宋永輝　劉潔

“可視化（Visualization）”一詞最早出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。可視化技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái)，并進(jìn)行交互處理的技術(shù)?？梢暬夹g(shù)在化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用，常見(jiàn)的有以下三種。

一、微觀世界的可視化

化學(xué)是研究物質(zhì)的本質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成的，目前能直接觀測(cè)到分子級(jí)別的顯微設(shè)備只有電子顯微鏡。普通的初級(jí)中學(xué)一般不配備電子顯微鏡，所以學(xué)生的微觀世界只能局限在想象或是模擬中。想象和模擬無(wú)法替代實(shí)際觀察，所以對(duì)微觀世界的可視化尤為重要。

下圖是筆者為總結(jié)物質(zhì)構(gòu)成的奧秘而設(shè)計(jì)并制作的一組動(dòng)畫(huà)（圖1）：

筆者先用文字來(lái)描述一下整個(gè)動(dòng)畫(huà)的設(shè)計(jì)意圖和動(dòng)畫(huà)過(guò)程：（1）點(diǎn)擊水電路中的電鍵，開(kāi)始發(fā)生水電解反應(yīng)。直觀生動(dòng)的動(dòng)畫(huà)，引導(dǎo)學(xué)生很好地回顧了電解水實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和現(xiàn)象。（2）水槽中的水放大出圖①。不斷運(yùn)動(dòng)的水分子，生動(dòng)地展示了水的微觀構(gòu)成，并體現(xiàn)出微觀粒子不斷運(yùn)動(dòng)和有間隔的特點(diǎn)。（3）從圖①中放大2個(gè)水分子進(jìn)入圖②，并用動(dòng)畫(huà)展示這2個(gè)水分子分割成6個(gè)原子，即2個(gè)氧原子和4個(gè)氫原子，再由它們分別組合成1個(gè)氧分子和2個(gè)氫分子。（4）動(dòng)畫(huà)顯示，從圖②中分出兩個(gè)圖③，即n個(gè)氧分子和2n個(gè)氫分子，兩個(gè)圖③再動(dòng)態(tài)地縮小至其對(duì)應(yīng)的試管中，出現(xiàn)氫氣、氧氣的文字及相關(guān)化學(xué)式、化學(xué)反應(yīng)符號(hào)表達(dá)式。

整個(gè)動(dòng)畫(huà)生動(dòng)形象，運(yùn)用特寫(xiě)的方式展示了水是由水分子構(gòu)成，氫分子與氧分子分別構(gòu)成了氫氣與氧氣，而且分子個(gè)數(shù)與氣體的體積是成正比的，同時(shí)動(dòng)態(tài)地揭示了化學(xué)變化的實(shí)質(zhì)是原子的重新組合。在這段動(dòng)畫(huà)中，從宏觀物質(zhì)“水”的電解，到微觀的水分子、氫原子、氧原子、氫分子和氧分子，又到宏觀的氫氣、氧氣，最后給出三種物質(zhì)的化學(xué)式以及水電解的化學(xué)反應(yīng)的符號(hào)表達(dá)式，回歸到了符號(hào)表征，完美地詮釋了三重表征的奧妙。此外，在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)方面，這段動(dòng)畫(huà)幫助學(xué)生完成了從宏觀辨識(shí)到微觀探析的過(guò)渡與遷移，使他們能從宏觀到微觀相結(jié)合的視角分析和解決實(shí)際問(wèn)題。

二、實(shí)驗(yàn)信息的可視化

實(shí)驗(yàn)是化學(xué)研究物質(zhì)的基本手段和方式，初中化學(xué)課堂上的演示實(shí)驗(yàn)都是精選過(guò)的有代表性且現(xiàn)象明顯、說(shuō)服力較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)。從教與學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，這些可視化的實(shí)驗(yàn)是為了加強(qiáng)視覺(jué)刺激，讓學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)原理。

1.實(shí)驗(yàn)原理的可視化。實(shí)驗(yàn)原理非常重要，但學(xué)生往往難以理解。筆者常常借助可視化理論，用卡通畫(huà)、實(shí)驗(yàn)?zāi)M圖、動(dòng)畫(huà)視頻等幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理。如圖2，一氧化碳還原氧化銅就是一氧化碳分子奪取了氧化銅中的氧原子變成了二氧化碳分子，原理也是一目了然。

2.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是典型的視覺(jué)信息，教師在講臺(tái)上進(jìn)行的演示實(shí)驗(yàn)，若想讓全班學(xué)生都能看得一清二楚是基本不可能的，所以我們往往會(huì)拿著正在反應(yīng)的試管“繞場(chǎng)一周”，有些實(shí)驗(yàn)甚至根本不給你繞場(chǎng)一周的機(jī)會(huì)。條件好的地區(qū)或?qū)W校，會(huì)在講臺(tái)上配備視頻展臺(tái)，可以實(shí)時(shí)將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象投影到大屏幕上，這不正是將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化的一個(gè)典型代表嗎？還有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很難清晰地呈現(xiàn)出來(lái)，比如我們?cè)跈z驗(yàn)?zāi)咎窟€原氧化銅的產(chǎn)物二氧化碳時(shí)，石灰水往往很難變渾濁，給課堂帶來(lái)尷尬的時(shí)刻，假如我們能在此刻借助一段實(shí)驗(yàn)視頻或?qū)嶒?yàn)?zāi)M動(dòng)畫(huà)，不是正好起到必要也及時(shí)地補(bǔ)充嗎？

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可視化。為研究某一物質(zhì)或探究一種假設(shè)，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)收集必要的證據(jù)，這個(gè)證據(jù)可以是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也可以是實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)。有些時(shí)候，收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更具有科學(xué)性和客觀性。在講授“復(fù)分解反應(yīng)原理”時(shí)，筆者運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)反應(yīng)后溶液中的離子濃度，得出復(fù)分解反應(yīng)實(shí)質(zhì)，即離子因結(jié)合成難電離物而減少這一事實(shí)。實(shí)驗(yàn)中，筆者選取了氫氧化鋇溶液與稀硫酸的反應(yīng)，通過(guò)離子濃度檢測(cè)儀，將不同時(shí)刻燒杯中的離子濃度記錄下來(lái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制成函數(shù)圖像（圖3），并同步投影到大屏幕讓學(xué)生觀察。這樣做不僅非常準(zhǔn)確地反映出溶液中離子濃度的變化過(guò)程，而且也讓學(xué)生很直觀地感受到溶液中離子濃度的變化，感知到反應(yīng)的發(fā)生。

實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可視化，讓學(xué)生更加理性、直觀地讀懂了整個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神與創(chuàng)新意識(shí)起到了積極的作用。

三、解題方法的可視化

現(xiàn)有氧化鐵、稀鹽酸、氫氧化鈉溶液、氫氧化鎂、氯化鋇溶液和硫酸銅溶液六種物質(zhì)，在常溫下兩兩相互發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有（ ）。

A.4個(gè) B. 5個(gè) C. 6個(gè) D.7個(gè)

這道題的難度在于，在數(shù)反應(yīng)個(gè)數(shù)時(shí)，學(xué)生很容易漏選或重選。要想既快又準(zhǔn)地?cái)?shù)出反應(yīng)個(gè)數(shù)，方法至關(guān)重要。筆者用PPT設(shè)計(jì)了一個(gè)動(dòng)畫(huà)：先投影出六個(gè)物質(zhì)的化學(xué)式，讓第一種物質(zhì)氧化鐵“站出來(lái)”，依次判斷其是否和后面五個(gè)物質(zhì)反應(yīng)，最后統(tǒng)計(jì)反應(yīng)個(gè)數(shù)，并顯示在氧化鐵下方；然后讓第二種物質(zhì)鹽酸“站出來(lái)”，依次判斷與后面四種物質(zhì)的反應(yīng)……最后將所有的反應(yīng)個(gè)數(shù)合并，即可得出答案（圖4）。

這個(gè)PPT動(dòng)畫(huà)清楚地講述了解答這道題的方法，學(xué)生很容易接受。

（作者單位：宋永輝，武漢市吳家山第三中學(xué)；劉潔，武漢市第二初級(jí)中學(xué)）

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