中化學(xué)教學(xué)中的“微觀認知瓶頸”提供了實踐路徑。

二、初中化學(xué)微觀概念可視化教學(xué)的必要性分析

化學(xué)作為一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，其核心概念中包含大量肉眼不可見、高度抽象的微觀過程，如原子結(jié)構(gòu)、分子運動、化學(xué)鍵變化等，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍面臨理解困難和認知障礙。傳統(tǒng)的講授式教學(xué)手段難以有效呈現(xiàn)這些微觀內(nèi)容，容易導(dǎo)致學(xué)生形成機械記憶而非真正理解[。通過可視化教學(xué)，將抽象的微觀世界以圖像、動畫、模擬等形式直觀展現(xiàn)，不僅有助于降低學(xué)生的認知負荷，提升其學(xué)習(xí)興趣和理解能力，也符合初中生由形象思維向抽象思維過渡的認知發(fā)展規(guī)律。此外，在新課程改革背景下，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和探究能力是教學(xué)重點。而可視化教學(xué)能夠增強學(xué)生的觀察力、想象力和邏輯推理能力，是實現(xiàn)高質(zhì)量化學(xué)教育的重要支撐手段。因此，開展初中化學(xué)微觀概念的可視化教學(xué)不僅是教學(xué)實踐的迫切需求，也是推動學(xué)生深度學(xué)習(xí)和核心素養(yǎng)發(fā)展的必然選擇。

三、多媒體技術(shù)在初中化學(xué)微觀概念可視化教學(xué)中的優(yōu)勢

（一）化虛為實，破除微觀認知壁壘

初中化學(xué)微觀概念具有極強的抽象性，分子、原子等微觀粒子及其運動變化無法通過肉眼直接觀察，與學(xué)生基于直觀經(jīng)驗的認知模式存在天然矛盾。多媒體技術(shù)憑借動畫渲染、三維建模等手段，能夠?qū)⒉豢梢姷奈⒂^世界轉(zhuǎn)化為可視化的動態(tài)畫面，實現(xiàn)由“虛”到“實”的質(zhì)變。通過將抽象的化學(xué)原理與具象的視覺符號關(guān)聯(lián)，教師能夠幫助學(xué)生跨越從宏觀感知到微觀理解的認知鴻溝，從而降低概念的理解難度，使學(xué)生能夠突破思維桎梏，構(gòu)建清晰的微觀知識體系框架。

（二）直擊感官，拓寬感官認知維度

傳統(tǒng)教學(xué)中單一的文字與靜態(tài)圖像輸出，難以滿足初中學(xué)生多感官協(xié)同學(xué)習(xí)的需求。多媒體技術(shù)通過整合圖像、音頻、視頻等多元信息載體，能夠從視覺、聽覺等多維度刺激學(xué)生的感官系統(tǒng)。動態(tài)畫面能夠呈現(xiàn)微觀粒子運動軌跡，模擬音效可強化學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)的變化感知，旁白解說能夠輔助學(xué)生對知識的理解，從而形成立體化的信息輸入模式。此種多模態(tài)信息傳遞方式，打破了傳統(tǒng)教學(xué)的感官局限，能夠使學(xué)生獲取信息的渠道更加豐富多元，讓學(xué)生從不同角度感知化學(xué)知識，從而拓寬學(xué)生的認知維度，加深其對微觀概念的理解與記憶。

（三）突破局限，保障安全探究體驗

在初中化學(xué)實驗教學(xué)中，部分涉及微觀概念的實驗存在操作風(fēng)險高、實驗條件苛刻、反應(yīng)過程不可控等問題，限制了學(xué)生實踐探究的機會。多媒體技術(shù)通過虛擬仿真實驗，能夠構(gòu)建高度還原的實驗場景。學(xué)生可在安全的數(shù)字環(huán)境中模擬操作高危實驗、觀察微觀反應(yīng)細節(jié)[4。虛擬實驗不僅能夠有效規(guī)避真實實驗中化學(xué)試劑腐蝕、易燃易爆等安全隱患，還能突破時間與空間限制，加速緩慢反應(yīng)過程、放大微觀變化細節(jié)，為學(xué)生提供全方位、無風(fēng)險的探究體驗，確保學(xué)生在安全前提下深入理解實驗原理與微觀反應(yīng)機制。

（四）因材施教，適配多元學(xué)習(xí)需求

學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中，因知識基礎(chǔ)、接受能力、學(xué)習(xí)風(fēng)格不同，其呈現(xiàn)出的個體差異也會有所不同。多媒體技術(shù)依托豐富的數(shù)字資源庫與智能交互系統(tǒng)，能夠為學(xué)生提供多樣化的學(xué)習(xí)內(nèi)容與路徑選擇[5]。教師可根據(jù)學(xué)生的實際情況，推送分層教學(xué)課件、個性化練習(xí)題和拓展學(xué)習(xí)資料；學(xué)生也可自主調(diào)控學(xué)習(xí)進度，選擇適合自身認知水平的學(xué)習(xí)內(nèi)容，如通過反復(fù)觀看動畫視頻強化薄弱知識點，或參與互動探究活動拓展思維深度。此種教學(xué)模式能夠打破傳統(tǒng)“一刀切”式教學(xué)的局限，真正實現(xiàn)以學(xué)生為中心的差異化教學(xué)，滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，促進全體學(xué)生化學(xué)素養(yǎng)的提升。

四、多媒體技術(shù)在化學(xué)微觀概念教學(xué)中的應(yīng)用

（一）動態(tài)模擬，解鎖微觀運動奧秘

通過動態(tài)模擬技術(shù)，教師可以將微觀粒子的運動狀態(tài)、化學(xué)反應(yīng)過程等抽象內(nèi)容以連續(xù)、直觀的動畫形式呈現(xiàn)出來，使學(xué)生能夠清晰觀察和理解物質(zhì)在微觀層面的變化規(guī)律，從而有效提升學(xué)生對化學(xué)本質(zhì)的認知。

例如，在科教版初中化學(xué)“構(gòu)成物質(zhì)的微粒\"章節(jié)中，分子的運動與擴散是重要知識點。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，教師通常僅通過“品紅在水中擴散”的宏觀實驗進行教學(xué)，使得學(xué)生難以理解分子運動的本質(zhì)。而借助動態(tài)模擬技術(shù)，教師可將這一過程轉(zhuǎn)化為生動的動畫演示。

在動畫中，品紅分子可以被賦予可視化的形態(tài)，以小球和線條模擬其結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

擊品紅分子，推動其逐漸分散。動畫通過不同顏色和運動軌跡，能夠清晰地展示出品紅分子如何從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴散，直至均勻分布在整個燒杯中。同時，動畫還可對比不同溫度下水分子運動速率的差異，即低溫環(huán)境下，水分子運動緩慢，品紅擴散速度也較慢；高溫環(huán)境下，水分子能夠獲得更多能量，運動劇烈，品紅迅速擴散。在講解分子間的間隔時，動態(tài)模擬同樣可以發(fā)揮重要作用。以水和酒精混合體積變小為例，教師播放的動畫可以先展示獨立的水分子和酒精分子，它們各自排列有序且存在一定間隔。當(dāng)兩者混合后，水分子與酒精分子相互穿插，填補彼此間的空隙。這個實驗?zāi)軌蛑庇^呈現(xiàn)混合后總體積小于兩者體積之和的微觀原因。

通過進行這種連續(xù)、直觀的動態(tài)模擬，學(xué)生不僅能觀察到微觀粒子的運動狀態(tài)和變化過程，還能深入理解分子運動、擴散，以及分子間間隔等抽象概念，從而有效提升對化學(xué)本質(zhì)的認知水平。

（二）沉浸構(gòu)建，身臨微觀化學(xué)世界

借助虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）等沉浸式技術(shù)，教師能夠構(gòu)建逼真的微觀場景，讓學(xué)生“置身”于分子、原子等微觀粒子之中，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的代人感與體驗感，有助于深化學(xué)生對微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)原理的理解。

例如，在開展“構(gòu)成物質(zhì)的微粒”課程教學(xué)時，教師可以運用虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)構(gòu)建微觀世界，讓學(xué)生獲得前所未有的學(xué)習(xí)體驗。當(dāng)學(xué)習(xí)水分子的結(jié)構(gòu)時，學(xué)生戴上VR設(shè)備，能夠瞬間置身于水分子的環(huán)境中。四周是一個個由兩個氫原子和一個氧原子構(gòu)成的水分子。通過交互式操作，學(xué)生可以360度全方位觀察水分子的立體結(jié)構(gòu)，感受氫原子與氧原子之間的化學(xué)鍵連接方式。同時，教師也可以在課堂上利用增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)。首先，教師可以在桌面放置特定標(biāo)識。學(xué)生通過手機或平板電腦掃描該標(biāo)識后，就能看到虛擬的水分子模型懸浮在現(xiàn)實桌面上。學(xué)生可以用手指操作模型，將其放大、縮小、拆解，仔細觀察水分子中原子的相對位置和角度。在學(xué)習(xí)晶體結(jié)構(gòu)時，VR技術(shù)也能構(gòu)建氯化鈉晶體的微觀場景，學(xué)生則可以漫步其中，清晰地看到鈉離子和氯離子在空間中交替排列形成的立方體晶格結(jié)構(gòu)，并能近距離觀察粒子之間的相互作用。

圖1動態(tài)模擬技術(shù)下的品紅分子

在初始狀態(tài)下，品紅分子聚集在燒杯底部，水分子則在周圍做無規(guī)則運動。隨著時間推移，水分子不斷撞

這種沉浸式的體驗，能夠極大增強學(xué)生學(xué)習(xí)的代入感。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，不再總是被動地接受知識，而是主動地在微觀世界中探索。通過“置身”于分子、原子之中，學(xué)生對微觀結(jié)構(gòu)的理解能夠更加深刻，其對化學(xué)原理的認識也從抽象概念轉(zhuǎn)化為直觀感受，幫助學(xué)生加深了對相關(guān)知識的理解和記憶。

（三）虛擬仿真，規(guī)避實驗操作風(fēng)險

虛擬仿真實驗平臺能夠高度還原真實實驗的操作流程與反應(yīng)現(xiàn)象，尤其適用于危險性高、設(shè)備要求高的實驗教學(xué)。其不僅能夠保障學(xué)生的實驗參與機會，也能夠有效規(guī)避學(xué)生在實際操作中的安全隱患。

科教版初中化學(xué)微觀概念的實驗部分存在諸多風(fēng)險較高的內(nèi)容，如濃硫酸的稀釋實驗。在傳統(tǒng)教學(xué)中，由于濃硫酸具有強腐蝕性，直接操作危險性極高，學(xué)生往往只能通過教師演示或觀看視頻的方式了解實驗過程，缺乏親身體驗。而借助虛擬仿真實驗平臺，這一問題能夠得到有效解決。

在虛擬仿真實驗中，學(xué)生需要在計算機上進行濃硫酸稀釋操作。從選取實驗儀器開始，如量筒、燒杯、玻璃棒等，到用量筒準(zhǔn)確量取一定體積的濃硫酸和水，再到將濃硫酸沿?zé)诰徛谷胨胁⒉粩鄶嚢瑁恳粋€步驟都與真實實驗操作一致。

在實驗過程中，平臺會實時提示操作要點和注意事項，如“必須將濃硫酸倒入水中，而不能將水倒入濃硫酸中，否則會因劇烈放熱導(dǎo)致液體飛濺”。

當(dāng)學(xué)生操作正確時，平臺會模擬正確的實驗現(xiàn)象，如溶液溫度逐漸升高，同時通過微觀動畫展示硫酸分子在水中電離成氫離子和硫酸根離子的過程。如果學(xué)生操作失誤，如將水倒入濃硫酸中，平臺會模擬液體飛濺的危險場景，并詳細解釋錯誤原因。此外，對于一些難以在課堂上實現(xiàn)的實驗，如高溫高壓下物質(zhì)的微觀變化，虛擬仿真實驗平臺也能通過模擬實驗條件，讓學(xué)生觀察物質(zhì)在不同條件下的微觀結(jié)構(gòu)變化和宏觀反應(yīng)現(xiàn)象，從而既能夠保障學(xué)生的實驗參與機會，又可以有效規(guī)避實際操作中的安全隱患，使學(xué)生能夠安全、深入地學(xué)習(xí)化學(xué)實驗知識和微觀反應(yīng)原理。

（四）交互探究，定制專屬學(xué)習(xí)路徑

交互式多媒體教學(xué)工具支持學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)節(jié)奏進行自主探究，能夠通過人機互動，實現(xiàn)對知識的即時反饋與個性化推送，從而有效幫助不同層次的學(xué)生構(gòu)建適合自己的學(xué)習(xí)路徑，提升學(xué)習(xí)效率與主動性。

例如，在“構(gòu)成物質(zhì)的微粒”章節(jié)課程教學(xué)中，交互式多媒體教學(xué)工具為學(xué)生提供了個性化的學(xué)習(xí)體驗。教師可以利用在線學(xué)習(xí)平臺，為學(xué)生推送“分子和原子”相關(guān)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生登錄平臺后，可以觀看一段介紹分子和原子基本概念的微課視頻。視頻播放結(jié)束后，進入互動測試環(huán)節(jié)。

系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生的答題情況進行即時反饋。如果學(xué)生在“分子和原子的本質(zhì)區(qū)別”這一知識點上出現(xiàn)錯誤，系統(tǒng)會推送針對性的講解動畫，詳細解釋“在化學(xué)變化中分子可以再分，而原子不可再分”的原理，并提供相關(guān)練習(xí)題供學(xué)生鞏固。對于學(xué)有余力的學(xué)生，系統(tǒng)會推送拓展內(nèi)容，如“納米技術(shù)中分子、原子的應(yīng)用”等科普文章和探究問題，引導(dǎo)學(xué)生深人思考。

在課堂教學(xué)中，教師可以運用交互式電子白板進行教學(xué)。例如，在開展“物質(zhì)的三態(tài)變化與分子間間隔的關(guān)系”課程教學(xué)時，教師可以在白板上展示一個互動課件，課件中有水的固態(tài)（冰）、液態(tài)（水）、氣態(tài)（水蒸氣）三種狀態(tài)的微觀模型。教師可以提出問題：“當(dāng)水從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)再變?yōu)闅鈶B(tài)時，分子間間隔發(fā)生了怎樣的變化？”學(xué)生通過在白板上拖拽、調(diào)整分子間距離等操作，模擬物質(zhì)的三態(tài)變化過程。在此過程中，系統(tǒng)可實時判斷學(xué)生操作是否正確，并給予相應(yīng)的提示和評價。通過此種人機互動和知識的即時反饋，不同層次的學(xué)生都能根據(jù)自己的學(xué)習(xí)節(jié)奏進行自主探究，構(gòu)建適合自己的學(xué)習(xí)路徑，從而有效提升個人的學(xué)習(xí)效率。

四、結(jié)束語

利用多媒體技術(shù)助力初中化學(xué)微觀概念可視化教學(xué)，能將抽象的微觀世界直觀呈現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)教學(xué)的局限，為學(xué)生構(gòu)建了更加生動、形象的學(xué)習(xí)路徑，讓學(xué)生從被動接受到主動探究，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。提升了學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。對此，教師在創(chuàng)新教學(xué)模式的過程中，應(yīng)進一步整合優(yōu)質(zhì)數(shù)字資源，優(yōu)化技術(shù)支持與教學(xué)設(shè)計的融合路徑，注重學(xué)生認知規(guī)律與學(xué)習(xí)體驗的結(jié)合，從而實現(xiàn)更高效、更具針對性的微觀概念教學(xué)。

作者單位：李艷甘肅省天水市清水縣草川鋪鎮(zhèn)中學(xué)

參考文獻

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