數(shù)字可視化探究實驗與學(xué)生邏輯思維研究*
——以“燃燒的條件”為例

夏振洋 李偉華 劉光文

（13重慶市彭水縣教師進修學(xué)校 重慶 409600；2重慶市彭水縣國土局 重慶 409600）

數(shù)字可視化探究實驗與學(xué)生邏輯思維研究*
——以“燃燒的條件”為例

夏振洋1李偉華2劉光文3

（13重慶市彭水縣教師進修學(xué)校 重慶 409600；2重慶市彭水縣國土局 重慶 409600）

邏輯思維的養(yǎng)成，已成為目前學(xué)校教學(xué)的研究重點。通過化學(xué)探究實驗，可有效地提高學(xué)生的邏輯思維品質(zhì)，改善用腦衛(wèi)生。文章在綜述國內(nèi)外邏輯思維研究進展的基礎(chǔ)上，選取數(shù)字化探究實驗，并運用常規(guī)實驗法、數(shù)字可視化實驗對照等研究方法對“可視化”理論對學(xué)生邏輯思維進行過程闡述養(yǎng)成機理。

數(shù)字化；探究；實驗；邏輯思維

隨著新課改思想的不斷深入，教與學(xué)的實踐卓有成效，在一些學(xué)校在改革中形成了“新現(xiàn)代教育”的雛形，通過縱深多重對比，為每一個教師的專業(yè)成長提供了有力的平臺。

圖1

教師慕課、磨課等基本手段為教育的探究提供了抓手。 “課堂革命”的方略及特色為教學(xué)成果的創(chuàng)生提供了土壤。［1］現(xiàn)在，在教學(xué)的過程中不得不再提“能力教育”，通過同景實驗、不同探究方法教學(xué)為學(xué)生獲得學(xué)習(xí)力提供了平臺。吳曉虹［2］等在可視化教學(xué)設(shè)計思維模型架構(gòu)，為本教學(xué)可視化實驗探究提供了理論基礎(chǔ)。

一、實驗原理

課題“燃燒和滅火”［3］中，探究燃燒的條件時，利用了圖1進行探究。課題組擬通過數(shù)字化改進實驗，通過實驗條件的整合，自命問卷探究常規(guī)實驗與數(shù)字化實驗對學(xué)生的邏輯思維的影響。

二、實驗儀器

筆記本電腦 （內(nèi)置 LogPro3．8．6軟件）、Lab Quest2、TCA-BTA溫度傳感器、大燒杯、兩支大試管、橡膠塞。

三、實驗設(shè)計

1．常規(guī)實驗探究燃燒的條件

教材［4］所述實驗的優(yōu)點在于操作簡單、現(xiàn)象明顯。基于白磷有劇毒，人的中毒劑量為15mg，致死量為50mg，實驗需在通風廚或抽風設(shè)備下進行。實際操作過程中可能出現(xiàn)銅片上白磷和燒杯中白磷都不燃燒，導(dǎo)致實驗失敗，或者是燒杯中白磷也燃燒，可能是由于熱水中因有溶解氧而導(dǎo)致的，甚至有教師因考慮白磷的毒性，果斷放棄學(xué)生探究實驗甚至演示實驗，這些因素都影響學(xué)生理解燃燒的真正起因，不便于總結(jié)燃燒的條件所需要素。

針對以上問題，在上課前先講述了實驗前的準備工作和實驗現(xiàn)象假設(shè)，以及對實驗的不足之處對學(xué)生講解后，有學(xué)生提出：因白磷及白磷燃燒產(chǎn)生的偏磷酸有毒，具有危險性，對該實驗提出了一些改進意見，如圖2所示：

圖2

將紅磷與白磷分別加入到大試管a、b中，塞上橡膠塞，檢驗裝置的氣密性，并在燒杯底部放白磷，然后加入60℃水?？梢杂^察到只有大試管a中有白煙生成，說明白磷在一定的溫度下和有氧環(huán)境中可以燃燒。而在燒杯底部的白磷和紅磷均不燃燒。

實驗結(jié)論：白磷在60℃水與氧氣接觸時能燃燒。通過對照實驗得出：燃燒時需要氧氣，b試管內(nèi)紅磷不燃燒，說明燃燒時溫度要達到著火點。

教學(xué)片段1

教師啟發(fā)學(xué)生：在實驗的過程中發(fā)現(xiàn)白磷燃燒的不劇烈，原因是什么呢？

《揭秘恐龍》以時間為經(jīng)，全景式地展現(xiàn)了恐龍的興衰、演變；以食性為緯，詳細介紹了不同恐龍的不同生存技能。《揭秘太空》循序漸進地講述了有關(guān)太空的全方位知識。《揭秘地球》詳細介紹了有關(guān)地球的各種知識，一探我們身之所處的地球的神奇與偉大?！督颐厝梭w》了解自我從了解人體開始，豐富有趣的人體知識，讓孩子在獲得知識的同時，學(xué)會如何保護自己，健康成長。

學(xué)生：思索片刻后，應(yīng)該是氧氣的量不足造成的。

老師：有什么方法能看到白磷的充分燃燒呢？

學(xué)生：可以在a試管中接入一個裝置，再加上實驗室制氧氣的裝置，比如：H2O2催化分解實驗。

教師：好。（既探究了燃燒的條件，又復(fù)習(xí)了O2的制取，也得到了圖3裝置。在實驗過程中可以觀察到白磷燃燒發(fā)出耀眼的強光，且實驗過程中產(chǎn)生的白煙沒有逸出現(xiàn)象，又提高學(xué)生探究實驗的環(huán)保意識。）

圖3

教師：同學(xué)們，對于白磷的燃燒有了定性認識，若能進一步分析燃燒與氧氣的量多少有沒有關(guān)系呢？

學(xué)生：思索…

教師：是否可以借助數(shù)字化實驗儀器定量認識燃燒需要的條件？

2．數(shù)字可視化實驗探究燃燒的條件

在課堂上利用數(shù)字化實驗儀器進一步探究燃燒的條件

圖4

將數(shù)字化實驗儀器按圖4連接，檢查裝置的氣密性良好后，取5g白磷放入大試管，將溫度傳感器探頭插入試管底部并放入60℃水中，5秒后，推注H2O2，采集數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

圖5

學(xué)生可以從投影到屏幕上的連續(xù)數(shù)據(jù)變化看到白磷在燃燒整個過程中的溫度實況。

教學(xué)片段2

師：同學(xué)們，請根據(jù)這上面的數(shù)據(jù)變化，思考為什么會有兩個峰值？

生：一個峰值845．7℃是說明可燃物在燃燒過程中有熱量的釋放，而另外一個峰值1013．5℃說明O2對燃燒有作用。

師：O2對可燃物燃燒有什么作用？助燃還是阻燃？

生：是助燃。

四、研究結(jié)果與分析

1．研究結(jié)果

研究采集81名被試學(xué)生，無效問卷4份，有效問卷77份，其中男生44人，女生37人。信度分析發(fā)現(xiàn)：所有項目的信度為0．737，問卷總體的信度為0．549。且根據(jù)項總計統(tǒng)計量的結(jié)果，在分析4、21中保留了原有問卷的所有項目，見表1。

表1 化學(xué)常規(guī)實驗與數(shù)字可視化實驗相關(guān)性

表1表明，學(xué)生總體滿意度與實驗滿意度存在顯著相關(guān)，對本節(jié)課總體滿意度越高的學(xué)生對其實驗滿意度也越高。說明學(xué)生對課堂的滿意度在一定程度上對其實驗的滿意程度存在一定影響，尤其表現(xiàn)在課堂對學(xué)生所學(xué)實驗的配置實力上（課堂滿意度與學(xué)校關(guān)于試驗配置實力的Pearson相關(guān)系數(shù)為0．165*）。

2．研究分析

通過常規(guī)實驗與數(shù)字化、可視化探究實驗在教學(xué)過程中的對照教學(xué)，學(xué)生的邏輯思維成長機理可以通過圖6表示。邏輯思維包括是通過概念、推斷、推理等抽象的思維方式將具體事物與事物、事物與思維聯(lián)系起來，事物是客觀載體，思維是認識和了解客觀世界的載體，即理性。思維的培養(yǎng)和養(yǎng)成是可以通過學(xué)校教育逐漸培養(yǎng)的，因為思維的各要素在這些實驗探究過程中得以體現(xiàn)：在本節(jié)課中定性過程中由傳統(tǒng)實驗和改進實驗進行對照是分析→對比→推理思維過程，綜合后得出燃燒的條件三要素，而定量過程是深層次的通過數(shù)字可視化實驗進行剖析，將思維進一步抽象化，概括化，使學(xué)生對燃燒的條件理解透徹：不僅知道了燃燒需要三要素，而且深知充分的燃燒放熱多的事實，為高中必修教材中“化學(xué)反應(yīng)與能量”章節(jié)奠定知識基礎(chǔ)。

圖6

解決實驗過程數(shù)字化，反應(yīng)過程可視化，不僅能體現(xiàn)中學(xué)化學(xué)實驗的趣味性，更主要是引起學(xué)生邏輯思維表達的直觀性和流暢性，可以使學(xué)生通過數(shù)據(jù)變化反映客觀世界，從數(shù)學(xué)化實驗儀器中獲取準確的數(shù)據(jù)并比較、分析、綜合、抽象、概括、判斷、推理，這將會對學(xué)生的實驗素養(yǎng)，形成嚴謹?shù)膶W(xué)術(shù)習(xí)慣，對其個體的成長都具有深遠的意義。

［1］ 鐘啟泉．為了未來教育家的成長［J］．教育發(fā)展研究，2011，18：20-26

［2］ 黃金莎，吳曉虹，李文婷．“可視化”理念指導(dǎo)下的化學(xué)教學(xué)設(shè)計［J］．化學(xué)教學(xué)，2015，2：44-47

［3］［4］王晶，鄭長龍．義務(wù)教育教科書（九年級下冊）［M］．北京：人民教育出版社，2012，6（1）：128-129

1008-0546（2015）11-0086-03

G633．8

B

10.3969/j．issn．1008-0546．2015．11．027

*重慶市教育科學(xué) “十二五”規(guī)劃2014年度課題 （2014-38-001）經(jīng)費支持；彭水縣科委科技人才隊伍建設(shè)項目 （PSKJJHKJRC2014001）經(jīng)費支持。