成斌斌
摘要: 化学实验和信息技术深度融合能有效帮助学生探究实验的动态过程,理解微观变化,并依据实验现象进行抽象概括,总结规律。教师可采用电镜技术、DIS实验、仿真实验等与传统实验相融合,并使用线上平台对实验进行评价,提高学生的化学学科核心素养。
关键词:化学学科核心素养;实验教学;信息技术;融合教学
课堂教学与信息技术深度融合,正在促进学校教育的结构性变革。将信息技术有效地融合于学科教学过程,营造信息化教学环境,助力学生“自主、探究、合作”学习,既能充分发挥教师主导作用又能充分凸显学生主体地位,加快教与学方式的转变。对化学学科而言,在课堂教学中,将传统实验和信息技术相融合,能有效帮助学生更好地探究实验的动态过程,理解化学实验过程中物质的微观变化,并依据实验现象进行抽象概括,从而对物质的性质及其变化进行一般规律性的总结,提高学生的化学学科核心素养[1]。实验教学的目的不仅是验证理论,还要培养学生的科学素养,让他们学会正确使用仪器设备,提高测试、调整、分析、综合和设计实验方案及编写实验报告的能力。目前,信息技术与教学的融合多用于改变“教与学的环境”及“教与学的方式”。笔者通过营造新的“教与学的环境”,从实验教学与信息技术融合的视角探究了如何利用信息技术改进化学实验教学,改进“教与学的方式”。
一、电镜技术与传统实验相融合
(一)电子显微镜及其功能
电子显微镜,简称电镜,由镜筒、真空装置和电源柜三部分组成。电子显微镜技术的应用是建立在光学显微镜的基础之上的。光学显微镜的分辨率为0.2 μm,透射电子显微镜的分辨率为0.2 nm。也就是说,透射电子显微镜在光学显微镜的基础上放大了1000倍。
电子显微镜按结构和用途可分为透射式电子显微镜、扫描式电子显微镜、反射式电子显微镜和发射式电子显微镜等。透射式电子显微镜常用于观察那些用普通显微镜难以分辨的细微物质结构;扫描式电子显微镜主要用于观察固体表面的形貌,也能与X射线衍射仪或电子能谱仪相结合,构成电子微探针,用于分析物质成分;发射式电子显微镜用于研究自发射电子表面。目前,电镜技术在物理学领域常被应用于研究“分子和原子形态”“晶体薄膜位错和层错”“表面物理现象”等。在化学领域电镜技术常被应用于研究高分子结构和性能,一些有机复合材料的结构形态和添加剂的研究,催化剂的研究,如各种无机物质性能、结构的研究,一些化学反应过程的研究等。
(二)案例解析:用电镜技术观察物质在水中的分散
教师提问:泥土、蔗糖、食盐、植物油在水中的分散现象是否相同?为引导学生解答上述问题,教师利用技术手段进行演示:借助电子显微镜将泥土、蔗糖、食盐、植物油在水中的分散过程放大1000倍以上进行观察并录制成视频或制作图片(如图1和图2)。
教师带领学生对观测的内容进行归纳。泥土、植物油在水中分散后形成的是浊液,蔗糖、食盐在水中分散后形成的是溶液。溶液均衡稳定,浊液不均衡、不稳定。悬浊液中分散的是固体小颗粒,乳浊液中分散的是小液滴,这些颗粒和液滴大小不一,且分布极不均匀。同时,固体小颗粒由于重力作用,易下沉。小油滴一旦融合容易形成更大液滴从而上浮,因此浊液不稳定。溶液中的粒子在显微镜下不可见,是更小的微粒。
教师借助信息技术,将电子显微镜用于实验观察,使“不可见”变为“可见”,帮助学生从宏观特征和微观本质两个方面对溶液和浊液进行观察、分析。教师通过传统实验帮助学生从宏观上对溶液、悬浊液、乳浊液的均一性与稳定性进行辨识,借助电子显微镜技术帮助学生从微观上对三种体系中分散的分子或离子、固体小颗粒、液体小液滴进行微观辨析。这样教学能使学生对溶液“均一、稳定”的特征理解得更深刻,对三种分散系的不同分散形式区分得更清楚。在传统教学与信息技术融合的环境下,教师带领学生体会科技发展给科学研究带来的助力,掌握探究微观世界的一般方法,提高了其“宏观辨识与微观辨析”的化学学科核心素养。
二、DIS实验与传统实验相融合
(一)DIS及其特点
DIS(Digital Information System)实验是数字化信息系统实验的简称,包括微型计算机、传感器、数据采集器和软件。DIS实验的特点与优势是能快速、准确、动态采集信息,并实现数字化显示,智能化分析处理数据,避免偶然误差。
(二)案例解析:确定中和反应的发生并测定温度变化
教师向滴有酚酞溶液的氢氧化钠溶液中不断滴加稀盐酸(边滴边搅拌),至红色恰好变成无色(如图3),并在反应前后分别测定溶液的初温和末温。
教师带领学生分析传统实验的不足:①重复操作,耗时长,如操作者耐心不足,易滴加过量;②酚酞溶液“红色恰好变成无色”不代表恰好完全反应,易使人造成错误理解;③实验过程中温度只升高,易导致观测者对温度变化认识不全面。
教师使用DIS改进传统实验:将150 mL稀氢氧化钠倒入烧杯中,将pH传感器和温度传感器均放入溶液中;打开磁力搅拌器,启动软件;用滴定管向烧杯中滴加稀盐酸,绘制pH变化曲线(如图4)和温度变化曲线(如图5)。
在实验教学中,教师用滴定管滴定,用磁力搅拌器搅拌,大大缩减了实验时长,借助DIS绘制曲线有利于学生动态理解反应的发生及反应带来的各种变化。在技术支持下,均速滴定等以前人工难以精准控制的操作得以实现,系统呈现的数据变化不仅包括变大、变小或不变三种状态,还可以表征变化速率,因而有利于学生深入学习和思考。教师将DIS与传统实验相融合,帮助学生建立了化学学科核心素养中的“变化观念”,使其体会化学变化的多因素、多角度、多层次。
三、仿真实验与传统实验相融合
仿真实验没有普通意义上的实验必备器材,而是在计算机上用仿真软件模拟现实的效果,用软件模拟实验条件,通过图形化界面展现实验过程,同时运用一定的编程达到模拟现实的效果[2]。需要强调的是并非所有化学实验都适用融合仿真实验进行教学,它主要适用以下实验。
(一)肉眼无法观测的分子、原子水平上的实验
计算模拟已成为化学研究的重要手段,一方面由于现有的测量手段多是间接测量,需要做理论与计算解释,另一方面理想的实验条件无法真正实现。教师使用量子化学计算和分子模拟手段,可以帮助学生从分子层次上理解化学物质的结构—性能关系,以及动力学性质和反应特性。本校教学团队建立了“分子水平上的虚拟仿真实验”平台,依托“电子密度泛函理论与应用”“高分子物理实验”等课程,设计了10多个模拟仿真实验项目活动。下面结合案例“Flash动画模拟物质溶解的微观过程”进行阐述。教师提问:在乳化剂的乳化下,植物油在水中的分散发生了哪些变化?(学生填写实验任务单,见表1)
教师播放动画模拟洗涤剂乳化植物油的微观过程(如图6)。
教师带领学生一起归纳:乳化时,振荡使大油滴变成小油滴,乳化剂包裹在小油滴周围,阻止小油滴相互融合,细小的油滴均匀分散在水中,体系相对均一稳定。油滴在显微镜下清晰可见,仍是乳浊液。
教师借助信息技术,用动画模拟乳化的微观过程,并将宏观实验与动画模拟相结合,能帮学生更好地理解乳化的过程和原理,从而对溶解与乳化的本质进行辨析,强化了学生的“宏微结合”意识,有利于他们建立化学概念。
(二)有毒、有害等不便在课堂上实际操作的实验
视频可对教学起重要补充与扩展作用,教师通过虚实结合,可以获得良好的教学效果。为便于学生对实验进行深入理解并系统完整地了解实验项目所涉及的相关知识,教师可将经典的、富有特色的实验项目素材制作成视频,如制作工业上高炉炼铁的生产视频、污水处理厂的污水处理视频等。这样做是大有裨益的:既充实实验教学内容,又方便学生了解实际的生产过程。
对于一些所需设备庞大、费用高昂难以在教室中开展的实验,教师构建仿真的虚拟实验环境(如图7和图8),让学生通过人机交互完成一个教学实验过程的各个环节,包括样品前处理、仪器参数设置、整个测试过程操作、数据处理等,能够使学生对这些大型仪器的工作原理及操作规范有个基本了解。
对于已用于教学的实验仪器,教师可以通过虚拟仿真技术来进一步扩展教学内容。在项目式学习过程中,学生可以利用虚拟仿真技术对所设计的项目产品进行组装、测试、调试和改进,并最终进行较为真实的展示。这样,既避免了在真实实验中进行测试和调试所产生的资源浪费、环境污染,又能激发学生的实验设计热情,增强学生的科学探究能力,发扬不断探索的科学精神。
四、线上平台与实验评价相融合
互联网的发展使学生的学习方式更加多元。对于化学实验教学,教师可以利用网络平台,将整理好的文字、图片、视频等资料上传云平台后,供学生扫描二维码观看,或让学生自行搜索更多相关信息进行整合理解。在课堂教学中,教师可以利用局域网,让学生即时上传实验设计方案等个人成果,实现“限时分享、即时点评”。此外,教师还可以用iebook、flash、webex等整合文字、图片、动画、视频制作实验方案、实验操作、仪器使用的电子书,通过发布在线杂志,在多个平台进行传播,为校内外学生提供全新的数字媒体学习平台和重要的学习资料[3]。
总之,信息技术与实验教学有效融合能有效支撑传统实验,提高实验教学效果,提升学生科学素养。信息技术的应用能帮助学生在化学学习中轻松走进生产生活。教师应鼓励学生自主探究,并及时跟进学生的学习过程,让学生从实验中学习知识、建立科学精神与观念,掌握科学探究与学习的方法。
参考文献
[1] 邸得志.信息技术在化学实验教学中的有效运用探研[J].成才之路,2021(14):98-99.
[2] 黄巧文.虚拟实验在化学教学中的应用实践[J].学苑教育,2021(14):79-80.
[3] 阿卜杜拉·玉苏普,章聚宝,买买提·买吐奴热,等.新冠肺炎下“互联网+”教育模式的化学教学现状调查研究[J].广州化工,2021(10):162-164.
(作者系江苏省苏州文昌实验中学校教师)
责任编辑:祝元志