摘要：可視化實驗室使用高清攝影設(shè)備，將實驗現(xiàn)象和過程敏銳地捕捉并作藝術(shù)化處理，使肉眼難以觀察的美麗細節(jié)得以呈現(xiàn)，可運用于教師演示實驗、學(xué)生課外探究、開發(fā)校本課程、構(gòu)建校園文化等方面。可視化實驗室主要由高清攝像機、微距鏡頭、計算機、高架投影儀、光源背景等組成，亦可簡化為用手機拍攝。化學(xué)實驗蘊含大量的美點，學(xué)生在可視化實驗室有機會觀察到更多的美點，因而可以更容易地在觀察實驗現(xiàn)象、探究反應(yīng)機理、改進實驗手段、設(shè)計創(chuàng)新實驗的過程中發(fā)現(xiàn)美、鑒賞美、表現(xiàn)美、創(chuàng)造美，實現(xiàn)可視化實驗室輔助美育滲透于化學(xué)實驗教學(xué)的功能。

關(guān)鍵詞：可視化實驗室；美育滲透；科學(xué)美育；實驗室建設(shè)；實驗可視化

文章編號：1005–6629（2017）12–0010–04 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

1 引言

化學(xué)實驗中蘊含著美[1，2]。但是，為什么學(xué)生更容易感受到藝術(shù)中的美，而很難感受到實驗中的美？因為實驗美是含蓄的，它要求學(xué)生擁有更強的審美能力。那么，如何降低審美難度，讓學(xué)生都能感受到實驗中的美？筆者認為，一是可以將原本實驗的現(xiàn)象、過程等進行藝術(shù)化的圖像呈現(xiàn)（即實驗可視化），使其美學(xué)特征更容易被學(xué)生感知；二是可以改進實驗，使其美學(xué)特征更加突出和豐富。建設(shè)可視化實驗室的重要作用之一，就是服務(wù)美育在化學(xué)教學(xué)中的實施，讓學(xué)生更方便地體驗實驗美、創(chuàng)造實驗美。

2 實驗室建設(shè)

2.1 建設(shè)背景

在對美育的呼喚和重視經(jīng)過了一段相當(dāng)長的醞釀期之后，美育的具體操作實施層面有了實質(zhì)性的起步[3]。2011年，江蘇省南菁高級中學(xué)被省教育廳確定為江蘇省美育課程基地，美育校本課程的開發(fā)逐漸體系化[4]，其課程思路強調(diào)科學(xué)與人文相互滲透，將美育與包括科學(xué)在內(nèi)的各個學(xué)科有機結(jié)合[5]。后來，南菁高中又被確定為江蘇省微科技課程基地，學(xué)校高度重視實驗室的建設(shè)和投入，不斷更新和添置儀器及設(shè)備。建設(shè)“美育”和“微科技”兩大課程基地的契機為建設(shè)帶有美育功能的可視化實驗室提供了堅強的支撐。

筆者作為江蘇省微科技課程基地項目的核心成員，具有參與實驗室建設(shè)和校本課程開發(fā)的經(jīng)歷，完成了《微科技實踐錄》[6]和《菁創(chuàng)實驗：DIS數(shù)字化實驗室建設(shè)與課程開發(fā)》[7]等著作，為可視化實驗室的建設(shè)提供了基礎(chǔ)和經(jīng)驗。

2.2 建設(shè)思路

可視化實驗室主要通過改變實驗手段和觀察方式，使各種化學(xué)實驗的現(xiàn)象和過程能夠清晰美觀地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前?？梢暬瘜嶒炇易非髮嶒炁c美育的充分融合，使學(xué)生能在實驗的同時，獲得對美的體驗，產(chǎn)生對美的興趣，增強對美的認識，形成對美的追求。具體包含以下3個環(huán)節(jié)：（1）實驗中美的發(fā)生（產(chǎn)生）：讓學(xué)生意識到實驗中蘊含著美，實驗的發(fā)生就是美的發(fā)生；（2）從美的發(fā)生到美的體驗：讓學(xué)生親身經(jīng)歷到以前沒有發(fā)現(xiàn)的實驗美；（3）從美的體驗到美的創(chuàng)造：讓學(xué)生自己創(chuàng)造獨一無二的實驗美。

3 可視化實驗室的特征

3.1 實驗室的組成

3.1.1 常規(guī)實驗室

常規(guī)實驗室所需的設(shè)備儀器包括：高清攝像機（用于拍攝化學(xué)反應(yīng)，具有延時攝影、慢速播放、放大觀看等功能）、微距鏡頭（配合攝像機使用，用于拍攝小尺度的化學(xué)反應(yīng)）、三腳架、反應(yīng)容器（溶液反應(yīng)時，減少光干擾，如比色皿）、反應(yīng)減速劑（溶液反應(yīng)時，降低反應(yīng)速率，如凝膠）、光源（激光筆、LED發(fā)光板等）、背景（素色桌布、背景布等）、計算機（用于圖片和視頻的加工、存儲）、高架投影儀（用于教師演示時將實驗過程實時錄像并投影）等。

此外，還需要傳統(tǒng)實驗室中完成化學(xué)反應(yīng)所需的基礎(chǔ)試劑和儀器。為達到更好的實驗效果，一般要求儀器更潔凈、試劑純度更高。

3.1.2 高配實驗室

有條件的實驗室還可配備：熱成像攝像機（用于拍攝熱量變化明顯的化學(xué)反應(yīng)）、凈水裝置（用于除去自來水中的雜質(zhì)，排除干擾）、顯微設(shè)備（用于觀察和拍攝微觀現(xiàn)象，建議選擇數(shù)碼顯微鏡）、除塵設(shè)備（用于排除灰塵干擾）等。

3.1.3 簡易實驗室

對于農(nóng)村或偏遠地區(qū)的貧困學(xué)校來說，可以建設(shè)低成本的簡易可視化實驗室，用智能手機代替購置費用較高的高清攝像機、微距鏡頭和計算機。具體做法是：（1）常規(guī)實驗：用迷你三腳架和手機夾調(diào)整和固定手機的位置，用手機后置攝像頭的延時攝影等功能直接拍攝，用手機軟件直接完成對圖片、視頻的后期處理；（2）微觀實驗：將手機前置攝像頭打開，用塑料夾夾住一個玻璃珠透鏡（可從顯微鏡的鏡頭上拆下）并放置在手機表面（透鏡正對攝像頭），然后將反應(yīng)容器（玻璃皿、培養(yǎng)皿或載玻片）架在塑料夾上方，用手機的延時攝影等功能拍攝[8]；（3）熱量變化明顯的實驗：直接購買可與手機攝像頭配合使用的熱成像攝像頭拍攝，不必專門購買熱成像攝像機。

3.2 實驗室滲透美育的作用

借助化學(xué)實驗蘊含大量美學(xué)特征的特點，發(fā)揮可視化實驗室讓學(xué)生觀察更清楚的優(yōu)勢，可視化實驗室在完成傳統(tǒng)實驗教學(xué)任務(wù)的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)對學(xué)生“美育”的滲透，培養(yǎng)和提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)美、鑒賞美、表現(xiàn)美、創(chuàng)造美的能力，其具體實現(xiàn)方式見表1。

3.3 實驗室的使用方式

3.3.1 實時投影演示實驗

教師在傳統(tǒng)教室做演示實驗時，學(xué)生（尤其是后排學(xué)生）因為離教師太遠，常?？床磺鍖嶒灲Y(jié)果，更看不清實驗過程。但在可視化實驗室，教師可以用高架投影儀拍攝需要演示的實驗，并將實驗現(xiàn)象同步投影在屏幕上，為學(xué)生直播演示實驗。

例如教師演示在硫酸亞鐵溶液中滴加氫氧化鈉的實驗時，學(xué)生可以直觀清晰地觀察到沉淀從生成到變色的全過程。這些細節(jié)現(xiàn)象可以讓學(xué)生獲得直觀、深刻、感性的認識，并因此產(chǎn)生美的享受。endprint

3.3.2 服務(wù)課外探究實驗

在實驗過程中，學(xué)生可能會對反應(yīng)機理產(chǎn)生疑惑，或是對異?，F(xiàn)象產(chǎn)生好奇，這些問題都能作為科學(xué)探究的課題。在可視化實驗室，學(xué)生可以用先進的設(shè)備輔助觀察，使體現(xiàn)反應(yīng)機理卻又難以被肉眼觀察到的細節(jié)得以呈現(xiàn)。如用可視化設(shè)備觀察鋁帶在硫酸銅溶液中的置換反應(yīng)[9]：通過觀察鋁帶表面生成“銅樹”的生長方式，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)銅離子被還原后是直接沉積在銅樹上的（而不必先遷移到鋁帶表面），可以方便直觀地得出結(jié)論：銅鋁置換反應(yīng)時形成了銅鋁原電池?？梢哉f，用可視化實驗室可以高效地、直接地讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)新奇的未知現(xiàn)象，為學(xué)生深層次地分析、質(zhì)疑實驗提供機會[10]，這為課外探究提供了新的思路和方法。

3.3.3 開發(fā)可視化校本實驗課程

以校本課程形式開展的可視化實驗課程力求化學(xué)與美的結(jié)合，其主要內(nèi)容包括學(xué)習(xí)攝影設(shè)備的使用方法（1課時）、將教材實驗可視化（6課時）、設(shè)計開發(fā)美學(xué)特征明顯的實驗（8課時）、展示作品和交流經(jīng)驗（2課時）、總結(jié)和考核課程（1課時）等。課程實施小組合作探究制，每組一套儀器設(shè)備。課程前期由教師給出選題參考，學(xué)生根據(jù)興趣自由選擇、自由嘗試；后期由教師給予點撥引導(dǎo)，學(xué)生根據(jù)自己對美的理解自由探究、自由創(chuàng)作；期末根據(jù)學(xué)生小組的成果質(zhì)量打分，作為課程考核的主要依據(jù)。

3.3.4 構(gòu)建校園文化

可視化實驗由于極具美感和視覺沖擊力，具有很好的科普效果，能豐富美麗校園的內(nèi)涵。這些成果（圖片、視頻等）可在校園櫥窗、實驗室、走廊、校園網(wǎng)、微信公眾號展示，潛移默化地改變學(xué)生“科學(xué)和美無關(guān)”、“科學(xué)嚴謹卻枯燥”的錯誤認識。同時可以建設(shè)普及化的實驗可視化社團，在學(xué)生群體中營造喜愛科學(xué)、欣賞科學(xué)、崇尚科學(xué)的氛圍。

4 實現(xiàn)美育滲透的方式

4.1 欣賞可視化影像，發(fā)現(xiàn)美

在可視化實驗室，學(xué)生通過觀看他人拍攝的可視化實驗影像，可以從簡單微小的細節(jié)中獲得嶄新的視覺發(fā)現(xiàn)，重新感受忽略已久的實驗美點（生成沉淀、產(chǎn)生氣泡、表面氧化、顏色變化、溶質(zhì)溶解、析出晶體、產(chǎn)生煙霧、發(fā)光、反應(yīng)速率變化等），并因此產(chǎn)生美的感受。

以普通的沉淀反應(yīng)為例，原本學(xué)生只能觀察到澄清溶液變渾濁的現(xiàn)象，而現(xiàn)在學(xué)生能夠清晰地看見沉淀發(fā)生的細節(jié)過程：固體從滴入點逐漸生成，根據(jù)液體流動的方向像絲帶一樣擴散開來，顏色由淺至深，體積由小到大，最后大塊的沉淀生成物緩緩落下……學(xué)生原本可能以為沉淀反應(yīng)是模糊的、瞬間完成的，但現(xiàn)在卻能新奇地發(fā)現(xiàn)沉淀反應(yīng)其實也有個美麗的生成過程。

此類可視化實驗影像的來源有：（1）教師演示實驗（直播或錄播皆可）；（2）往屆學(xué)生的作品；（3）向高校、社會收集可視化實驗的資源包，例如梁琰等人組成的“美麗化學(xué)”團隊完成了大量的可視化實驗[11]，并在網(wǎng)上免費公布了部分圖片和視頻素材，讀者可自行下載觀看。

4.2 將教材實驗可視化，鑒賞美

學(xué)生在攝像設(shè)備的輔助下重做已經(jīng)做過的教材實驗，能夠在對比中體會到不同實驗的不同形式的美，其鑒賞美的能力會得到提升。

在當(dāng)前教育中過分強調(diào)應(yīng)試技能的背景下，中學(xué)的“做實驗”常常變成“講實驗”，教師也不得不強調(diào)對實驗現(xiàn)象的“規(guī)范（格式化）”的描述，甚至給出固定的模板，使學(xué)生所理解的實驗現(xiàn)象變得千篇一律。

例如，在氫氧化鈉溶液中滴加硫酸銅和在硫酸銅溶液中滴加氫氧化鈉的實驗現(xiàn)象都可以描述為“溶液變渾濁，生成藍色沉淀”，這很容易導(dǎo)致學(xué)生誤以為兩者現(xiàn)象完全一樣。但用可視化設(shè)備觀看這兩個實驗就不難發(fā)現(xiàn)：前者沉淀呈絮狀、不易散開、顏色較深，像揉成一團的絲綢；后者沉淀脆而散、顏色較淺，像一片片散落的魚鱗，這是兩種不同形式的美[12]。

再如，被一模一樣地描述為“生成無色氣體”的各種實驗，其實際現(xiàn)象也可能存在很大差異。鋁與濃氫氧化鈉溶液的反應(yīng)在生成氣體的同時放出大量的熱，反應(yīng)速率隨溫度升高而越來越快，生成的氣體噴涌而出，溶液很快沸騰，產(chǎn)生大量白霧，這是活躍的美；鐵單質(zhì)與稀硫酸的反應(yīng)則緩慢、平靜地產(chǎn)生氣體，生成的氣泡逐漸從小變大，一個個地脫離鐵單質(zhì)表面，這又是文靜的美；而鎂單質(zhì)與稀硫酸的反應(yīng)則介于兩者之間，是不溫不火的美。

進一步地，學(xué)生可以比較不同實驗美的差異，并通過深入的思考，用化學(xué)原理（反應(yīng)機理）解釋其原因。這種用自然規(guī)律分析美、比較美、解釋美的過程，已經(jīng)不僅僅是對美的感受，而達到了鑒賞美的層次。

4.3 改變實驗手段，表現(xiàn)美

在更高的開放層次上，可以讓學(xué)生改變實驗手段，進一步強化現(xiàn)象的可視化效果，使實驗中的美點更加凸顯，在此過程中培養(yǎng)表現(xiàn)美的能力。

例如，許多溶液反應(yīng)的速率太快，雖然使用了高清攝像機，但是仍然難以捕捉迅速變化的細節(jié)。這時可以用無色透明、凝膠狀態(tài)的其他物質(zhì)（瓊脂、硅膠、聚丙烯酸鈉等）代替水，作為新的介質(zhì)。這些凝膠可以減緩離子的運動速率，在降低反應(yīng)速率的同時減少了有色離子擴散帶來的視覺干擾，使實驗的美點能更清晰地被學(xué)生觀察、感知。此外，選擇合適的拍攝角度和拍攝焦距、選用突顯現(xiàn)象的燈光和背景（例如白色沉淀用黑色底襯，彩色沉淀用白色底襯）、優(yōu)化反應(yīng)物的劑量和擺放方式等方法都能增強美的表現(xiàn)。

4.4 設(shè)計創(chuàng)新實驗，創(chuàng)造美

如果說表現(xiàn)實驗美是加強實驗的美點，那么創(chuàng)造實驗美就是要讓學(xué)生改進教材實驗，或設(shè)計新實驗，創(chuàng)造原本沒有的實驗美點。

對改進教材實驗來說，即使是同一個反應(yīng)，實驗現(xiàn)象也會因為反應(yīng)物濃度不同、反應(yīng)時間不同、添加方式不同（滴加還是直接倒入）、添加先后順序不同、實驗容器不同、實驗溫度不同等因素而產(chǎn)生差別，或許就會產(chǎn)生新的美點。對設(shè)計新實驗來說，學(xué)生可自由選題，自由設(shè)計，自由地發(fā)揮美的理念來豐富實驗的內(nèi)涵。因此，學(xué)生在可視化實驗室可以學(xué)以致用，根據(jù)自己對美的理解，產(chǎn)生千變?nèi)f化的實驗現(xiàn)象，創(chuàng)造千變?nèi)f化的美。endprint

5 實驗室建設(shè)展望

本文所指的可視化主要是實驗現(xiàn)象和過程的可視化，進一步地，可以拓展到實驗數(shù)據(jù)和思維的可視化。數(shù)據(jù)可視化可以利用DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)實現(xiàn)，使復(fù)雜的實驗數(shù)據(jù)以圖像的形式直觀地呈現(xiàn)。思維可視化可以用計算機仿真軟件配合AR/ VR技術(shù)實現(xiàn)，使學(xué)生獲得對復(fù)雜化學(xué)結(jié)構(gòu)等模型的直觀印象[13，14]。這些可視化的拓展都能夠降低學(xué)生的認知負擔(dān)，方便學(xué)生體驗實驗之美。

可視化實驗室的技術(shù)手段還可服務(wù)于其他學(xué)科，促進學(xué)科間的交叉和融合。例如《菁創(chuàng)實驗》（DIS化學(xué)創(chuàng)新實驗）校本課程[15]中的許多實驗也具有美感，可以進一步開發(fā)為可視化實驗。未來，可視化實驗室還需要與物理、生物等其他學(xué)科整合，例如用植物花瓣中的色素代替指示劑，在花瓣上直接滴入酸液或堿液，拍攝并觀察顏色變化，這種對生物材料的整合使顏色變化更豐富。此外，生物細胞實驗、物理光學(xué)實驗等都可以作為良好的可視化素材。

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