高中化學(xué)可視化教學(xué)實踐探索

楊藝

摘? ?要： 高中化學(xué)可視化教學(xué)利用現(xiàn)代信息技術(shù)和信息資源，以知識可視化和思維可視化為手段，將抽象、隱形、復(fù)雜的知識內(nèi)容具體化、顯性化、形象化，有利于發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)，并促進信息技術(shù)與化學(xué)課程的深度融合?；诖耍恼乱愿咧谢瘜W(xué)“電解質(zhì)”的相關(guān)內(nèi)容為教學(xué)背景，設(shè)計了運用導(dǎo)電測試儀、手持技術(shù)和思維導(dǎo)圖三種不同形式的可視化課堂教學(xué)，以期實現(xiàn)技術(shù)與教學(xué)的深度融合，探索高中化學(xué)課堂教學(xué)可視化的途徑和效果。

關(guān)鍵詞： 信息技術(shù)；高中化學(xué)；可視化教學(xué)

一、可視化教學(xué)的內(nèi)涵與價值

1.可視化教學(xué)的內(nèi)涵

“可視化”的英文是“Visualization”，意思是“視覺化，可看見的”?？梢暬虒W(xué)（Visual Instruction）研究如何利用圖形圖像、動畫視頻等視覺表征手段以及思維導(dǎo)圖、知識地圖等視覺認知輔助工具，將抽象的教學(xué)內(nèi)容具體化，并經(jīng)由相應(yīng)的教學(xué)活動內(nèi)化為學(xué)習(xí)者認知結(jié)構(gòu)。1

本研究中的可視化教學(xué)是指從可視化的角度，在信息化環(huán)境中利用現(xiàn)代信息技術(shù)和信息資源，以知識可視化和思維可視化為手段，將抽象、隱性、復(fù)雜的知識和教學(xué)內(nèi)容具體化、顯性化、形象化，并通過課堂教學(xué)活動進行知識的傳播與創(chuàng)新，轉(zhuǎn)化為學(xué)生已有認知。

高中化學(xué)可視化教學(xué)是指在信息化教育發(fā)展的背景下，在高中化學(xué)課堂中借助信息技術(shù)手段實現(xiàn)教學(xué)知識可視化、學(xué)生思維可視化，以達到可視化教學(xué)目的的雙邊教學(xué)活動。首先，作為一種教學(xué)媒體，信息技術(shù)能夠為可視化教學(xué)提供各類教學(xué)資源和教學(xué)工具，有助于呈現(xiàn)圖文并茂的教學(xué)內(nèi)容，幫助教師建立信息技術(shù)與可視化教學(xué)的融合，拓展教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)設(shè)計的呈現(xiàn)形式由文字敘述向圖示設(shè)計轉(zhuǎn)變，便于教師設(shè)計教學(xué)，多維度促進可視化教學(xué)目標的實現(xiàn)。其次，信息技術(shù)為學(xué)生提供多樣化的學(xué)習(xí)方式，直接呈現(xiàn)教學(xué)情境，刺激學(xué)生神經(jīng)元，與已有認知經(jīng)驗建立聯(lián)系，能夠啟發(fā)學(xué)生思考，從而促進學(xué)生對知識的理解，建立知識網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.高中化學(xué)可視化教學(xué)的重要性

高中化學(xué)課堂教學(xué)可視化是運用各種途徑，將教學(xué)信息、教學(xué)知識、思維方法等內(nèi)容用圖形、圖片的方法呈現(xiàn)出來，通過視覺刺激支持學(xué)生知識理解和建構(gòu)。吉米·布洛諾（Jerome Bruner）從實驗中發(fā)現(xiàn)，人們可以記住自己看到的約80%的信息2，因此，課堂教學(xué)中合理運用視覺刺激可以提升學(xué)生對于教學(xué)信息的關(guān)注，有利于提高課堂教學(xué)有效性。課堂教學(xué)不僅是知識的傳遞，更需要注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。通過圖形動態(tài)變化過程、信息數(shù)據(jù)量化的比較、思維導(dǎo)圖的設(shè)計等可視化方法，可以有效啟發(fā)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生觀察能力，提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力。

高中化學(xué)的學(xué)習(xí)內(nèi)容主要注重微觀過程變化的理解，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中常需要用微觀變化過程解釋宏觀現(xiàn)象性質(zhì)，這一學(xué)習(xí)過程體現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”的學(xué)科核心素養(yǎng)。但是學(xué)習(xí)中的微觀世界是人肉眼無法看到的，雖然在教學(xué)中有了許多微觀粒子模型可以供學(xué)生學(xué)習(xí)，但是在大多數(shù)傳統(tǒng)的高中化學(xué)課堂教學(xué)中，還有學(xué)生無法觀測到的很多微觀變化過程，只能依靠自身想象和教師講解進行學(xué)習(xí)，難以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂教學(xué)的有效性。

二、高中化學(xué)可視化教學(xué)實踐

高中化學(xué)可視化教學(xué)主要是通過可視化技術(shù)將教學(xué)中的知識和信息進行可視化呈現(xiàn)，實現(xiàn)知識的可視化視覺表征，完成可視化教學(xué)為核心的教學(xué)任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。本文選取“電解質(zhì)”的相關(guān)內(nèi)容，進行了運用導(dǎo)電測試儀、手持技術(shù)和思維導(dǎo)圖三種不同形式的課堂教學(xué)可視化實踐探索。

1.運用導(dǎo)電測試儀的可視化實踐

高一化學(xué)“電解質(zhì)的電離”屬于上海科學(xué)技術(shù)出版社（滬科版）教材第二章第二節(jié)內(nèi)容。在本節(jié)教學(xué)內(nèi)容中，學(xué)生需要從微觀角度理解物質(zhì)在水溶液中的微粒形式。由于學(xué)生還未學(xué)習(xí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)等微觀認知內(nèi)容，所以需要從實驗現(xiàn)象中獲取證據(jù)，并運用證據(jù)推理出物質(zhì)在水溶液中的微粒形式，加強對于電離的理解，學(xué)會從微觀角度認識物質(zhì)，為之后學(xué)習(xí)必修階段的“從微觀角度學(xué)習(xí)物質(zhì)間的反應(yīng)”打下基礎(chǔ)。

在“電離”的教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要觀察物質(zhì)導(dǎo)電性實驗現(xiàn)象，分析明確的證據(jù)，證明物質(zhì)在水溶液中或者熔融狀態(tài)條件下是否產(chǎn)生自由移動的離子，加強對于電解質(zhì)電離的理解。通常實驗室傳統(tǒng)儀器是電解質(zhì)溶液導(dǎo)電演示器（見圖1），學(xué)生可通過該演示器上燈泡的亮暗或燈泡的亮度為現(xiàn)象依據(jù)來判斷溶液是否導(dǎo)電或溶液的導(dǎo)電性強弱。但是在使用該顯示器進行實驗的過程中存在如下一些問題：首先，該顯示器的電阻較大，溶液導(dǎo)電能力較弱的時候無法正確顯示證據(jù)讓學(xué)生判斷。例如，用該顯示器測蒸餾水導(dǎo)電性的時候燈泡不亮，該現(xiàn)象會誤導(dǎo)學(xué)生認為蒸餾水不導(dǎo)電、蒸餾水中不存在可自由移動的離子，但是根據(jù)已有知識可知該結(jié)論是錯誤的。其次，根據(jù)電解質(zhì)的概念，電解質(zhì)的電離可在水溶液或熔融狀態(tài)下進行，顯然該演示器無法在熔融狀態(tài)下進行實驗，這讓學(xué)生在對“電解質(zhì)”及“電解質(zhì)的電離”的概念理解中容易因為證據(jù)不全而產(chǎn)生理解不清晰的現(xiàn)象。最后，該顯示器通過燈泡亮的程度將導(dǎo)電性強弱可視化，但是并不能清晰量化展示，同時燈泡亮的程度受到環(huán)境、學(xué)生視力等各方面因素影響。

因此，本節(jié)課堂教學(xué)中選用“導(dǎo)電測試儀”（見圖2）重新設(shè)計實驗，課堂教學(xué)信息得以清晰可視化，使學(xué)生可基于更多準確實驗現(xiàn)象進行微觀分析。導(dǎo)電測試儀上的黑色按鈕是開關(guān)，這個開關(guān)下面有一排指示燈，做實驗的時候我們需要先按住這個開關(guān)，然后把儀器插入物質(zhì)中，如果物質(zhì)不導(dǎo)電，那么指示燈不亮，如果物質(zhì)可以導(dǎo)電，指示燈會亮起來，且個數(shù)會有不同。課堂中運用“導(dǎo)電測試儀”設(shè)計的相關(guān)實驗如下：

實驗1（教師演示實驗）：按住導(dǎo)電測試儀開關(guān)，插入蒸餾水中，觀察現(xiàn)象，并向蒸餾水中加入少量蔗糖，觀察加入蔗糖前后指示燈的變化，同時思考產(chǎn)生現(xiàn)象的原因。

實驗2（學(xué)生分組實驗）：按住導(dǎo)電測試儀開關(guān)，分別插入同體積、同濃度的鹽酸和醋酸溶液中，觀察導(dǎo)電測試儀指示燈變化情況并思考產(chǎn)生現(xiàn)象的原因。

實驗3（教師演示實驗）：按住導(dǎo)電測試儀開關(guān)，分別插入固態(tài)氯化鈉以及熔融態(tài)的氯化鈉中，觀察導(dǎo)電測試儀指示燈變化情況并思考產(chǎn)生現(xiàn)象的原因。

運用“導(dǎo)電測試儀”檢測物質(zhì)導(dǎo)電性會觀察到不同的實驗現(xiàn)象（見圖3）。在不同現(xiàn)象中，學(xué)生可以觀察并記錄指示燈是否亮以及指示燈亮的個數(shù)，并根據(jù)這些量化的現(xiàn)象分析導(dǎo)電的原因、發(fā)生的微觀過程變化，從而更清晰地理解“電解質(zhì)的電離”的概念以及電離的微觀過程。

運用“導(dǎo)電測試儀”將課堂實驗中的電離程度等實驗現(xiàn)象通過燈泡亮的個數(shù)可視化地展現(xiàn)出來，較之前的“電解質(zhì)溶液導(dǎo)電演示器”更為直觀清晰。而且手持式的儀器也便于學(xué)生實驗操作。在此過程中，通過蒸餾水也可使燈泡亮起的現(xiàn)象突破了學(xué)生已有知識水平，產(chǎn)生認知沖突，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及實驗操作和觀察能力，同時學(xué)生通過物質(zhì)導(dǎo)電性實驗現(xiàn)象觀察，也培養(yǎng)了通過證據(jù)分析歸納的能力。

2.運用手持技術(shù)的可視化實踐

高中化學(xué)教學(xué)中的重點之一是讓學(xué)生了解各種微粒，并理解微觀世界中結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的思想，從而理解各類宏觀現(xiàn)象和各類化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)。微粒是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難以通過肉眼直接觀察的，大多需要借助模型或者教師推理演說，理解起來相對比較困難。學(xué)生學(xué)習(xí)了強弱電解質(zhì)以及電解質(zhì)的電離之后，將繼續(xù)學(xué)習(xí)弱電解質(zhì)的電離平衡，弱電解質(zhì)的電離也是高中重要的微觀概念，不同于其他有明顯宏觀現(xiàn)象變化的化學(xué)反應(yīng)，學(xué)生無法親眼看到，所以學(xué)生對于電離平衡的理解容易產(chǎn)生障礙。而證據(jù)推理是認識物質(zhì)及其變化的重要方法，所以“弱電解質(zhì)的電離平衡”需要借助儀器將電離平衡的建立和移動過程可視化，將弱電解質(zhì)的電離平衡以圖形的形式呈現(xiàn)平衡移動的動態(tài)微觀過程，幫助學(xué)生提供證據(jù)。

手持技術(shù)通過數(shù)據(jù)采集和量化呈現(xiàn)的形式，動態(tài)呈現(xiàn)曲線圖像，在教學(xué)過程中有助于學(xué)生可視化、具象的理解化學(xué)中的微觀世界，有助于學(xué)生通過分析、推理等方法認識微粒的性質(zhì)以及微觀變化的過程。

因此，在“電離平衡”教學(xué)過程中選擇運用“手持技術(shù)”的pH值傳感器將電離平衡移動的微觀變化過程可視化，以此方式突破教學(xué)中的重難點。傳感器將溶液的pH值動態(tài)展現(xiàn)，學(xué)生在課堂中可以直接觀察分析曲線的變化情況，有利于加深印象和理解電離平衡。本節(jié)課的難點是學(xué)生對于醋酸溶液中加入醋酸鈉固體后溶液pH值增大的原因產(chǎn)生沖突，要通過實驗設(shè)計消除干擾因素，運用控制變量的思想進行實驗設(shè)計，并說出實驗設(shè)計假設(shè)對應(yīng)的現(xiàn)象和結(jié)論。隨后教師再次運用pH值傳感器進行實驗驗證。學(xué)生根據(jù)同時存在的兩個影響因素，設(shè)計實驗：在同濃度同體積的醋酸溶液中加入醋酸銨固體作對照實驗，消除醋酸鈉溶解后水解成堿性這一影響因素干擾，探究電離平衡中同離子效應(yīng)對于電離平衡的影響。學(xué)生根據(jù)pH值曲線（見圖4）變化分析實驗設(shè)計是否合理以及之前試驗中醋酸溶液pH值增大的主要原因。注重實驗事實，從微觀角度理解電離平衡。

運用手持技術(shù)將“不可見的電離平衡”這一微觀變化過程以圖像曲線形成的方式讓學(xué)生看到電離平衡移動的過程。建構(gòu)主義理論提出在學(xué)習(xí)某個新概念的過程中，學(xué)習(xí)者往往會與原有認知產(chǎn)生矛盾沖突而產(chǎn)生困惑心理，只有突破矛盾認知才能讓學(xué)習(xí)者重建知識結(jié)構(gòu)。1 手持技術(shù)通過直觀呈現(xiàn)微觀變化過程，直觀量化比較微粒的變化情況，幫助學(xué)生突破新概念的理解障礙，幫助學(xué)生獲取信息，在小組討論中提升學(xué)生基于證據(jù)的推理能力、小組合作交流的能力。

3.運用思維導(dǎo)圖的可視化實踐

高中化學(xué)教學(xué)要求宏觀與微觀的聯(lián)系、證據(jù)的采集分析等，實際是注重學(xué)生內(nèi)在邏輯思維能力的培養(yǎng)。電解質(zhì)是高中化學(xué)最為重要的理論知識之一，高中化學(xué)電解質(zhì)及其相關(guān)體系概念有電解質(zhì)、強弱電解質(zhì)、電解質(zhì)的電離、電離方程式、弱電解質(zhì)的電離平衡。在后續(xù)的水溶液反應(yīng)以及選擇性必修中的各類平衡移動都需要理解電解質(zhì)的概念、電解質(zhì)的判斷以及電解質(zhì)的電離這些內(nèi)容。可見高中化學(xué)中圍繞電解質(zhì)展開的相關(guān)概念多且復(fù)雜，是高中微觀學(xué)習(xí)中的主要和重要內(nèi)容，需要學(xué)生重點掌握理解。如果學(xué)生孤立學(xué)習(xí)每個概念，未建立內(nèi)在聯(lián)系，那么將不利于電解質(zhì)這一單元的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)理解。奧蘇泊爾提出，有意義的學(xué)習(xí)理論，在教學(xué)過程中，學(xué)生需要將新舊知識之間建立一定的邏輯關(guān)系，發(fā)現(xiàn)知識之間的實際聯(lián)系，才能成為有意義的學(xué)習(xí)。2 為了幫助學(xué)生將一系列復(fù)雜的概念轉(zhuǎn)化為自己的內(nèi)部知識，提升課堂有效性，教師嘗試將電解質(zhì)的電離教學(xué)課堂板書運用思維導(dǎo)圖形式呈現(xiàn)。思維導(dǎo)圖是一種將信息轉(zhuǎn)化為知識的可視化工具。通過思維導(dǎo)圖，學(xué)生可以厘清概念之間的內(nèi)在關(guān)系，建立合理的邏輯關(guān)系，將思維過程以圖形形式清晰地呈現(xiàn)出來。電解質(zhì)的思維導(dǎo)圖，見圖5。

圖5中的思維導(dǎo)圖闡明電解質(zhì)概念的重點以及物質(zhì)的分類依據(jù)，以圖形的形式說明清楚電解質(zhì)及其相關(guān)概念之間的邏輯關(guān)系，可以幫助學(xué)生理解電解質(zhì)這一新概念。有利于學(xué)生在之后的學(xué)習(xí)中遷移運用電解質(zhì)及相關(guān)概念，也可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，圖5的思維導(dǎo)圖也可以在后續(xù)學(xué)習(xí)中繼續(xù)完善，將已經(jīng)學(xué)習(xí)的化合物的分類進行交叉繪制，將多個知識串聯(lián)在一起。在后續(xù)的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可以自己設(shè)計完善概念的思維導(dǎo)圖，在設(shè)計的過程中，學(xué)生需要復(fù)習(xí)電解質(zhì)及電離的概念，并整理歸納，這也可培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣、歸納整理的能力以及思維邏輯能力。

三、高中化學(xué)可視化教學(xué)的啟示及建議

1.可視化教學(xué)的啟示

（1）可視化教學(xué)能夠發(fā)展學(xué)生思維能力

將可視化教學(xué)策略應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)中，能夠有效提高學(xué)生成績，其中的圖示技術(shù)將學(xué)生的思維路徑可視化，有助于教學(xué)環(huán)節(jié)循序漸進地進行，時刻注重學(xué)生的主體地位，促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)，通過小組合作的學(xué)習(xí)模式，激發(fā)思維的碰撞，提高學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中解決問題的能力。

（2）可視化教學(xué)能夠提升教學(xué)效能

從方法技術(shù)層面上看，運用思維可視化技術(shù)可以有效促進化學(xué)知識結(jié)構(gòu)化，將抽象信息形象化、復(fù)雜信息簡單化，突出課堂重點，為教師教學(xué)提供支架。經(jīng)實踐后發(fā)現(xiàn)，可視化教學(xué)也在潛移默化地影響著教師教學(xué)的思維模式，優(yōu)化教師教學(xué)體系，提升教學(xué)效能。

（3）可視化教學(xué)能夠促進知識系統(tǒng)化

在化學(xué)教學(xué)中，知識概念抽象且繁雜，經(jīng)實踐發(fā)現(xiàn)，可視化教學(xué)可以將語言信息和鮮明直觀的圖示結(jié)合起來，降低部分抽象語言信息的認知負荷，從而突破知識之間的屏障。同時，借助思維可視化技術(shù)將知識體系進行重組，激發(fā)學(xué)生深層思維的發(fā)展，幫助學(xué)生找到知識的邏輯關(guān)聯(lián)，及時地進行知識串聯(lián)，引導(dǎo)學(xué)生思維的發(fā)展，建立系統(tǒng)性的化學(xué)知識。

2.可視化教學(xué)的建議

（1）加強教師培訓(xùn)

可視化教學(xué)策略實質(zhì)在于構(gòu)建知識體系，引導(dǎo)學(xué)生深入思維層面，這對新手教師有很高的要求。新手教師不僅要深入挖掘教材中的專業(yè)知識，還要學(xué)習(xí)新的教育技術(shù)，做到知識與技術(shù)融會貫通。這就需要學(xué)?；蛴嘘P(guān)教育部門開展可視化教學(xué)的培訓(xùn)課程，有目的、有計劃地進行培訓(xùn)，只有打好先進的教學(xué)理念的理論基礎(chǔ)，教師才能靈活地應(yīng)用于教學(xué)實踐。

（2）豐富教學(xué)裝備

信息化社會一直在推動教學(xué)發(fā)展，學(xué)校教學(xué)的硬件設(shè)施一定程度上限制了可視化教學(xué)策略在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。雖然教師可以在課上利用軟件技術(shù)展示微觀結(jié)構(gòu)，但學(xué)生卻無法實時與教師互動，這會降低學(xué)生的積極性，從而影響學(xué)習(xí)效果。因此，學(xué)校需要配備必要的基礎(chǔ)設(shè)施，例如通用版的模擬實驗室、電子白板、智慧教室等教學(xué)設(shè)施，這類設(shè)備的充分利用會極大程度上地促進可視化教學(xué)策略的應(yīng)用。

Explorating the Practice of Visualization in High School Chemistry Teaching

YANG Yi

（High School Affiliated to Shanghai Normal University， Shanghai， 200124）

Abstract： Visualization in high school chemistry teaching uses modern information technology and information resources to make abstract， invisible and complex knowledge content concrete， explicit and visualized by means of knowledge visualization and thinking visualization. It is conducive to the requirements for the development of students chemistry core literacy， and promotes the deep integration of information technology and chemistry curriculum. Based on this， this paper takes the relevant content of “electrolyte” as the basis of classroom teaching， and designs three different forms of visualization in classroom teaching by using conductivity tester， handheld technology and mind mapping in order to achieve the deep integration of technology and teaching and explore the ways and effects of visualization in high school chemistry classroom teaching.

Key words： information technology， high school chemistry， visualization in teaching