高中化学可视化教学实践探索

杨艺

摘   要： 高中化学可视化教学利用现代信息技术和信息资源，以知识可视化和思维可视化为手段，将抽象、隐形、复杂的知识内容具体化、显性化、形象化，有利于发展学生化学核心素养，并促进信息技术与化学课程的深度融合。基于此，文章以高中化学“电解质”的相关内容为教学背景，设计了运用导电测试仪、手持技术和思维导图三种不同形式的可视化课堂教学，以期实现技术与教学的深度融合，探索高中化学课堂教学可视化的途径和效果。

关键词： 信息技术；高中化学；可视化教学

一、可视化教学的内涵与价值

1.可视化教学的内涵

“可视化”的英文是“Visualization”，意思是“视觉化，可看见的”。可视化教学（Visual Instruction）研究如何利用图形图像、动画视频等视觉表征手段以及思维导图、知识地图等视觉认知辅助工具，将抽象的教学内容具体化，并经由相应的教学活动内化为学习者认知结构。1

本研究中的可视化教学是指从可视化的角度，在信息化环境中利用现代信息技术和信息资源，以知识可视化和思维可视化为手段，将抽象、隐性、复杂的知识和教学内容具体化、显性化、形象化，并通过课堂教学活动进行知识的传播与创新，转化为学生已有认知。

高中化学可视化教学是指在信息化教育发展的背景下，在高中化学课堂中借助信息技术手段实现教学知识可视化、学生思维可视化，以达到可视化教学目的的双边教学活动。首先，作为一种教学媒体，信息技术能够为可视化教学提供各类教学资源和教学工具，有助于呈现图文并茂的教学内容，帮助教师建立信息技术与可视化教学的融合，拓展教学内容；教学设计的呈现形式由文字叙述向图示设计转变，便于教师设计教学，多维度促进可视化教学目标的实现。其次，信息技术为学生提供多样化的学习方式，直接呈现教学情境，刺激学生神经元，与已有认知经验建立联系，能够启发学生思考，从而促进学生对知识的理解，建立知识网络结构。

2.高中化学可视化教学的重要性

高中化学课堂教学可视化是运用各种途径，将教学信息、教学知识、思维方法等内容用图形、图片的方法呈现出来，通过视觉刺激支持学生知识理解和建构。吉米·布洛诺（Jerome Bruner）从实验中发现，人们可以记住自己看到的约80%的信息2，因此，课堂教学中合理运用视觉刺激可以提升学生对于教学信息的关注，有利于提高课堂教学有效性。课堂教学不仅是知识的传递，更需要注重培养学生的综合素养。通过图形動态变化过程、信息数据量化的比较、思维导图的设计等可视化方法，可以有效启发学生思考，培养学生观察能力，提高学生创新精神和实践能力。

高中化学的学习内容主要注重微观过程变化的理解，学生在学习过程中常需要用微观变化过程解释宏观现象性质，这一学习过程体现培养学生“宏观辨识与微观探析”的学科核心素养。但是学习中的微观世界是人肉眼无法看到的，虽然在教学中有了许多微观粒子模型可以供学生学习，但是在大多数传统的高中化学课堂教学中，还有学生无法观测到的很多微观变化过程，只能依靠自身想象和教师讲解进行学习，难以提高学生的学习兴趣和课堂教学的有效性。

二、高中化学可视化教学实践

高中化学可视化教学主要是通过可视化技术将教学中的知识和信息进行可视化呈现，实现知识的可视化视觉表征，完成可视化教学为核心的教学任务，培养学生的化学学科核心素养。本文选取“电解质”的相关内容，进行了运用导电测试仪、手持技术和思维导图三种不同形式的课堂教学可视化实践探索。

1.运用导电测试仪的可视化实践

高一化学“电解质的电离”属于上海科学技术出版社（沪科版）教材第二章第二节内容。在本节教学内容中，学生需要从微观角度理解物质在水溶液中的微粒形式。由于学生还未学习物质结构等微观认知内容，所以需要从实验现象中获取证据，并运用证据推理出物质在水溶液中的微粒形式，加强对于电离的理解，学会从微观角度认识物质，为之后学习必修阶段的“从微观角度学习物质间的反应”打下基础。

在“电离”的教学环节中，学生需要观察物质导电性实验现象，分析明确的证据，证明物质在水溶液中或者熔融状态条件下是否产生自由移动的离子，加强对于电解质电离的理解。通常实验室传统仪器是电解质溶液导电演示器（见图1），学生可通过该演示器上灯泡的亮暗或灯泡的亮度为现象依据来判断溶液是否导电或溶液的导电性强弱。但是在使用该显示器进行实验的过程中存在如下一些问题：首先，该显示器的电阻较大，溶液导电能力较弱的时候无法正确显示证据让学生判断。例如，用该显示器测蒸馏水导电性的时候灯泡不亮，该现象会误导学生认为蒸馏水不导电、蒸馏水中不存在可自由移动的离子，但是根据已有知识可知该结论是错误的。其次，根据电解质的概念，电解质的电离可在水溶液或熔融状态下进行，显然该演示器无法在熔融状态下进行实验，这让学生在对“电解质”及“电解质的电离”的概念理解中容易因为证据不全而产生理解不清晰的现象。最后，该显示器通过灯泡亮的程度将导电性强弱可视化，但是并不能清晰量化展示，同时灯泡亮的程度受到环境、学生视力等各方面因素影响。

因此，本节课堂教学中选用“导电测试仪”（见图2）重新设计实验，课堂教学信息得以清晰可视化，使学生可基于更多准确实验现象进行微观分析。导电测试仪上的黑色按钮是开关，这个开关下面有一排指示灯，做实验的时候我们需要先按住这个开关，然后把仪器插入物质中，如果物质不导电，那么指示灯不亮，如果物质可以导电，指示灯会亮起来，且个数会有不同。课堂中运用“导电测试仪”设计的相关实验如下：

实验1（教师演示实验）：按住导电测试仪开关，插入蒸馏水中，观察现象，并向蒸馏水中加入少量蔗糖，观察加入蔗糖前后指示灯的变化，同时思考产生现象的原因。

实验2（学生分组实验）：按住导电测试仪开关，分别插入同体积、同浓度的盐酸和醋酸溶液中，观察导电测试仪指示灯变化情况并思考产生现象的原因。

实验3（教师演示实验）：按住导电测试仪开关，分别插入固态氯化钠以及熔融态的氯化钠中，观察导电测试仪指示灯变化情况并思考产生现象的原因。

运用“导电测试仪”检测物质导电性会观察到不同的实验现象（见图3）。在不同现象中，学生可以观察并记录指示灯是否亮以及指示灯亮的个数，并根据这些量化的现象分析导电的原因、发生的微观过程变化，从而更清晰地理解“电解质的电离”的概念以及电离的微观过程。

运用“导电测试仪”将课堂实验中的电离程度等实验现象通过灯泡亮的个数可视化地展现出来，较之前的“电解质溶液导电演示器”更为直观清晰。而且手持式的仪器也便于学生实验操作。在此过程中，通过蒸馏水也可使灯泡亮起的现象突破了学生已有知识水平，产生认知冲突，提升了学生的学习兴趣以及实验操作和观察能力，同时学生通过物质导电性实验现象观察，也培养了通过证据分析归纳的能力。

2.运用手持技术的可视化实践

高中化学教学中的重点之一是让学生了解各种微粒，并理解微观世界中结构决定性质的思想，从而理解各类宏观现象和各类化学反应的实质。微粒是学生在学习过程中难以通过肉眼直接观察的，大多需要借助模型或者教师推理演说，理解起来相对比较困难。学生学习了强弱电解质以及电解质的电离之后，将继续学习弱电解质的电离平衡，弱电解质的电离也是高中重要的微观概念，不同于其他有明显宏观现象变化的化学反应，学生无法亲眼看到，所以学生对于电离平衡的理解容易产生障碍。而证据推理是认识物质及其变化的重要方法，所以“弱电解质的电离平衡”需要借助仪器将电离平衡的建立和移动过程可视化，将弱电解质的电离平衡以图形的形式呈现平衡移动的动态微观过程，帮助学生提供证据。

手持技术通过数据采集和量化呈现的形式，动态呈现曲线图像，在教学过程中有助于学生可视化、具象的理解化学中的微观世界，有助于学生通过分析、推理等方法认识微粒的性质以及微观变化的过程。

因此，在“电离平衡”教学过程中选择运用“手持技术”的pH值传感器将电离平衡移动的微观变化过程可视化，以此方式突破教学中的重难点。传感器将溶液的pH值动态展现，学生在课堂中可以直接观察分析曲线的变化情况，有利于加深印象和理解电离平衡。本节课的难点是学生对于醋酸溶液中加入醋酸钠固体后溶液pH值增大的原因产生冲突，要通过实验设计消除干扰因素，运用控制变量的思想进行实验设计，并说出实验设计假设对应的现象和结论。随后教师再次运用pH值传感器进行实验验证。学生根据同时存在的两个影响因素，设计实验：在同浓度同体积的醋酸溶液中加入醋酸铵固体作对照实验，消除醋酸钠溶解后水解成碱性这一影响因素干扰，探究电离平衡中同离子效应对于电离平衡的影响。学生根据pH值曲线（见图4）变化分析实验设计是否合理以及之前试验中醋酸溶液pH值增大的主要原因。注重实验事实，从微观角度理解电离平衡。

运用手持技术将“不可见的电离平衡”这一微观变化过程以图像曲线形成的方式让学生看到电离平衡移动的过程。建构主义理论提出在学习某个新概念的过程中，学习者往往会与原有认知产生矛盾冲突而产生困惑心理，只有突破矛盾认知才能让学习者重建知识结构。1 手持技术通过直观呈现微观变化过程，直观量化比较微粒的变化情况，帮助学生突破新概念的理解障碍，帮助学生获取信息，在小组讨论中提升学生基于证据的推理能力、小组合作交流的能力。

3.运用思维导图的可视化实践

高中化学教学要求宏观与微观的联系、证据的采集分析等，实际是注重学生内在逻辑思维能力的培养。电解质是高中化学最为重要的理论知识之一，高中化学电解质及其相关体系概念有电解质、强弱电解质、电解质的电离、电离方程式、弱电解质的电离平衡。在后续的水溶液反应以及选择性必修中的各类平衡移动都需要理解电解质的概念、电解质的判断以及电解质的电离这些内容。可见高中化学中围绕电解质展开的相关概念多且复杂，是高中微观学习中的主要和重要内容，需要学生重点掌握理解。如果学生孤立学习每个概念，未建立内在联系，那么将不利于电解质这一单元的系统性学习理解。奥苏泊尔提出，有意义的学习理论，在教学过程中，学生需要将新旧知识之间建立一定的逻辑关系，发现知识之间的实际联系，才能成为有意义的学习。2 为了帮助学生将一系列复杂的概念转化为自己的内部知识，提升课堂有效性，教师尝试将电解质的电离教学课堂板书运用思维导图形式呈现。思维导图是一种将信息转化为知识的可视化工具。通过思维导图，学生可以厘清概念之间的内在关系，建立合理的逻辑关系，将思维过程以图形形式清晰地呈现出来。电解质的思维导图，见图5。

图5中的思维导图阐明电解质概念的重点以及物质的分类依据，以图形的形式说明清楚电解质及其相关概念之间的邏辑关系，可以帮助学生理解电解质这一新概念。有利于学生在之后的学习中迁移运用电解质及相关概念，也可以提升学生的学习兴趣。同时，图5的思维导图也可以在后续学习中继续完善，将已经学习的化合物的分类进行交叉绘制，将多个知识串联在一起。在后续的学习过程中，学生可以自己设计完善概念的思维导图，在设计的过程中，学生需要复习电解质及电离的概念，并整理归纳，这也可培养学生良好的学习习惯、归纳整理的能力以及思维逻辑能力。

三、高中化学可视化教学的启示及建议

1.可视化教学的启示

（1）可视化教学能够发展学生思维能力

将可视化教学策略应用于化学教学中，能够有效提高学生成绩，其中的图示技术将学生的思维路径可视化，有助于教学环节循序渐进地进行，时刻注重学生的主体地位，促进学生自主学习，通过小组合作的学习模式，激发思维的碰撞，提高学生在学习过程中解决问题的能力。

（2）可视化教学能够提升教学效能

从方法技术层面上看，运用思维可视化技术可以有效促进化学知识结构化，将抽象信息形象化、复杂信息简单化，突出课堂重点，为教师教学提供支架。经实践后发现，可视化教学也在潜移默化地影响着教师教学的思维模式，优化教师教学体系，提升教学效能。

（3）可視化教学能够促进知识系统化

在化学教学中，知识概念抽象且繁杂，经实践发现，可视化教学可以将语言信息和鲜明直观的图示结合起来，降低部分抽象语言信息的认知负荷，从而突破知识之间的屏障。同时，借助思维可视化技术将知识体系进行重组，激发学生深层思维的发展，帮助学生找到知识的逻辑关联，及时地进行知识串联，引导学生思维的发展，建立系统性的化学知识。

2.可视化教学的建议

（1）加强教师培训

可视化教学策略实质在于构建知识体系，引导学生深入思维层面，这对新手教师有很高的要求。新手教师不仅要深入挖掘教材中的专业知识，还要学习新的教育技术，做到知识与技术融会贯通。这就需要学校或有关教育部门开展可视化教学的培训课程，有目的、有计划地进行培训，只有打好先进的教学理念的理论基础，教师才能灵活地应用于教学实践。

（2）丰富教学装备

信息化社会一直在推动教学发展，学校教学的硬件设施一定程度上限制了可视化教学策略在化学教学中的应用。虽然教师可以在课上利用软件技术展示微观结构，但学生却无法实时与教师互动，这会降低学生的积极性，从而影响学习效果。因此，学校需要配备必要的基础设施，例如通用版的模拟实验室、电子白板、智慧教室等教学设施，这类设备的充分利用会极大程度上地促进可视化教学策略的应用。

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