数字可视化探究实验与学生逻辑思维研究*——以“燃烧的条件”为例

夏振洋 李伟华 刘光文

（13重庆市彭水县教师进修学校 重庆 409600；2重庆市彭水县国土局 重庆 409600）

数字可视化探究实验与学生逻辑思维研究*
——以“燃烧的条件”为例

夏振洋1李伟华2刘光文3

（13重庆市彭水县教师进修学校 重庆 409600；2重庆市彭水县国土局 重庆 409600）

逻辑思维的养成，已成为目前学校教学的研究重点。通过化学探究实验，可有效地提高学生的逻辑思维品质，改善用脑卫生。文章在综述国内外逻辑思维研究进展的基础上，选取数字化探究实验，并运用常规实验法、数字可视化实验对照等研究方法对“可视化”理论对学生逻辑思维进行过程阐述养成机理。

数字化；探究；实验；逻辑思维

随着新课改思想的不断深入，教与学的实践卓有成效，在一些学校在改革中形成了“新现代教育”的雏形，通过纵深多重对比，为每一个教师的专业成长提供了有力的平台。

图1

教师慕课、磨课等基本手段为教育的探究提供了抓手。 “课堂革命”的方略及特色为教学成果的创生提供了土壤。［1］现在，在教学的过程中不得不再提“能力教育”，通过同景实验、不同探究方法教学为学生获得学习力提供了平台。吴晓虹［2］等在可视化教学设计思维模型架构，为本教学可视化实验探究提供了理论基础。

一、实验原理

课题“燃烧和灭火”［3］中，探究燃烧的条件时，利用了图1进行探究。课题组拟通过数字化改进实验，通过实验条件的整合，自命问卷探究常规实验与数字化实验对学生的逻辑思维的影响。

二、实验仪器

笔记本电脑 （内置 LogPro3．8．6软件）、Lab Quest2、TCA-BTA温度传感器、大烧杯、两支大试管、橡胶塞。

三、实验设计

1．常规实验探究燃烧的条件

教材［4］所述实验的优点在于操作简单、现象明显。基于白磷有剧毒，人的中毒剂量为15mg，致死量为50mg，实验需在通风厨或抽风设备下进行。实际操作过程中可能出现铜片上白磷和烧杯中白磷都不燃烧，导致实验失败，或者是烧杯中白磷也燃烧，可能是由于热水中因有溶解氧而导致的，甚至有教师因考虑白磷的毒性，果断放弃学生探究实验甚至演示实验，这些因素都影响学生理解燃烧的真正起因，不便于总结燃烧的条件所需要素。

针对以上问题，在上课前先讲述了实验前的准备工作和实验现象假设，以及对实验的不足之处对学生讲解后，有学生提出：因白磷及白磷燃烧产生的偏磷酸有毒，具有危险性，对该实验提出了一些改进意见，如图2所示：

图2

将红磷与白磷分别加入到大试管a、b中，塞上橡胶塞，检验装置的气密性，并在烧杯底部放白磷，然后加入60℃水。可以观察到只有大试管a中有白烟生成，说明白磷在一定的温度下和有氧环境中可以燃烧。而在烧杯底部的白磷和红磷均不燃烧。

实验结论：白磷在60℃水与氧气接触时能燃烧。通过对照实验得出：燃烧时需要氧气，b试管内红磷不燃烧，说明燃烧时温度要达到着火点。

教学片段1

教师启发学生：在实验的过程中发现白磷燃烧的不剧烈，原因是什么呢？

《揭秘恐龙》以时间为经，全景式地展现了恐龙的兴衰、演变；以食性为纬，详细介绍了不同恐龙的不同生存技能。《揭秘太空》循序渐进地讲述了有关太空的全方位知识。《揭秘地球》详细介绍了有关地球的各种知识，一探我们身之所处的地球的神奇与伟大。《揭秘人体》了解自我从了解人体开始，丰富有趣的人体知识，让孩子在获得知识的同时，学会如何保护自己，健康成长。

学生：思索片刻后，应该是氧气的量不足造成的。

老师：有什么方法能看到白磷的充分燃烧呢？

学生：可以在a试管中接入一个装置，再加上实验室制氧气的装置，比如：H2O2催化分解实验。

教师：好。（既探究了燃烧的条件，又复习了O2的制取，也得到了图3装置。在实验过程中可以观察到白磷燃烧发出耀眼的强光，且实验过程中产生的白烟没有逸出现象，又提高学生探究实验的环保意识。）

图3

教师：同学们，对于白磷的燃烧有了定性认识，若能进一步分析燃烧与氧气的量多少有没有关系呢？

学生：思索…

教师：是否可以借助数字化实验仪器定量认识燃烧需要的条件？

2．数字可视化实验探究燃烧的条件

在课堂上利用数字化实验仪器进一步探究燃烧的条件

图4

将数字化实验仪器按图4连接，检查装置的气密性良好后，取5g白磷放入大试管，将温度传感器探头插入试管底部并放入60℃水中，5秒后，推注H2O2，采集数据曲线如图5所示。

图5

学生可以从投影到屏幕上的连续数据变化看到白磷在燃烧整个过程中的温度实况。

教学片段2

师：同学们，请根据这上面的数据变化，思考为什么会有两个峰值？

生：一个峰值845．7℃是说明可燃物在燃烧过程中有热量的释放，而另外一个峰值1013．5℃说明O2对燃烧有作用。

师：O2对可燃物燃烧有什么作用？助燃还是阻燃？

生：是助燃。

四、研究结果与分析

1．研究结果

研究采集81名被试学生，无效问卷4份，有效问卷77份，其中男生44人，女生37人。信度分析发现：所有项目的信度为0．737，问卷总体的信度为0．549。且根据项总计统计量的结果，在分析4、21中保留了原有问卷的所有项目，见表1。

表1 化学常规实验与数字可视化实验相关性

表1表明，学生总体满意度与实验满意度存在显著相关，对本节课总体满意度越高的学生对其实验满意度也越高。说明学生对课堂的满意度在一定程度上对其实验的满意程度存在一定影响，尤其表现在课堂对学生所学实验的配置实力上（课堂满意度与学校关于试验配置实力的Pearson相关系数为0．165*）。

2．研究分析

通过常规实验与数字化、可视化探究实验在教学过程中的对照教学，学生的逻辑思维成长机理可以通过图6表示。逻辑思维包括是通过概念、推断、推理等抽象的思维方式将具体事物与事物、事物与思维联系起来，事物是客观载体，思维是认识和了解客观世界的载体，即理性。思维的培养和养成是可以通过学校教育逐渐培养的，因为思维的各要素在这些实验探究过程中得以体现：在本节课中定性过程中由传统实验和改进实验进行对照是分析→对比→推理思维过程，综合后得出燃烧的条件三要素，而定量过程是深层次的通过数字可视化实验进行剖析，将思维进一步抽象化，概括化，使学生对燃烧的条件理解透彻：不仅知道了燃烧需要三要素，而且深知充分的燃烧放热多的事实，为高中必修教材中“化学反应与能量”章节奠定知识基础。

图6

解决实验过程数字化，反应过程可视化，不仅能体现中学化学实验的趣味性，更主要是引起学生逻辑思维表达的直观性和流畅性，可以使学生通过数据变化反映客观世界，从数学化实验仪器中获取准确的数据并比较、分析、综合、抽象、概括、判断、推理，这将会对学生的实验素养，形成严谨的学术习惯，对其个体的成长都具有深远的意义。

［1］ 钟启泉．为了未来教育家的成长［J］．教育发展研究，2011，18：20-26

［2］ 黄金莎，吴晓虹，李文婷．“可视化”理念指导下的化学教学设计［J］．化学教学，2015，2：44-47

［3］［4］王晶，郑长龙．义务教育教科书（九年级下册）［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

*重庆市教育科学 “十二五”规划2014年度课题 （2014-38-001）经费支持；彭水县科委科技人才队伍建设项目 （PSKJJHKJRC2014001）经费支持。