过程可视化微型实验设计在中学化学教学中的应用研究

任睿

摘  要：化学是一门建立在实验基础之上的学科，教师需要在课堂上通过实验的形式来加强学生的理解与认识。因此，本文从中学化学教学中开展实验教学的必要性入手，引入可视化微型实验的有关概念和设计理念，结合理论与课程实践，针对其实验内容提出可视化微型实验的设计操作流程，以期能够为提高中学化学教学的有效性提出新的思路和借鉴。

关键词：可视化微型实验;中学化学;实验教学;教学设计

一、中学化学实验教学的必要性

理论和实验结合是化学教学的两大要素，两者不是割裂的关系，而是相互支撑的，对于化学教学而言是缺一不可的。在化学教学中开展实验环节，能够加深学生对于理论知识的理解，还能够获得较为系统的知识体系，也能够锻炼学生总结与发现规律的能力，最终养成独立自主探究的能力。因此在化学教学当中引入实验，能够有效地提升课堂效果。目前在化学实验教学中通常利用两种教学模式，一是以老师作为主体的演示实验;二是学生的分组探究实验。在教师实验演示中，教师是实验的操作者，学生在其中通过理论知识总结实验现象，教师也可以通过引导来锻炼学生的思考能力，加强学生对于化学教材上内容的理解。分组实验的形式有着一定的不同，学生既是实验现象的观察者，也是化学实验的实际操作者。学生可以在教师的引导之下通过分组配合来完成实验，这种形式能够很好地锻炼学生的动手实践能力，也能够有效结合化学课堂中的理论知识，实现理论和实践技能的双收获。

二、可视化微型化学实验的有关概念

（一）过程可视化的概念

可视化指的是利用直观且清晰的方式来表现出事物本身的特点，主要是利用计算机图形技术将某些抽象的事物直观地展示到电脑屏幕上，通过概念图、思维导图及认知地图等形式实现知识的可视化。可视化和过程可视化之间存在着一定的差别，可视化主要通过辅助设备使原来不容易观察到的现象变得更加明显，而过程可视化涵盖了两方面的内容，首先，是可视化的延展，也融合了过程的思维，展示出事物变化的过程。其次，过程可视化又和对事物的感知不同，将过程可视化的概念融入化学实验教学中，能够更加清晰和直观地展现出化学知识与概念，能够通过过程可视化方法展现出原本不能够直接观察的实验现象，更好地提升学生的观察效果。

（二）微型实验的概念

微型实验指的是利用绿色化学的理念和小型仪器来开展化学实验的一种方法，能够利用较少的资源来获取等量的实验信息。从表面上来看，微型实验只是使用较少的化学试剂和化学仪器。为了能够提升实验现象的观测效果，微型实验在仪器与试剂方面都有着一定的改变，实验流程设计和实验方法要随之变化。例如可以利用注射针管来充当滴管，也可以利用输液塑料管来替代玻璃导管，这样能够有效地降低实验室的成本。微型实验消耗的资源比传统实验形式更少，因此，能够最大程度上减少对环境的损害，还能够有效提升实验的效率。

（三）过程可视化微型实验

过程可视化微型实验将可视化技术与微型实验结合在一起，能够通过更少的资源实现更加明显的实验现象。过程可视化微型实验利用某种技术手段，可以将某些特殊的实验现象进行放大，能够提升教学实验的参与感。通常情况下，可以利用微距镜头以及具有存储功能的电子设备来开展过程可视化微型实验。微距镜头能够提供更好的观察体验，电子设备可以将某些反应剧烈的实验现象放慢，能够给予学生足够的观察时间，可以通过反复观察，学生还可以更细致地分析实验现象。

三、过程可视化化学实验的设计原则

（一）贴合教学目标

过程可视化微型实验的设计需要充分贴合教学目标，每一个实验都需要和课程内容进行结合，每一个实验都是为了加深学生对于教学内容的理解。因此，当进行过程可视化微型实验设计的过程中，就需要充分的考虑实验内容是否能够符合教学目标。

（二）符合学生的认知水平

化学实验的目的是让学生更好地掌握化学理论知识，因此，化学实验的设计就需要符合学生的认知特点。在设计过程可视化微型实验的过程中，首先需要结合学生的知识储备，参考学生普遍的认知能力，不能够设计过于复杂的实验，或者过多的考验学生的动手实践能力。如果实验中涉及很多学生未曾接触的知识，很有可能就会导致实验无法进行。

（三）实验原理科学严谨

化学实验需要符合实际的理论与原理，因此，在进行过程可视化微型实验的设计过程中，就需要针对实验原理进行设计，否则很容易会出现观察不到实验现象等问题，影响学生对于实验与理论知识的掌握。

（四）简化实验设备

开展过程可视化微型实验的初衷之一是节约实验成本，做到实验的普及。因此，在进行可视化微型实验的设计过程中，需要避免采用复杂的实验设备，这样还能够降低实验的难度，便于学生观察实验现象。通常情况下，开展可视化微型实验都有着仪器设备的选用标准，通常只选用比较常规的器具，使用较小剂量的化学药剂。

四、结合实例的可视化微型实验设计思路

（一）过氧化氢制备氧气实验的设计思路

过氧化氢制备氧气是初中化学实验中的重点内容，实验中使用了二氧化锰作为催化剂。在日常的实验教学中，教师为了验证氧气的产生，常用带火星的木条来进行检验，这种实验方式无法让学生直接获知氧气的生成速率。为了能够观察氧气生成的速率，教师可以再准备两个弹性较大的气球，通过气球的膨胀快慢就可以获知氧气的生成速率，在带火星木条复燃情况的基础上，加上气球来放大实验现象，使学生更直观地看到二氧化锰对过氧化氢的分解的催化作用。也可采用传感器，监测绘制氧气生成的速率图。这两种方法都可以体现实验可视化的设计思想。在讲解多种催化剂均可催化过氧化氢分解的这个反应时，提供仪器和药品，仪器中加入学生还未接触过的点滴板。学生有的会采用试管进行实验，有的则会选择使用点滴板进行实验，经过实验、小组对比分析，学生在整个科学探究过程中，体会到微型实验的优势，并有可能在后续实验中继续设计使用微型实验。

（二）有害有异味物质实验的设计思路

在化学实验中可能会产生有害有异味的物质，教师如果在此时选择播放网络视频的形式来替代实验，将会造成学生学习积极性的下降，不利于学生掌握相关知识点，学生也无法获得相应的实验技能。例如在教学微粒运动实验时，教师可以利用一个大烧杯将盛有浓氨水和酚酞试剂的两个小烧杯罩在里面。这个实验不会涉及很复杂的实验步骤，也有着比较明显的实验结果，因此比较适合以课堂展示的形式来进行。此外，教师也可以设计一套特别的实验设备，将一个具有分叉的试管用试管塞塞住，分叉试管的两端分别放置浓氨水和酚酞试剂。这种方法相比原有的方法也有很大的提升，教师可以将实验装置交给学生交换查看，更便于学生直接观察，能够充分调动学生的积极性，也不会污染教师环境，符合绿色化学的有关理念。

化学的教学方式需要充分结合理论知识与实验技能的培养，但是中学化学实验教学中还存在诸多的问题。为了能够有效提升学生的实验学习效果，就需要结合可视化微型实验的教学设计思路，从而提升学生的实验观察体验，能够进一步提升教学目标的实现效果。

（责任编辑：胡甜甜）

参考文献：

[1]孙佳林，郑长龙. 中学化学实验教学发展历程回顾及启示（下）[J]. 化学教育（中英文），2018，39（15）：44-48.

[2]张凤俊. 中学化学实验改进与创新研究——评《中学化学实验研究与创新》[J]. 化学教育（中英文），2020，41（17）：113.