例談微觀世界可視化的教學(xué)設(shè)計(jì)

陳洲

摘要：以《微粒的性質(zhì)》的教學(xué)為例，從定量計(jì)算、實(shí)驗(yàn)探究、圖像表征和體驗(yàn)分析四個(gè)視角提供了教學(xué)設(shè)計(jì)片段和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析了微觀世界可視化的途徑和方式，努力實(shí)現(xiàn)微觀世界的可視化，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力，在宏觀與微觀之間架起橋梁。

關(guān)鍵詞：微粒的性質(zhì);可視化;定性與定量;數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1008-0546（2021）01-0057-03

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.015

“可視化”最初起源于西方詞匯“Visualization”，可以直譯為為圖像化，圖形化，使某樣?xùn)|西能夠清晰的呈現(xiàn)。隨著信息技術(shù)、數(shù)字化試驗(yàn)技術(shù)的飛速發(fā)展，知識(shí)可視化逐漸發(fā)展成了新的熱點(diǎn)。錢程、馬宏佳教授提出“從教學(xué)應(yīng)用的角度看，知識(shí)可視化的實(shí)質(zhì)是將抽象的知識(shí)、概念及過程以圖解的手段表示出來，形成能夠直接作用于人的感官的視覺表征，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)的發(fā)生、知識(shí)的傳播和創(chuàng)新”[1]。

九年級(jí)化學(xué)教材（上海教育出版社，教育部2012年審定）[2]第3章“構(gòu)成物質(zhì)的奧秘”知識(shí)比較抽象，學(xué)習(xí)內(nèi)容集中在微觀世界，看不見、摸不著，對(duì)于許多學(xué)生來說是一個(gè)難點(diǎn)。因此，教師在組織學(xué)生學(xué)習(xí)的過程中，要精心設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，采取多種方式讓微觀世界在學(xué)生面前直觀呈現(xiàn)，化抽象為具體，實(shí)現(xiàn)微觀世界的可視化，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力，努力在宏觀與微觀之間架起橋梁。

一、通過定量計(jì)算實(shí)現(xiàn)微觀世界可視化

《微粒的性質(zhì)》學(xué)習(xí)中，“微粒很小”教學(xué)片段設(shè)計(jì)如下：

[教師活動(dòng)]（呈現(xiàn)資料卡）1滴水中，構(gòu)成水的微粒（水分子）約有1.7x10²¹個(gè)，20滴水的總體積大約為1mL，請(qǐng)計(jì)算一個(gè)水分子的質(zhì)量。

[學(xué)生活動(dòng)]通過所給資料，計(jì)算每一個(gè)水分子的質(zhì)量，并用科學(xué)計(jì)數(shù)法表示水的質(zhì)量。

[教師活動(dòng)]（呈現(xiàn)資料卡）一顆黃豆、一粒大米、一粒芝麻的質(zhì)量。

[學(xué)生活動(dòng)]比較一個(gè)水分子和它們的質(zhì)量大小。

[師生共同活動(dòng)]老師帶領(lǐng)學(xué)生將一個(gè)水分子質(zhì)量的科學(xué)計(jì)數(shù)法結(jié)果展開，學(xué)生通過小數(shù)點(diǎn)后“0”的數(shù)目來進(jìn)一步感受水分子的質(zhì)量。

[學(xué)生活動(dòng)]得出結(jié)論：微粒很小，小到肉眼看不到。

本教學(xué)片斷通過學(xué)生親自計(jì)算，得出一個(gè)水分子的質(zhì)量大約在10^-26kg，讓學(xué)生在數(shù)字上初步感受到水分子非常小，再通過與一顆黃豆、一粒大米、一粒芝麻的質(zhì)量大小的對(duì)比分析，感受一個(gè)水分子的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于宏觀的小顆粒物質(zhì)。10^-26kg這樣的數(shù)字還不能明顯地促進(jìn)學(xué)生對(duì)微粒大小的認(rèn)識(shí)，因此教師帶領(lǐng)學(xué)生將這一科學(xué)計(jì)數(shù)法的數(shù)字鋪開，用小數(shù)點(diǎn)后“0”的數(shù)目讓學(xué)生驚嘆，進(jìn)一步對(duì)水分子的渺小產(chǎn)生深刻的印象。通過定量計(jì)算，將微觀世界看不到的“小”用數(shù)字清晰地呈現(xiàn)在學(xué)生的面前。學(xué)生通過親身的體驗(yàn)，減少了想象，感受了真實(shí)，增強(qiáng)了認(rèn)識(shí)。

二、通過實(shí)驗(yàn)探究實(shí)現(xiàn)微觀世界可視化

《微粒的性質(zhì)》學(xué)習(xí)中，“微粒在不斷運(yùn)動(dòng)”教學(xué)片段設(shè)計(jì)如下：

[學(xué)生活動(dòng)]分組實(shí)驗(yàn)1：向燒杯A中加入20mL蒸餾水，滴人2-3滴酚酞試液，得到溶液甲，向溶液中慢慢滴加濃氨水[3]。

[教師活動(dòng)]演示實(shí)驗(yàn)2：如圖1，向燒杯C中加入20mL蒸餾水，滴人2-3滴酚酞試液，得到溶液甲。在燒杯B中加入3mL-5mL濃氨水，用一只大燒杯把B、C兩個(gè)燒杯罩在一起，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[4]。

[學(xué)生活動(dòng)]交流與討論：實(shí)驗(yàn)1的目的是什么？通過實(shí)驗(yàn)2可以得到什么結(jié)論？同時(shí)畫出氨分子的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。

[教師活動(dòng)]演示實(shí)驗(yàn)3：如圖2所示，將氨水放人右邊的試管，酚酞試液加入左邊的試管，中間用橡皮導(dǎo)管連接起來，一套置于常溫下，另一套濃氨水放人熱水中，觀察現(xiàn)象。

[學(xué)生活動(dòng)]觀察演示實(shí)驗(yàn)，思考熱水的作用是什么？為什么要用兩套一樣的實(shí)驗(yàn)裝置？

[師生合作活動(dòng)]學(xué)生分析現(xiàn)象，基于現(xiàn)象得出初步結(jié)論，教師進(jìn)行點(diǎn)撥和補(bǔ)充，得出微粒在不斷運(yùn)動(dòng)的結(jié)論。

此環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)1主要是讓學(xué)生了解氨水的性質(zhì)——它可以使酚酞試液變紅。實(shí)驗(yàn)2濃氨水和酚酞不接觸，但酚酞試液變紅了，說明氨氣分子從左邊燒杯中到了右邊的酚酞溶液中，再通過讓學(xué)生畫出氨分子的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，證明微粒是在不斷運(yùn)動(dòng)的。實(shí)驗(yàn)3通過常溫和熱水兩種溫度下的對(duì)比，學(xué)生真實(shí)地看到酚酞試液變紅的快慢，從而感受到溫度越高，微粒的運(yùn)動(dòng)越快。本教學(xué)片斷，通過實(shí)驗(yàn)探究及對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析推理，讓學(xué)生真真切切地體會(huì)到了微粒是在不斷運(yùn)動(dòng)的。

三、通過圖像表征實(shí)現(xiàn)微觀世界可視化

在上述“微粒在不斷運(yùn)動(dòng)”教學(xué)片段中，通過實(shí)驗(yàn)探究讓學(xué)生看到氨水分子會(huì)從一個(gè)燒杯運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)裝有酚酞的燒杯中，使酚酞試液變紅，利用的是氨水易揮發(fā)，氨水顯堿性使酸堿指示劑變色的原理，主要涉及的是定性的分析。作為教師，尤其在復(fù)習(xí)課的教學(xué)中，還可以從定量的角度研究從圖像變化的視角來表征微粒的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)微觀世界的可視化。

1.實(shí)驗(yàn)原理

定量角度1：氨水揮發(fā)后進(jìn)入另一裝置中的水中會(huì)呈現(xiàn)堿性，溶液的pH會(huì)逐漸升高，通過測(cè)定另一裝置中水的pH變化，就可以從定量角度分析氨分子運(yùn)動(dòng)的情況。

定量角度2：氨水揮發(fā)后進(jìn)人使另一裝置中的水中后會(huì)生成一水合氨，一水合氨會(huì)電離產(chǎn)生NH4+和OH-，會(huì)使溶液的導(dǎo)電性發(fā)生改變，即電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化。通過測(cè)定溶液的電導(dǎo)率變化，可以判斷溶液中是否揮發(fā)進(jìn)了氨分子。

2.實(shí)驗(yàn)裝置

要實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)定量的角度，可以采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和配套的軟件組成的定量采集物理、化學(xué)和生物等數(shù)據(jù)并能與計(jì)算機(jī)連接的實(shí)驗(yàn)技術(shù)[ 5]。本實(shí)驗(yàn)可以采用pH傳感器和電導(dǎo)率傳感器，通過感受到待測(cè)物的pH和電導(dǎo)率信息，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)化成可用輸出信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器處理之后在屏幕上顯示并儲(chǔ)存在內(nèi)存中[6]。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究微粒運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）檢查裝置氣密性，校準(zhǔn)傳感器，設(shè)置好采集頻率、采集時(shí)間。

（2）按圖3連接裝置，關(guān)閉止水夾，在錐形瓶中裝入濃氨水，在三頸燒瓶中裝入水，滴人幾滴酚酞試液。

（3）點(diǎn)擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，打開止水夾，觀察電腦屏幕上的曲線變化。

4.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

三頸燒瓶中溶液變?yōu)榧t色，電腦屏幕上的曲線如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，隨著時(shí)間的推移，裝有水的三頸燒瓶中pH逐漸增大，說明氨水分子從錐形瓶中運(yùn)動(dòng)到了三頸燒瓶中，使溶液的堿性增強(qiáng)，這也是酚酞變紅的原因。同樣，隨著時(shí)間的推移，電導(dǎo)率也逐漸增大，溶液的導(dǎo)電性不斷增強(qiáng)，說明溶液中自由移動(dòng)的離子逐漸增多，這也是氨水分子從錐形瓶中運(yùn)動(dòng)到三頸燒瓶中的有力證明。通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，不僅讓學(xué)生從直觀的現(xiàn)象上了解微粒在不斷運(yùn)動(dòng)的事實(shí)，更可以通過數(shù)據(jù)將微粒運(yùn)動(dòng)的證據(jù)表現(xiàn)出來，促進(jìn)學(xué)生從定性分析走向定量分析。

四、通過體驗(yàn)分析實(shí)現(xiàn)微觀世界可視化

《微粒的性質(zhì)》學(xué)習(xí)中，“微粒間有空隙”教學(xué)設(shè)計(jì)片段如下：

[學(xué)生活動(dòng)]動(dòng)手體驗(yàn)1：向一段封口的長玻璃管中先加水，使其到達(dá)玻璃管刻度的1/2，再加酒精到滿刻度，用手指堵緊開口的一端，顛倒數(shù)次，觀察混合前后體積變化情況、對(duì)比反應(yīng)前后的質(zhì)量情況。

動(dòng)手體驗(yàn)2：向一段封口的長玻璃管中先加酒精，使其到達(dá)玻璃管刻度的1/2，再加水到滿刻度，用手指堵緊開口的一端，顛倒數(shù)次，觀察混合前后體積變化情況、對(duì)比反應(yīng)前后的質(zhì)量情況。

[教師活動(dòng)]引導(dǎo)學(xué)生分析：為什么顛倒數(shù)次后體積會(huì)縮?。繛槭裁磧纱渭尤胍后w順序不同體積減小不一樣？

[學(xué)生活動(dòng)]基于自己的體驗(yàn)，分析體積縮小可能的原因，得出微粒間有空隙的結(jié)論。

[學(xué)生活動(dòng)]繼續(xù)新的體驗(yàn)。動(dòng)手體驗(yàn)3：在平底燒瓶的上方套上一個(gè)氣球，水浴加熱平底燒瓶，觀察化學(xué)教與學(xué)2021年第1期氣球大小的變化情況（如圖6所示），感受微粒間空隙的變化情況。

動(dòng)手體驗(yàn)4：用注射器吸人一定量空氣，再用手指頂住注射器末端的小孔，將活塞慢慢推入和松開，感受推人和松開時(shí)的壓強(qiáng)，體悟微粒間空隙的變化情況。

[教師活動(dòng)]引導(dǎo)學(xué)生分析微?？障蹲兓闆r、影響因素及如何影響的。

[學(xué)生活動(dòng)]基于體驗(yàn)的結(jié)果分析原因，得出同種物質(zhì)在相同狀態(tài)時(shí)，溫度越高，微粒間空隙越大;壓強(qiáng)越大，微粒間空隙越小的結(jié)論。

本教學(xué)片斷的設(shè)計(jì)重在學(xué)生的親身體驗(yàn)和推理分析，通過學(xué)生的體驗(yàn)與分析，將微觀世界通過直觀的、看得見的現(xiàn)象呈現(xiàn)給學(xué)生，在微觀和宏觀之間建立聯(lián)系。體驗(yàn)1和體驗(yàn)2目的是通過酒精與水的混合實(shí)驗(yàn)，從液體體積減小的視角來讓學(xué)生體驗(yàn)微粒間是有空隙的。因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)在八年級(jí)物理時(shí)學(xué)生已經(jīng)學(xué)過，因此，本節(jié)課進(jìn)行了改進(jìn)，增加改變實(shí)驗(yàn)操作順序和測(cè)定液體質(zhì)量，酒精與水都加人1/2體積，但是加入的順序不同，為什么最后搖晃后得到的空隙就不同呢？通過稱量質(zhì)量，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，雖然最后相加都是一體積，但是加入順序不同造成的結(jié)果是加入兩種液體的質(zhì)量是不一樣的，這可以充分說明微粒間不僅有空隙，而且各微粒間的空隙是不同的，不同的混合順序還會(huì)造成混合的結(jié)果有差異。體驗(yàn)3和體驗(yàn)4主要是通過從氣體體積縮小和增大的視角讓學(xué)生體驗(yàn)微粒間空隙能增大和縮小以及溫度、壓強(qiáng)對(duì)微粒間空隙的影響。

《微粒的性質(zhì)》是學(xué)生接觸微觀世界的啟蒙課，起著承上啟下的作用。教學(xué)中，教師要盡量將復(fù)雜問題簡(jiǎn)潔化，將抽象問題具體化，將定性走向定量轉(zhuǎn)化的思想不斷滲透于教學(xué)中，讓學(xué)生用化學(xué)學(xué)科的研究思想去解決生活中的種種問題。微粒很小，看不見摸不著，但是數(shù)據(jù)是真實(shí)的，現(xiàn)象是直觀的，要讓學(xué)生能夠用宏觀的“大”數(shù)據(jù)、真實(shí)的現(xiàn)象變化，去勾勒“小小的”微觀世界。

參考文獻(xiàn)

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