化学课堂的可视化应用初探

宋永辉　刘洁

“可视化（Visualization）”一词最早出现在计算机领域。可视化技术是利用計算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的技术。可视化技术在化学教学中的运用，常见的有以下三种。

一、微观世界的可视化

化学是研究物质的本质结构和组成的，目前能直接观测到分子级别的显微设备只有电子显微镜。普通的初级中学一般不配备电子显微镜，所以学生的微观世界只能局限在想象或是模拟中。想象和模拟无法替代实际观察，所以对微观世界的可视化尤为重要。

下图是笔者为总结物质构成的奥秘而设计并制作的一组动画（图1）：

笔者先用文字来描述一下整个动画的设计意图和动画过程：（1）点击水电路中的电键，开始发生水电解反应。直观生动的动画，引导学生很好地回顾了电解水实验的过程和现象。（2）水槽中的水放大出图①。不断运动的水分子，生动地展示了水的微观构成，并体现出微观粒子不断运动和有间隔的特点。（3）从图①中放大2个水分子进入图②，并用动画展示这2个水分子分割成6个原子，即2个氧原子和4个氢原子，再由它们分别组合成1个氧分子和2个氢分子。（4）动画显示，从图②中分出两个图③，即n个氧分子和2n个氢分子，两个图③再动态地缩小至其对应的试管中，出现氢气、氧气的文字及相关化学式、化学反应符号表达式。

整个动画生动形象，运用特写的方式展示了水是由水分子构成，氢分子与氧分子分别构成了氢气与氧气，而且分子个数与气体的体积是成正比的，同时动态地揭示了化学变化的实质是原子的重新组合。在这段动画中，从宏观物质“水”的电解，到微观的水分子、氢原子、氧原子、氢分子和氧分子，又到宏观的氢气、氧气，最后给出三种物质的化学式以及水电解的化学反应的符号表达式，回归到了符号表征，完美地诠释了三重表征的奥妙。此外，在化学学科核心素养的培养方面，这段动画帮助学生完成了从宏观辨识到微观探析的过渡与迁移，使他们能从宏观到微观相结合的视角分析和解决实际问题。

二、实验信息的可视化

实验是化学研究物质的基本手段和方式，初中化学课堂上的演示实验都是精选过的有代表性且现象明显、说服力较强的实验。从教与学的角度来说，这些可视化的实验是为了加强视觉刺激，让学生更好地理解实验原理。

1.实验原理的可视化。实验原理非常重要，但学生往往难以理解。笔者常常借助可视化理论，用卡通画、实验模拟图、动画视频等帮助学生理解实验原理。如图2，一氧化碳还原氧化铜就是一氧化碳分子夺取了氧化铜中的氧原子变成了二氧化碳分子，原理也是一目了然。

2.实验现象的可视化。实验现象是典型的视觉信息，教师在讲台上进行的演示实验，若想让全班学生都能看得一清二楚是基本不可能的，所以我们往往会拿着正在反应的试管“绕场一周”，有些实验甚至根本不给你绕场一周的机会。条件好的地区或学校，会在讲台上配备视频展台，可以实时将实验现象投影到大屏幕上，这不正是将实验现象可视化的一个典型代表吗？还有些实验现象很难清晰地呈现出来，比如我们在检验木炭还原氧化铜的产物二氧化碳时，石灰水往往很难变浑浊，给课堂带来尴尬的时刻，假如我们能在此刻借助一段实验视频或实验模拟动画，不是正好起到必要也及时地补充吗？

3.实验数据的可视化。为研究某一物质或探究一种假设，我们通过实验来收集必要的证据，这个证据可以是实验现象，也可以是实验收集的数据。有些时候，收集的实验数据更具有科学性和客观性。在讲授“复分解反应原理”时，笔者运用数字化实验来检测反应后溶液中的离子浓度，得出复分解反应实质，即离子因结合成难电离物而减少这一事实。实验中，笔者选取了氢氧化钡溶液与稀硫酸的反应，通过离子浓度检测仪，将不同时刻烧杯中的离子浓度记录下来，通过计算机自动绘制成函数图像（图3），并同步投影到大屏幕让学生观察。这样做不仅非常准确地反映出溶液中离子浓度的变化过程，而且也让学生很直观地感受到溶液中离子浓度的变化，感知到反应的发生。

实验原理、实验现象、实验数据的可视化，让学生更加理性、直观地读懂了整个实验，对培养学生的科学探究精神与创新意识起到了积极的作用。

三、解题方法的可视化

现有氧化铁、稀盐酸、氢氧化钠溶液、氢氧化镁、氯化钡溶液和硫酸铜溶液六种物质，在常温下两两相互发生的化学反应有（ ）。

A.4个 B. 5个 C. 6个 D.7个

这道题的难度在于，在数反应个数时，学生很容易漏选或重选。要想既快又准地数出反应个数，方法至关重要。笔者用PPT设计了一个动画：先投影出六个物质的化学式，让第一种物质氧化铁“站出来”，依次判断其是否和后面五个物质反应，最后统计反应个数，并显示在氧化铁下方；然后让第二种物质盐酸“站出来”，依次判断与后面四种物质的反应……最后将所有的反应个数合并，即可得出答案（图4）。

这个PPT动画清楚地讲述了解答这道题的方法，学生很容易接受。

（作者单位：宋永辉，武汉市吴家山第三中学；刘洁，武汉市第二初级中学）

责任编辑 张敏