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例谈微观世界可视化的教学设计

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陈洲

摘要：以《微粒的性质》的教学为例，从定量计算、实验探究、图像表征和体验分析四个视角提供了教学设计片段和实验设计，分析了微观世界可视化的途径和方式，努力实现微观世界的可视化，培养学生的抽象思维能力，在宏观与微观之间架起桥梁。

关键词：微粒的性质;可视化;定性与定量;数字化实验

文章编号：1008-0546（2021）01-0057-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.01.015

“可视化”最初起源于西方词汇“Visualization”，可以直译为为图像化，图形化，使某样东西能够清晰的呈现。随着信息技术、数字化试验技术的飞速发展，知识可视化逐渐发展成了新的热点。钱程、马宏佳教授提出“从教学应用的角度看，知识可视化的实质是将抽象的知识、概念及过程以图解的手段表示出来，形成能够直接作用于人的感官的视觉表征，从而促进学习的发生、知识的传播和创新”[1]。

九年级化学教材（上海教育出版社，教育部2012年审定）[2]第3章“构成物质的奥秘”知识比较抽象，学习内容集中在微观世界，看不见、摸不着，对于许多学生来说是一个难点。因此，教师在组织学生学习的过程中，要精心设计学习环节，采取多种方式让微观世界在学生面前直观呈现，化抽象为具体，实现微观世界的可视化，培养学生的抽象思维能力，努力在宏观与微观之间架起桥梁。

一、通过定量计算实现微观世界可视化

《微粒的性质》学习中，“微粒很小”教学片段设计如下：

[教师活动]（呈现资料卡）1滴水中，构成水的微粒（水分子）约有1.7x1021个，20滴水的总体积大约为1mL，请计算一个水分子的质量。

[学生活动]通过所给资料，计算每一个水分子的质量，并用科学计数法表示水的质量。

[教师活动]（呈现资料卡）一颗黄豆、一粒大米、一粒芝麻的质量。

[学生活动]比较一个水分子和它们的质量大小。

[师生共同活动]老师带领学生将一个水分子质量的科学计数法结果展开，学生通过小数点后“0”的数目来进一步感受水分子的质量。

[学生活动]得出结论：微粒很小，小到肉眼看不到。

本教学片断通过学生亲自计算，得出一个水分子的质量大约在10-26kg，让学生在数字上初步感受到水分子非常小，再通过与一颗黄豆、一粒大米、一粒芝麻的质量大小的对比分析，感受一个水分子的质量远远小于宏观的小颗粒物质。10-26kg这样的数字还不能明显地促进学生对微粒大小的认识，因此教师带领学生将这一科学计数法的数字铺开，用小数点后“0”的数目让学生惊叹，进一步对水分子的渺小产生深刻的印象。通过定量计算，将微观世界看不到的“小”用数字清晰地呈现在学生的面前。学生通过亲身的体验，减少了想象，感受了真实，增强了认识。

二、通过实验探究实现微观世界可视化

《微粒的性质》学习中，“微粒在不断运动”教学片段设计如下：

[学生活动]分组实验1：向烧杯A中加入20mL蒸馏水，滴人2-3滴酚酞试液，得到溶液甲，向溶液中慢慢滴加浓氨水[3]。

[教师活动]演示实验2：如图1，向烧杯C中加入20mL蒸馏水，滴人2-3滴酚酞试液，得到溶液甲。在烧杯B中加入3mL-5mL浓氨水，用一只大烧杯把B、C两个烧杯罩在一起，观察实验现象[4]。

[学生活动]交流与讨论：实验1的目的是什么？通过实验2可以得到什么结论？同时画出氨分子的运动轨迹图。

[教师活动]演示实验3：如图2所示，将氨水放人右边的试管，酚酞试液加入左边的试管，中间用橡皮导管连接起来，一套置于常温下，另一套浓氨水放人热水中，观察现象。

[学生活动]观察演示实验，思考热水的作用是什么？为什么要用两套一样的实验装置？

[师生合作活动]学生分析现象，基于现象得出初步结论，教师进行点拨和补充，得出微粒在不断运动的结论。

此环节实验1主要是让学生了解氨水的性质——它可以使酚酞试液变红。实验2浓氨水和酚酞不接触，但酚酞试液变红了，说明氨气分子从左边烧杯中到了右边的酚酞溶液中，再通过让学生画出氨分子的运动轨迹图，证明微粒是在不断运动的。实验3通过常温和热水两种温度下的对比，学生真实地看到酚酞试液变红的快慢，从而感受到温度越高，微粒的运动越快。本教学片断，通过实验探究及对实验现象的分析推理，让学生真真切切地体会到了微粒是在不断运动的。

三、通過图像表征实现微观世界可视化

在上述“微粒在不断运动”教学片段中，通过实验探究让学生看到氨水分子会从一个烧杯运动到另一个装有酚酞的烧杯中，使酚酞试液变红，利用的是氨水易挥发，氨水显碱性使酸碱指示剂变色的原理，主要涉及的是定性的分析。作为教师，尤其在复习课的教学中，还可以从定量的角度研究从图像变化的视角来表征微粒的运动，实现微观世界的可视化。

1.实验原理

定量角度