以素養(yǎng)為基礎(chǔ)的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和過程可視化研究
——以“濃硫酸的性質(zhì)”為例

殷月芳

(江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)育才中學(xué) 225000)

對高中生而言，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)至關(guān)重要，它是學(xué)生日常學(xué)習(xí)和生活中表現(xiàn)出來的一種探索問題的能力，絕非成績所能體現(xiàn)的.實(shí)驗(yàn)教學(xué)可增強(qiáng)學(xué)生的動手操作能力，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識靈活應(yīng)用到實(shí)踐活動中，學(xué)習(xí)有用的化學(xué)思想，從而提高學(xué)科核心素養(yǎng).

一、現(xiàn)象與過程可視化內(nèi)涵簡析

知識可視化最早出現(xiàn)在2004年，從最初的科學(xué)計算可視化到當(dāng)前的知識可視化.最初人們運(yùn)用知識可視化完成知識的獲得與傳遞，這是一種現(xiàn)代化研究方法.現(xiàn)象與過程可視化隸屬知識可視化這一大范疇，其內(nèi)涵主要體現(xiàn)在下述兩點(diǎn)：其一，現(xiàn)象與過程可視化概念中的現(xiàn)象能夠展現(xiàn)出微觀本質(zhì)層面的化學(xué)變化，人們經(jīng)由視覺能夠直接看到，但過程則指代事物發(fā)展歷程，具體是化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象由發(fā)生至變化的一系列經(jīng)過.知識可視化一般經(jīng)由某種方式中過程與現(xiàn)象可視化來達(dá)成，基于化學(xué)領(lǐng)域，現(xiàn)象和過程可視化能夠讓觀察者進(jìn)一步深入觀察化學(xué)反應(yīng).由此可知，可視化技術(shù)增加了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的透明度和清晰度.

上述理論具有理論支撐，雙重編碼理論指出人類大腦存在兩個獨(dú)立通道，分別是語言與視覺信息通道，以此接收外界不同信息.經(jīng)由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與過程可視化能夠增加語言的清晰性和形象性，這在增強(qiáng)感知力與理解力具有重要的推動性作用.認(rèn)知負(fù)荷理論指出人腦記憶容量具有一定限度，特性時間下，大腦加工信息量越多，則承擔(dān)的認(rèn)知負(fù)荷便愈發(fā)沉重.當(dāng)學(xué)生出現(xiàn)疲憊、厭倦和吃力的問題時，表明其認(rèn)知負(fù)荷超出工作記憶限制，最終的學(xué)習(xí)效率不會很高.而現(xiàn)象與過程可視化能夠降低記憶難度，深化關(guān)聯(lián)性認(rèn)知，以此提升學(xué)習(xí)效果.

二、可視化實(shí)驗(yàn)設(shè)計原則

1.能順利達(dá)成教學(xué)目標(biāo)

為迎合人才發(fā)展需求，教育改革基于教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整，從基礎(chǔ)學(xué)科知識學(xué)習(xí)、技能提升延伸至三維目標(biāo)，當(dāng)前又上升至五維教育目標(biāo)，更加強(qiáng)調(diào)核心素養(yǎng)培養(yǎng).而可視化實(shí)驗(yàn)則應(yīng)以此為基礎(chǔ)，在具體的實(shí)驗(yàn)過程，應(yīng)保證所做實(shí)驗(yàn)在目標(biāo)達(dá)成中具有推動性作用.

2.實(shí)驗(yàn)原理符合學(xué)生認(rèn)知

實(shí)驗(yàn)原理作為化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本組成至關(guān)重要，能夠讓學(xué)生深入了解學(xué)科知識，并能在腦海中建立具體、清晰的實(shí)驗(yàn)流程，讓學(xué)生明確反應(yīng)的微觀變化.為此，在具體的設(shè)計過程，所用原理與知識應(yīng)符合學(xué)生的認(rèn)知，若所選內(nèi)容不便理解，便會阻礙教學(xué)活動的開展，增大教學(xué)負(fù)擔(dān).

3.便于觀察和操作

依照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)，選擇適宜的拍攝觀察方式，通常應(yīng)用智能手機(jī)和微距鏡頭加以觀察.若觀察反應(yīng)速率偏快或者偏慢的實(shí)驗(yàn)，建議調(diào)慢播放速度，以便觀察完整、具體的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié).待完成拍攝任務(wù)以后，基于拍攝視頻加以處理，通過播放速度的控制來進(jìn)一步明確實(shí)驗(yàn)過程，也可截圖，展現(xiàn)化學(xué)現(xiàn)象的獨(dú)特美，保證教學(xué)活動的正常開展.

三、可視化實(shí)驗(yàn)設(shè)計策略

在整個高中化學(xué)教學(xué)活動中，濃硫酸極具代表性，且十分重要，研究其相關(guān)性質(zhì)可促進(jìn)學(xué)生在硫單質(zhì)與化合物方面的理解，要求廣大學(xué)生務(wù)必要學(xué)習(xí)好本節(jié)內(nèi)容.在本節(jié)內(nèi)容中，學(xué)生應(yīng)熟悉濃硫酸的相關(guān)性質(zhì)，掌握其根本用途，深化學(xué)生在觀察探究和綜合運(yùn)用方面的能力.通過濃硫酸性質(zhì)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，建立實(shí)驗(yàn)安全觀念.

以往所進(jìn)行的濃硫酸實(shí)驗(yàn)在吸水性環(huán)節(jié)會花費(fèi)較長的時間，脫水性與強(qiáng)氧化性實(shí)驗(yàn)中會生成有害氣體，不利于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行.為此，筆者借助微距鏡頭，輔以智能手機(jī)，將化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰化和直觀化，能夠讓學(xué)生得到直觀體驗(yàn)，掌握更多樣的細(xì)節(jié)信息，研究微觀世界，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo).明確實(shí)驗(yàn)原理，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料，依托下述步驟開展實(shí)驗(yàn)：

其一，做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作.將實(shí)驗(yàn)裝置規(guī)范安裝，智能手機(jī)前置攝像頭和微距鏡頭相互對準(zhǔn)，將手機(jī)平放在操作臺上.將表面皿和鐵架臺相互固定，打開手機(jī)前置頭，合理擺放待測物，適當(dāng)調(diào)整表面皿和待測物之間的位置，保證待測物與鏡頭正向相對.適當(dāng)調(diào)整聚焦輪，保證待測物對焦.0～1min時，觀察并無明顯變化，其左下角出現(xiàn)透明絲狀液體，在蔗糖表面出現(xiàn)淺黃色晶狀體，1～5min時，蔗糖開始融化，液體黃色一點(diǎn)點(diǎn)變深，呈現(xiàn)出黃褐色，另外蔗糖晶體對角的位置出現(xiàn)深黃色絲狀物；5～15min時，周邊液體出現(xiàn)黑黃色，在邊緣出現(xiàn)脫離現(xiàn)象，并生成黑色液體；15～25min蔗糖表面變黑，晶體表面開始發(fā)黃，其內(nèi)部呈現(xiàn)透明狀，在晶體附近還會出現(xiàn)大量的黑黃色絲狀物，晶體變成小球體；25～30min時，出現(xiàn)亮黃色晶體，周邊被黑色液體包裹，蔗糖變成小塊晶體，而液體一點(diǎn)點(diǎn)變淺；30～50min時，蔗糖晶體完全融化，在表面皿出現(xiàn)褐色液體.

其二，濃硫酸脫水性與強(qiáng)氧化性實(shí)驗(yàn).將蔗糖放置在干凈的表面皿上，不斷調(diào)整聚焦輪，讓它和鏡頭對焦，開始錄像，通過滴管把濃硫酸滴到表面皿內(nèi)，讓待測物完全處于液體中.在反應(yīng)初始階段，經(jīng)由智能手機(jī)屏幕加以觀察，不斷對焦，適當(dāng)調(diào)整光線，大約50min完成錄像.為便于描述，筆者將反應(yīng)過程劃分成6個階段，借此表明濃硫酸具有一定的脫水性，將蔗糖碳化，碳與濃硫酸相互作用生成氣體，經(jīng)由揮發(fā)變成水.

其三，吸水性實(shí)驗(yàn).將硫酸銅放置在干凈的表面皿內(nèi)，經(jīng)由對焦讓待測物完全呈現(xiàn)在手機(jī)屏幕內(nèi)，進(jìn)行錄像，利用滴管把濃硫酸滴至表面皿內(nèi)，讓待測物完全處于液體中.在反應(yīng)的初始階段，經(jīng)由智能手機(jī)屏幕對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察，不斷對焦，適當(dāng)調(diào)整光線，大約40min完成錄像.為便于描述，把反應(yīng)過程劃分成5個時期，經(jīng)由觀察得出，硫酸銅顏色一點(diǎn)點(diǎn)變淺，這表明濃硫酸具有一定的脫水性.

四、實(shí)驗(yàn)反思

過程與現(xiàn)象可視化將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了放大，學(xué)生經(jīng)由微距鏡頭來觀察，能夠看到平常肉眼看不到的內(nèi)容.雖然濃硫酸是一個較為簡單的實(shí)驗(yàn)，但是能夠觀察到具體、完整的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得到直觀體驗(yàn)，形成深刻印象.綜上可知，現(xiàn)象與過程可視化主要具有下述三方面特性：其一，實(shí)驗(yàn)過程利用智能手機(jī)顯微鏡加以拍攝，能夠?yàn)閷W(xué)生帶來視覺沖擊，深化學(xué)生的記憶，了解濃硫酸的基本特性，幫助學(xué)生從微觀層面理解知識，降低記憶難度.其二，通過智能手機(jī)，輔以微距鏡頭加以拍攝，收集有用素材能夠直接應(yīng)用到課堂教學(xué)中，相對簡單的實(shí)驗(yàn)也可引導(dǎo)學(xué)生自主拍攝，這是學(xué)生開展探究的重要工具.其三，濃硫酸實(shí)驗(yàn)是一個微型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程所用藥品不多，并較為安全，學(xué)生能夠自主操作.

綜上可知，高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)可增強(qiáng)學(xué)生的綜合能力，尤其是探究分析能力與配合協(xié)作能力，且通過知識學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)探究能夠形成科學(xué)、合理的思維習(xí)慣，建立整體性的知識框架，培養(yǎng)開拓力和實(shí)踐力.為此，教師應(yīng)自主研究化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，切實(shí)提升學(xué)生的綜合素養(yǎng).