信息技术支持下的初中化学实验可视化教学初探

一、研究背景

《化学课程标准（2011 年版）》中指出：化学是一门以实验为基础的学科， 在教学中创设以实验为主的科学探究活动，引导学生在观察、实验和交流中学习化学知识[1]。化学学科的特征是揭示宏观世界的微观本质，化学教学的独特性在于引导学生从宏观和微观相互联系的角度来建构化学知识，解决化学问题。

我国《基础教育课程改革纲要》倡导“大力推进信息技术在教学中的普遍应用，充分发挥信息技术的教学优势逐步实现学生的学习方式、教师的教学方式、师生的互动关系的有效变革”[2]。 二、实践探索

化学实验可视化教学，意在借助信息技术将实验内容可视化，通过刺激人类的视觉和感知系统，从而激发学生对的探索，同时培养学生认知能力和创新能力而进行的教学。[3] 目前较为常见的可视化工具主要有：思维导图、PPT、交互式电子白板、模拟动画、数字化实验以及信息技术支持下的可视化教学手段等。

传统实验教学中学生面临的学习难点和困惑，能否借助

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于信息技术的支持来突破？能否通过可视化教学为学生架起认识宏微世界的桥梁？带着这些思考，笔者开启了课堂教学研究的实践与探索。

1.同步投屏，让演示实验可视化观察

化学演示实验是初中化学教学的重要组成部分，目的是为全体学生展示化学实验步骤、化学反应现象，帮助学生直观形象地理解化学变化规律、形成化学概念等。但传统演示实验教学方式是老师在讲台上操作，学生在座位上观看。由于我校班额都在五十人左右，班级内座位一般要 6—7 排，坐在后排的同学离讲台远，同时受前排同学遮挡的影响，对老师演示的实验细节、实验现象无法观察清楚，对稍纵即逝的实验现象有时压根儿就没看到。演示实验变成了演而不示。

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在投屏软件支持下的教师演示实验，则可以实现不同角度、远近距离自由调节地把实验现象投影到大屏幕上，为每一位同学清晰呈现演示实验全过程。

例如：为了认识工业炼铁的反应原理，课堂上用一氧化碳气体和氧化铁粉末进行模拟实验，该实验所用仪器多、装置复杂（见装置图 1）。如果用传统方式，教师在讲台上演示，学生在下面观察，效果很不理想。笔者尝试使用 total control 软件进行同步投屏。演示实验过程中，老师请两位同学做小助手，帮助老师通一氧化碳气体和加热硬质玻璃管，而老师则可以用手机多角度、灵活选择需要投影的部分。当镜头对准硬质玻璃管时，同学们在大屏幕上清楚地观察到红棕色的粉末逐渐在变成黑色；当镜头对准盛有澄清石灰水的试管时，观察到了澄清溶液变浑浊；当镜头对准靠近黑色粉末的磁铁时，观察到了黑色粉末被磁铁吸引了……

图 1 工业炼铁模拟

实验装置图在实验观察后的交流环节，

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同学们讨论很热烈。 生 1：我清楚地看到红棕色的粉末变成了黑色

生 2：我还观察到黑色粉末能被磁铁吸引，而且该黑色粉末加入到稀盐酸中时，溶液里产生许多小气泡。所以我认为氧化铁粉末已经变成了铁粉。

生 3：我看到右边小试管中的澄清石灰水变浑浊了，说明有二氧化碳气体生成。

生 4：通过演示实验观察，我想工业炼铁原理中的主要反应是 Fe2O3+3CO2Fe+3CO2。 ……

借助投屏软件、手机摄像头、投影幕布等工具，实现了大班教学环境下，每一位学生对演示实验现象的可视化观察。

2.动画模拟，让危险实验可视化呈现

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工业炼铁的模拟实验 Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2 也是一个涉及危害性和危险性的实验。该实验要注意通 CO 与加热两个步骤的先后顺序，如果加热 CO 和空气的混合气体，可能会发生爆炸的危险。传统实验教学中，老师除了演示正确实验操作步骤外，会一再强调如果错误操作可能会带来的严重后果，但不可能在课堂上进行危险性实验操作。学生仅仅是听老师在说，并没有直观感受，学习效果大打折扣。

教学前利用 flash 软件制作了一段动画短片。下面，截取 flash 动画短片中的几个画面说明之（如图 2）：如果先加热装有 Fe2O3 粉末的硬质玻璃管，再通入 CO 气体，结果会怎样呢？话音刚落，随着一道刺眼的火光和刺耳的玻璃破碎声，同学们看到了一地玻璃碎屑的惊人爆炸现场。学生的视觉、听觉受到强烈地冲击，在脑海中留下深刻印象，这是教师的多遍讲述无法实现的。

动画模拟技术，让危险性实验在课堂上也能可视化呈现，

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使学生真切体验到了实验过程中操作规范对于实验安全的重要性。

图 2 工业炼铁模拟实验视频截图

3.DIS 数字实验，让微观原理可视化表达

初中化学学习的许多反应原理，需要学生在分子、原子的微观层面去认识。从变化万千的宏观世界到不可见的微观世界，对于初中学生来说存在不小的困难。比如分子、原子看不见摸不着，但从微观角度理解化学反应原理又是初中化学学

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习的重要内容之一。比如，为什么化学变化过程中分子种类变了而原子种类不变？ 传统课堂上，老师会运用图示或者借助模型等教具进行讲解，然后学生借助想象 力努力去理解微观世界，但往往学生对知识的认识还只是停留在模糊的了解、大 概知道的层面。DIS 数字实验技术主要包括数据采集器与传感器。前者主要用于采集并储存实验数据，后者可根据探究需要测定的参数（如温度、PH、气压等） 而自行选择。

《九年级化学》第七章第二节中和反应的学习目标之一，要求学生通过实验探究来认识酸和碱之间能发生中和反应，并通过实验现象分析掌握中和反应的实质。信息技术支持下，借助 DIS 实验仪器（PH 传感器和温度传感器）与计算机连接，演示中和滴定实验的过程。实验开始时，首先测出反应前氢氧化钠溶液的

PH 和温度。随着稀盐酸的逐滴滴入，烧杯中溶液 PH 和温度在不断发生变化，通过计算机的同步数据处理，以变化的曲线直观地在大屏幕上呈现了出来。当溶液

PH=7 时，指示出氢氧化钠溶液和稀盐酸恰好完全反应。

DIS 实验直观、方便、高效、综合性强，能将微观原理进行可视化表达，为学生深入了解化学反应实质提供有效实验支持，从而更好地培养学生宏观辨识与微观探析的素养。

4．互联网平台，让思维可视化交流

科学探究是一种重要的学习方式，也是义务教育阶段化

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学课程的重要内容。但在 45 分钟的课堂探究学习中，受时间、空间，生生交流往往是在 2 人或

4 人小组中展开，过程中鲜有相互交流、思考质疑、自主探索的机会，学生的思维很难得到充分的交流和表达。

为了改变这种学习方式，给学生创设一个“自主、探究、合作”的实验学习和交流环境。考虑到学生对 QQ 平台操作的熟悉性，笔者利用了 QQ 群来辅助《一定溶质质量分数的氯化钠溶液的配制》的实验教学。在实验过程中，当学生出现不规范操作时，如何帮助学生及时、主动地自我发现错误，并能对不规范操作引起的实验结果进行误差分析，这是本节实验教学的重点和难点。因此，笔者在学生实验过程中，加强课堂巡视，及时了解学生问题所在，同时用手机抓拍学生的实验瞬间，并同步上传到 QQ 群。

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看着老师拍下的课堂实验现场照片，同学们自觉、主动的投入到积极思考、合作交流而又相互质疑的学习氛围中。利用 QQ 群的聊天功能，同学们第一时间把自己的想法发到学习群内：

生 1：甲同学称氯化钠时没有在左右两个托盘

中各放一张质量相同的纸生 2：乙同学在调节天平平衡时忘记取下垫圈了

生 3：丙同学在使用量筒和滴管量取一定体积的水时，把滴管伸到量筒里面了

生 4：丁同学在读量筒中水的体积时，没有把量筒放平在实验桌上，而是把量筒拿手里读数了……

教师：同学们找出的这些错误实验操作，会怎样影响配

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制的氯化钠溶液溶的质质量分数？

面对新的问题情境，同学们又投入到了新的思考中去…… “学科素养不是静态的品质，而是一种思维方式、一种与世界互动的方式。” 化学实验和教学对话是化学教学中培养学生思维的有效途径。利用互联网平台强大的实时交互功能，不仅为学生的实验学习提供了丰富的动态生成资源，更在一定程度上实现了师生之间、生生之间思维的可视化交流。

三、小结反思 1.小结

根据初中化学实验教学内容，结合教学实践经验，提出信息技术支持下的化学实验可视化教学模型，见图 3。在目前大班化的课堂教学环境下，借助信息技术的支持，优化实验教学设计，实现实验过程、原理以及学生思维的可视化，为发展学生化学核心素养提供课程支持。

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图 3 化学实验可视化教学模型

2.反思

信息技术支持下的实验可视化教学，能够为学生提供更丰富的互动协作手段， 能够无缝地集成更丰富的数字资源。但传统的实验教学也有其独特优势，在可视 化教学中，信息技术应与传统实验教学有机融合、互为补充，来帮助学生充分观 察、体验和发现，从而更好地培养学生的认知能力和创新能力，发展学生的化学 学科核心素养。

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