成斌斌

摘要： 化學(xué)實(shí)驗(yàn)和信息技術(shù)深度融合能有效幫助學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，理解微觀變化，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行抽象概括，總結(jié)規(guī)律。教師可采用電鏡技術(shù)、DIS實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)等與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相融合，并使用線上平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng);實(shí)驗(yàn)教學(xué);信息技術(shù);融合教學(xué)

課堂教學(xué)與信息技術(shù)深度融合，正在促進(jìn)學(xué)校教育的結(jié)構(gòu)性變革。將信息技術(shù)有效地融合于學(xué)科教學(xué)過(guò)程，營(yíng)造信息化教學(xué)環(huán)境，助力學(xué)生“自主、探究、合作”學(xué)習(xí)，既能充分發(fā)揮教師主導(dǎo)作用又能充分凸顯學(xué)生主體地位，加快教與學(xué)方式的轉(zhuǎn)變。對(duì)化學(xué)學(xué)科而言，在課堂教學(xué)中，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和信息技術(shù)相融合，能有效幫助學(xué)生更好地探究實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，理解化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中物質(zhì)的微觀變化，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行抽象概括，從而對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)及其變化進(jìn)行一般規(guī)律性的總結(jié)，提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)^[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的不僅是驗(yàn)證理論，還要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，讓他們學(xué)會(huì)正確使用儀器設(shè)備，提高測(cè)試、調(diào)整、分析、綜合和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案及編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力。目前，信息技術(shù)與教學(xué)的融合多用于改變“教與學(xué)的環(huán)境”及“教與學(xué)的方式”。筆者通過(guò)營(yíng)造新的“教與學(xué)的環(huán)境”，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)融合的視角探究了如何利用信息技術(shù)改進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改進(jìn)“教與學(xué)的方式”。

一、電鏡技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相融合

（一）電子顯微鏡及其功能

電子顯微鏡，簡(jiǎn)稱電鏡，由鏡筒、真空裝置和電源柜三部分組成。電子顯微鏡技術(shù)的應(yīng)用是建立在光學(xué)顯微鏡的基礎(chǔ)之上的。光學(xué)顯微鏡的分辨率為0.2 μm，透射電子顯微鏡的分辨率為0.2 nm。也就是說(shuō)，透射電子顯微鏡在光學(xué)顯微鏡的基礎(chǔ)上放大了1000倍。

電子顯微鏡按結(jié)構(gòu)和用途可分為透射式電子顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、反射式電子顯微鏡和發(fā)射式電子顯微鏡等。透射式電子顯微鏡常用于觀察那些用普通顯微鏡難以分辨的細(xì)微物質(zhì)結(jié)構(gòu);掃描式電子顯微鏡主要用于觀察固體表面的形貌，也能與X射線衍射儀或電子能譜儀相結(jié)合，構(gòu)成電子微探針，用于分析物質(zhì)成分;發(fā)射式電子顯微鏡用于研究自發(fā)射電子表面。目前，電鏡技術(shù)在物理學(xué)領(lǐng)域常被應(yīng)用于研究“分子和原子形態(tài)”“晶體薄膜位錯(cuò)和層錯(cuò)”“表面物理現(xiàn)象”等。在化學(xué)領(lǐng)域電鏡技術(shù)常被應(yīng)用于研究高分子結(jié)構(gòu)和性能，一些有機(jī)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)和添加劑的研究，催化劑的研究，如各種無(wú)機(jī)物質(zhì)性能、結(jié)構(gòu)的研究，一些化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的研究等。

（二）案例解析：用電鏡技術(shù)觀察物質(zhì)在水中的分散

教師提問(wèn)：泥土、蔗糖、食鹽、植物油在水中的分散現(xiàn)象是否相同？為引導(dǎo)學(xué)生解答上述問(wèn)題，教師利用技術(shù)手段進(jìn)行演示：借助電子顯微鏡將泥土、蔗糖、食鹽、植物油在水中的分散過(guò)程放大1000倍以上進(jìn)行觀察并錄制成視頻或制作圖片（如圖1和圖2）。

教師帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)觀測(cè)的內(nèi)容進(jìn)行歸納。泥土、植物油在水中分散后形成的是濁液，蔗糖、食鹽在水中分散后形成的是溶液。溶液均衡穩(wěn)定，濁液不均衡、不穩(wěn)定。懸濁液中分散的是固體小顆粒，乳濁液中分散的是小液滴，這些顆粒和液滴大小不一，且分布極不均勻。同時(shí)，固體小顆粒由于重力作用，易下沉。小油滴一旦融合容易形成更大液滴從而上浮，因此濁液不穩(wěn)定。溶液中的粒子在顯微鏡下不可見(jiàn)，是更小的微粒。

教師借助信息技術(shù)，將電子顯微鏡用于實(shí)驗(yàn)觀察，使“不可見(jiàn)”變?yōu)椤翱梢?jiàn)”，幫助學(xué)生從宏觀特征和微觀本質(zhì)兩個(gè)方面對(duì)溶液和濁液進(jìn)行觀察、分析。教師通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生從宏觀上對(duì)溶液、懸濁液、乳濁液的均一性與穩(wěn)定性進(jìn)行辨識(shí)，借助電子顯微鏡技術(shù)幫助學(xué)生從微觀上對(duì)三種體系中分散的分子或離子、固體小顆粒、液體小液滴進(jìn)行微觀辨析。這樣教學(xué)能使學(xué)生對(duì)溶液“均一、穩(wěn)定”的特征理解得更深刻，對(duì)三種分散系的不同分散形式區(qū)分得更清楚。在傳統(tǒng)教學(xué)與信息技術(shù)融合的環(huán)境下，教師帶領(lǐng)學(xué)生體會(huì)科技發(fā)展給科學(xué)研究帶來(lái)的助力，掌握探究微觀世界的一般方法，提高了其“宏觀辨識(shí)與微觀辨析”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相融合

（一）DIS及其特點(diǎn)

DIS（Digital Information System）實(shí)驗(yàn)是數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)稱，包括微型計(jì)算機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集器和軟件。DIS實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)是能快速、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)采集信息，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化顯示，智能化分析處理數(shù)據(jù)，避免偶然誤差。

（二）案例解析：確定中和反應(yīng)的發(fā)生并測(cè)定溫度變化

教師向滴有酚酞溶液的氫氧化鈉溶液中不斷滴加稀鹽酸（邊滴邊攪拌），至紅色恰好變成無(wú)色（如圖3），并在反應(yīng)前后分別測(cè)定溶液的初溫和末溫。

教師帶領(lǐng)學(xué)生分析傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足：①重復(fù)操作，耗時(shí)長(zhǎng)，如操作者耐心不足，易滴加過(guò)量;②酚酞溶液“紅色恰好變成無(wú)色”不代表恰好完全反應(yīng)，易使人造成錯(cuò)誤理解;③實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度只升高，易導(dǎo)致觀測(cè)者對(duì)溫度變化認(rèn)識(shí)不全面。

教師使用DIS改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)：將150 mL稀氫氧化鈉倒入燒杯中，將pH傳感器和溫度傳感器均放入溶液中;打開(kāi)磁力攪拌器，啟動(dòng)軟件;用滴定管向燒杯中滴加稀鹽酸，繪制pH變化曲線（如圖4）和溫度變化曲線（如圖5）。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師用滴定管滴定，用磁力攪拌器攪拌，大大縮減了實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，借助DIS繪制曲線有利于學(xué)生動(dòng)態(tài)理解反應(yīng)的發(fā)生及反應(yīng)帶來(lái)的各種變化。在技術(shù)支持下，均速滴定等以前人工難以精準(zhǔn)控制的操作得以實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)變化不僅包括變大、變小或不變?nèi)N狀態(tài)，還可以表征變化速率，因而有利于學(xué)生深入學(xué)習(xí)和思考。教師將DIS與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相融合，幫助學(xué)生建立了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的“變化觀念”，使其體會(huì)化學(xué)變化的多因素、多角度、多層次。

三、仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相融合

仿真實(shí)驗(yàn)沒(méi)有普通意義上的實(shí)驗(yàn)必備器材，而是在計(jì)算機(jī)上用仿真軟件模擬現(xiàn)實(shí)的效果，用軟件模擬實(shí)驗(yàn)條件，通過(guò)圖形化界面展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，同時(shí)運(yùn)用一定的編程達(dá)到模擬現(xiàn)實(shí)的效果^[2]。需要強(qiáng)調(diào)的是并非所有化學(xué)實(shí)驗(yàn)都適用融合仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，它主要適用以下實(shí)驗(yàn)。

（一）肉眼無(wú)法觀測(cè)的分子、原子水平上的實(shí)驗(yàn)

計(jì)算模擬已成為化學(xué)研究的重要手段，一方面由于現(xiàn)有的測(cè)量手段多是間接測(cè)量，需要做理論與計(jì)算解釋，另一方面理想的實(shí)驗(yàn)條件無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)。教師使用量子化學(xué)計(jì)算和分子模擬手段，可以幫助學(xué)生從分子層次上理解化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)—性能關(guān)系，以及動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和反應(yīng)特性。本校教學(xué)團(tuán)隊(duì)建立了“分子水平上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”平臺(tái)，依托“電子密度泛函理論與應(yīng)用”“高分子物理實(shí)驗(yàn)”等課程，設(shè)計(jì)了10多個(gè)模擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目活動(dòng)。下面結(jié)合案例“Flash動(dòng)畫(huà)模擬物質(zhì)溶解的微觀過(guò)程”進(jìn)行闡述。教師提問(wèn)：在乳化劑的乳化下，植物油在水中的分散發(fā)生了哪些變化？（學(xué)生填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)任務(wù)單，見(jiàn)表1）

教師播放動(dòng)畫(huà)模擬洗滌劑乳化植物油的微觀過(guò)程（如圖6）。

教師帶領(lǐng)學(xué)生一起歸納：乳化時(shí)，振蕩使大油滴變成小油滴，乳化劑包裹在小油滴周?chē)?，阻止小油滴相互融合，?xì)小的油滴均勻分散在水中，體系相對(duì)均一穩(wěn)定。油滴在顯微鏡下清晰可見(jiàn)，仍是乳濁液。

教師借助信息技術(shù)，用動(dòng)畫(huà)模擬乳化的微觀過(guò)程，并將宏觀實(shí)驗(yàn)與動(dòng)畫(huà)模擬相結(jié)合，能幫學(xué)生更好地理解乳化的過(guò)程和原理，從而對(duì)溶解與乳化的本質(zhì)進(jìn)行辨析，強(qiáng)化了學(xué)生的“宏微結(jié)合”意識(shí)，有利于他們建立化學(xué)概念。

（二）有毒、有害等不便在課堂上實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)

視頻可對(duì)教學(xué)起重要補(bǔ)充與擴(kuò)展作用，教師通過(guò)虛實(shí)結(jié)合，可以獲得良好的教學(xué)效果。為便于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入理解并系統(tǒng)完整地了解實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所涉及的相關(guān)知識(shí)，教師可將經(jīng)典的、富有特色的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目素材制作成視頻，如制作工業(yè)上高爐煉鐵的生產(chǎn)視頻、污水處理廠的污水處理視頻等。這樣做是大有裨益的：既充實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，又方便學(xué)生了解實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程。

對(duì)于一些所需設(shè)備龐大、費(fèi)用高昂難以在教室中開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)，教師構(gòu)建仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境（如圖7和圖8），讓學(xué)生通過(guò)人機(jī)交互完成一個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括樣品前處理、儀器參數(shù)設(shè)置、整個(gè)測(cè)試過(guò)程操作、數(shù)據(jù)處理等，能夠使學(xué)生對(duì)這些大型儀器的工作原理及操作規(guī)范有個(gè)基本了解。

對(duì)于已用于教學(xué)的實(shí)驗(yàn)儀器，教師可以通過(guò)虛擬仿真技術(shù)來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容。在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生可以利用虛擬仿真技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目產(chǎn)品進(jìn)行組裝、測(cè)試、調(diào)試和改進(jìn)，并最終進(jìn)行較為真實(shí)的展示。這樣，既避免了在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試所產(chǎn)生的資源浪費(fèi)、環(huán)境污染，又能激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)熱情，增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，發(fā)揚(yáng)不斷探索的科學(xué)精神。

四、線上平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)相融合

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使學(xué)生的學(xué)習(xí)方式更加多元。對(duì)于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師可以利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將整理好的文字、圖片、視頻等資料上傳云平臺(tái)后，供學(xué)生掃描二維碼觀看，或讓學(xué)生自行搜索更多相關(guān)信息進(jìn)行整合理解。在課堂教學(xué)中，教師可以利用局域網(wǎng)，讓學(xué)生即時(shí)上傳實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案等個(gè)人成果，實(shí)現(xiàn)“限時(shí)分享、即時(shí)點(diǎn)評(píng)”。此外，教師還可以用iebook、flash、webex等整合文字、圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻制作實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)操作、儀器使用的電子書(shū)，通過(guò)發(fā)布在線雜志，在多個(gè)平臺(tái)進(jìn)行傳播，為校內(nèi)外學(xué)生提供全新的數(shù)字媒體學(xué)習(xí)平臺(tái)和重要的學(xué)習(xí)資料^[3]。

總之，信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效融合能有效支撐傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。信息技術(shù)的應(yīng)用能幫助學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)中輕松走進(jìn)生產(chǎn)生活。教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生自主探究，并及時(shí)跟進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)知識(shí)、建立科學(xué)精神與觀念，掌握科學(xué)探究與學(xué)習(xí)的方法。

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（作者系江蘇省蘇州文昌實(shí)驗(yàn)中學(xué)校教師）

責(zé)任編輯：祝元志