从美的发生到美的体验、美的创造

摘要：可视化实验室使用高清摄影设备，将实验现象和过程敏锐地捕捉并作艺术化处理，使肉眼难以观察的美丽细节得以呈现，可运用于教师演示实验、学生课外探究、开发校本课程、构建校园文化等方面。可视化实验室主要由高清摄像机、微距镜头、计算机、高架投影仪、光源背景等组成，亦可简化为用手机拍摄。化学实验蕴含大量的美点，学生在可视化实验室有机会观察到更多的美点，因而可以更容易地在观察实验现象、探究反应机理、改进实验手段、设计创新实验的过程中发现美、鉴赏美、表现美、创造美，实现可视化实验室辅助美育渗透于化学实验教学的功能。

关键词：可视化实验室；美育渗透；科学美育；实验室建设；实验可视化

文章编号：1005–6629（2017）12–0010–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 引言

化学实验中蕴含着美[1，2]。但是，为什么学生更容易感受到艺术中的美，而很难感受到实验中的美？因为实验美是含蓄的，它要求学生拥有更强的审美能力。那么，如何降低审美难度，让学生都能感受到实验中的美？笔者认为，一是可以将原本实验的现象、过程等进行艺术化的图像呈现（即实验可视化），使其美学特征更容易被学生感知；二是可以改进实验，使其美学特征更加突出和丰富。建设可视化实验室的重要作用之一，就是服务美育在化学教学中的实施，让学生更方便地体验实验美、创造实验美。

2 實验室建设

2.1 建设背景

在对美育的呼唤和重视经过了一段相当长的酝酿期之后，美育的具体操作实施层面有了实质性的起步[3]。2011年，江苏省南菁高级中学被省教育厅确定为江苏省美育课程基地，美育校本课程的开发逐渐体系化[4]，其课程思路强调科学与人文相互渗透，将美育与包括科学在内的各个学科有机结合[5]。后来，南菁高中又被确定为江苏省微科技课程基地，学校高度重视实验室的建设和投入，不断更新和添置仪器及设备。建设“美育”和“微科技”两大课程基地的契机为建设带有美育功能的可视化实验室提供了坚强的支撑。

笔者作为江苏省微科技课程基地项目的核心成员，具有参与实验室建设和校本课程开发的经历，完成了《微科技实践录》[6]和《菁创实验：DIS数字化实验室建设与课程开发》[7]等著作，为可视化实验室的建设提供了基础和经验。

2.2 建设思路

可视化实验室主要通过改变实验手段和观察方式，使各种化学实验的现象和过程能够清晰美观地呈现在学生眼前。可视化实验室追求实验与美育的充分融合，使学生能在实验的同时，获得对美的体验，产生对美的兴趣，增强对美的认识，形成对美的追求。具体包含以下3个环节：（1）实验中美的发生（产生）：让学生意识到实验中蕴含着美，实验的发生就是美的发生；（2）从美的发生到美的体验：让学生亲身经历到以前没有发现的实验美；（3）从美的体验到美的创造：让学生自己创造独一无二的实验美。

3 可视化实验室的特征

3.1 实验室的组成

3.1.1 常规实验室

常规实验室所需的设备仪器包括：高清摄像机（用于拍摄化学反应，具有延时摄影、慢速播放、放大观看等功能）、微距镜头（配合摄像机使用，用于拍摄小尺度的化学反应）、三脚架、反应容器（溶液反应时，减少光干扰，如比色皿）、反应减速剂（溶液反应时，降低反应速率，如凝胶）、光源（激光笔、LED发光板等）、背景（素色桌布、背景布等）、计算机（用于图片和视频的加工、存储）、高架投影仪（用于教师演示时将实验过程实时录像并投影）等。

此外，还需要传统实验室中完成化学反应所需的基础试剂和仪器。为达到更好的实验效果，一般要求仪器更洁净、试剂纯度更高。

3.1.2 高配实验室

有条件的实验室还可配备：热成像摄像机（用于拍摄热量变化明显的化学反应）、净水装置（用于除去自来水中的杂质，排除干扰）、显微设备（用于观察和拍摄微观现象，建议选择数码显微镜）、除尘设备（用于排除灰尘干扰）等。

3.1.3 简易实验室

对于农村或偏远地区的贫困学校来说，可以建设低成本的简易可视化实验室，用智能手机代替购置费用较高的高清摄像机、微距镜头和计算机。具体做法是：（1）常规实验：用迷你三脚架和手机夹调整和固定手机的位置，用手机后置摄像头的延时摄影等功能直接拍摄，用手机软件直接完成对图片、视频的后期处理；（2）微观实验：将手机前置摄像头打开，用塑料夹夹住一个玻璃珠透镜（可从显微镜的镜头上拆下）并放置在手机表面（透镜正对摄像头），然后将反应容器（玻璃皿、培养皿或载玻片）架在塑料夹上方，用手机的延时摄影等功能拍摄[8]；（3）热量变化明显的实验：直接购买可与手机摄像头配合使用的热成像摄像头拍摄，不必专门购买热成像摄像机。

3.2 实验室渗透美育的作用

借助化学实验蕴含大量美学特征的特点，发挥可视化实验室让学生观察更清楚的优势，可视化实验室在完成传统实验教学任务的基础上，可以实现对学生“美育”的渗透，培养和提升学生发现美、鉴赏美、表现美、创造美的能力，其具体实现方式见表1。

3.3 实验室的使用方式

3.3.1 实时投影演示实验

教师在传统教室做演示实验时，学生（尤其是后排学生）因为离教师太远，常常看不清实验结果，更看不清实验过程。但在可视化实验室，教师可以用高架投影仪拍摄需要演示的实验，并将实验现象同步投影在屏幕上，为学生直播演示实验。

例如教师演示在硫酸亚铁溶液中滴加氢氧化钠的实验时，学生可以直观清晰地观察到沉淀从生成到变色的全过程。这些细节现象可以让学生获得直观、深刻、感性的认识，并因此产生美的享受。endprint

3.3.2 服务课外探究实验

在实验过程中，学生可能会对反应机理产生疑惑，或是对异常现象产生好奇，这些问题都能作为科学探究的课题。在可视化实验室，学生可以用先进的设备辅助观察，使体现反应机理却又难以被肉眼观察到的细节得以呈现。如用可视化设备观察铝带在硫酸铜溶液中的置换反应[9]：通过观察铝带表面生成“铜树”的生长方式，学生可以发现铜离子被还原后是直接沉积在铜树上的（而不必先迁移到铝带表面），可以方便直观地得出结论：铜铝置换反应时形成了铜铝原电池。可以说，用可视化实验室可以高效地、直接地让学生发现新奇的未知现象，为学生深层次地分析、质疑实验提供机会[10]，这为课外探究提供了新的思路和方法。

3.3.3 开发可视化校本实验课程

以校本课程形式开展的可视化实验课程力求化学与美的结合，其主要内容包括学习摄影设备的使用方法（1课时）、将教材实验可视化（6课时）、设计开发美学特征明显的实验（8课时）、展示作品和交流经验（2课时）、总结和考核课程（1课时）等。课程实施小组合作探究制，每组一套仪器设备。课程前期由教师给出选题参考，学生根据兴趣自由选择、自由尝试；后期由教师给予点拨引导，学生根据自己对美的理解自由探究、自由创作；期末根据学生小组的成果质量打分，作为课程考核的主要依据。

3.3.4 构建校园文化

可视化实验由于极具美感和视觉冲击力，具有很好的科普效果，能丰富美丽校园的内涵。这些成果（图片、视频等）可在校园橱窗、实验室、走廊、校园网、微信公众号展示，潜移默化地改变学生“科学和美无关”、“科学严谨却枯燥”的错误认识。同时可以建设普及化的实验可视化社团，在学生群体中营造喜爱科学、欣赏科学、崇尚科学的氛围。

4 实现美育渗透的方式

4.1 欣赏可视化影像，发现美

在可视化实验室，学生通过观看他人拍摄的可视化实验影像，可以从简单微小的细节中获得崭新的视觉发现，重新感受忽略已久的实验美点（生成沉淀、产生气泡、表面氧化、颜色变化、溶质溶解、析出晶体、产生烟雾、发光、反应速率变化等），并因此产生美的感受。

以普通的沉淀反应为例，原本学生只能观察到澄清溶液变浑浊的现象，而现在学生能够清晰地看见沉淀发生的细节过程：固体从滴入点逐渐生成，根据液体流动的方向像丝带一样扩散开来，颜色由浅至深，体积由小到大，最后大塊的沉淀生成物缓缓落下……学生原本可能以为沉淀反应是模糊的、瞬间完成的，但现在却能新奇地发现沉淀反应其实也有个美丽的生成过程。

此类可视化实验影像的来源有：（1）教师演示实验（直播或录播皆可）；（2）往届学生的作品；（3）向高校、社会收集可视化实验的资源包，例如梁琰等人组成的“美丽化学”团队完成了大量的可视化实验[11]，并在网上免费公布了部分图片和视频素材，读者可自行下载观看。

4.2 将教材实验可视化，鉴赏美

学生在摄像设备的辅助下重做已经做过的教材实验，能够在对比中体会到不同实验的不同形式的美，其鉴赏美的能力会得到提升。

在当前教育中过分强调应试技能的背景下，中学的“做实验”常常变成“讲实验”，教师也不得不强调对实验现象的“规范（格式化）”的描述，甚至给出固定的模板，使学生所理解的实验现象变得千篇一律。

例如，在氢氧化钠溶液中滴加硫酸铜和在硫酸铜溶液中滴加氢氧化钠的实验现象都可以描述为“溶液变浑浊，生成蓝色沉淀”，这很容易导致学生误以为两者现象完全一样。但用可视化设备观看这两个实验就不难发现：前者沉淀呈絮状、不易散开、颜色较深，像揉成一团的丝绸；后者沉淀脆而散、颜色较浅，像一片片散落的鱼鳞，这是两种不同形式的美[12]。

再如，被一模一样地描述为“生成无色气体”的各种实验，其实际现象也可能存在很大差异。铝与浓氢氧化钠溶液的反应在生成气体的同时放出大量的热，反应速率随温度升高而越来越快，生成的气体喷涌而出，溶液很快沸腾，产生大量白雾，这是活跃的美；铁单质与稀硫酸的反应则缓慢、平静地产生气体，生成的气泡逐渐从小变大，一个个地脱离铁单质表面，这又是文静的美；而镁单质与稀硫酸的反应则介于两者之间，是不温不火的美。

进一步地，学生可以比较不同实验美的差异，并通过深入的思考，用化学原理（反应机理）解释其原因。这种用自然规律分析美、比较美、解释美的过程，已经不仅仅是对美的感受，而达到了鉴赏美的层次。

4.3 改变实验手段，表现美

在更高的开放层次上，可以让学生改变实验手段，进一步强化现象的可视化效果，使实验中的美点更加凸显，在此过程中培养表现美的能力。

例如，许多溶液反应的速率太快，虽然使用了高清摄像机，但是仍然难以捕捉迅速变化的细节。这时可以用无色透明、凝胶状态的其他物质（琼脂、硅胶、聚丙烯酸钠等）代替水，作为新的介质。这些凝胶可以减缓离子的运动速率，在降低反应速率的同时减少了有色离子扩散带来的视觉干扰，使实验的美点能更清晰地被学生观察、感知。此外，选择合适的拍摄角度和拍摄焦距、选用突显现象的灯光和背景（例如白色沉淀用黑色底衬，彩色沉淀用白色底衬）、优化反应物的剂量和摆放方式等方法都能增强美的表现。

4.4 设计创新实验，创造美

如果说表现实验美是加强实验的美点，那么创造实验美就是要让学生改进教材实验，或设计新实验，创造原本没有的实验美点。

对改进教材实验来说，即使是同一个反应，实验现象也会因为反应物浓度不同、反应时间不同、添加方式不同（滴加还是直接倒入）、添加先后顺序不同、实验容器不同、实验温度不同等因素而产生差别，或许就会产生新的美点。对设计新实验来说，学生可自由选题，自由设计，自由地发挥美的理念来丰富实验的内涵。因此，学生在可视化实验室可以学以致用，根据自己对美的理解，产生千变万化的实验现象，创造千变万化的美。endprint

5 实验室建设展望

本文所指的可视化主要是实验现象和过程的可视化，进一步地，可以拓展到实验数据和思维的可视化。数据可视化可以利用DIS数字化信息系统实现，使复杂的实验数据以图像的形式直观地呈现。思维可视化可以用计算机仿真软件配合AR/ VR技术实现，使学生获得对复杂化学结构等模型的直观印象[13，14]。这些可视化的拓展都能够降低学生的认知负担，方便学生体验实验之美。

可视化实验室的技术手段还可服务于其他学科，促进学科间的交叉和融合。例如《菁创实验》（DIS化学创新实验）校本课程[15]中的许多实验也具有美感，可以进一步开发为可视化实验。未来，可视化实验室还需要与物理、生物等其他学科整合，例如用植物花瓣中的色素代替指示剂，在花瓣上直接滴入酸液或碱液，拍摄并观察颜色变化，这种对生物材料的整合使颜色变化更丰富。此外，生物细胞实验、物理光学实验等都可以作为良好的可视化素材。

参考文献：

[1]李华.美学导论[M].武汉：湖北科学技术出版社，2010.

[2]杨卫国.化学课堂教学中的美育途径[J].化学教学，2011，（7）：15～16.

[3]林清凉. 2015年中国美育研究述评[J].美育学刊，2016，7（4）：31～46.

[4]杨培明.以美育促进学生科学精神与人文素养协调发展——江苏省南菁高级中学美育课程体系建设的价值追求[J].创新人才教育，2015，（1）：6～11.

[5]馬维林.基于创新人才培养的美育课程体系构建——以江苏省南菁高级中学为例[J].创新人才教育，2015，（1）：12～17.

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[7][13]唐文伟，凌一洲. DIS化学创新实验室建设的探索[J].化学教学，2017，（8）：30～32.

[8] Lumetta G J， Arcia E. Investigating Dissolution and Precipitation Phenomena with a Smartphone Microscope [J]. Journal of Chemical Education，2016，93（10）：1754～1759.

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[11]梁琰.美丽的化学反应[M].北京：清华大学出版社，2016.

[12][13]田亚利，张聪杰. GaussView软件在分子和晶体结构模拟中的使用探究[J].化学教学，2015，（6）：90～93.

[14]沈理明，章建东，田军. eChem——分子结构教与学的辅助工具[J].化学教学，2005，（10）：42～44.

[15]凌一洲.硫酸铜与氢氧化钠溶液反应的实验探究[J].化学教学，2015，（9）：39～41.endprint