夏振洋 李偉華 劉光文

（13重慶市彭水縣教師進(jìn)修學(xué)校 重慶 409600；2重慶市彭水縣國(guó)土局 重慶 409600）

數(shù)字可視化探究實(shí)驗(yàn)與學(xué)生邏輯思維研究*
——以“燃燒的條件”為例

夏振洋1李偉華2劉光文3

（13重慶市彭水縣教師進(jìn)修學(xué)校 重慶 409600；2重慶市彭水縣國(guó)土局 重慶 409600）

邏輯思維的養(yǎng)成，已成為目前學(xué)校教學(xué)的研究重點(diǎn)。通過化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)，可有效地提高學(xué)生的邏輯思維品質(zhì)，改善用腦衛(wèi)生。文章在綜述國(guó)內(nèi)外邏輯思維研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，選取數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)，并運(yùn)用常規(guī)實(shí)驗(yàn)法、數(shù)字可視化實(shí)驗(yàn)對(duì)照等研究方法對(duì)“可視化”理論對(duì)學(xué)生邏輯思維進(jìn)行過程闡述養(yǎng)成機(jī)理。

數(shù)字化；探究；實(shí)驗(yàn)；邏輯思維

隨著新課改思想的不斷深入，教與學(xué)的實(shí)踐卓有成效，在一些學(xué)校在改革中形成了“新現(xiàn)代教育”的雛形，通過縱深多重對(duì)比，為每一個(gè)教師的專業(yè)成長(zhǎng)提供了有力的平臺(tái)。

圖1

教師慕課、磨課等基本手段為教育的探究提供了抓手。 “課堂革命”的方略及特色為教學(xué)成果的創(chuàng)生提供了土壤。［1］現(xiàn)在，在教學(xué)的過程中不得不再提“能力教育”，通過同景實(shí)驗(yàn)、不同探究方法教學(xué)為學(xué)生獲得學(xué)習(xí)力提供了平臺(tái)。吳曉虹［2］等在可視化教學(xué)設(shè)計(jì)思維模型架構(gòu)，為本教學(xué)可視化實(shí)驗(yàn)探究提供了理論基礎(chǔ)。

一、實(shí)驗(yàn)原理

課題“燃燒和滅火”［3］中，探究燃燒的條件時(shí)，利用了圖1進(jìn)行探究。課題組擬通過數(shù)字化改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)條件的整合，自命問卷探究常規(guī)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的邏輯思維的影響。

二、實(shí)驗(yàn)儀器

筆記本電腦 （內(nèi)置 LogPro3．8．6軟件）、Lab Quest2、TCA-BTA溫度傳感器、大燒杯、兩支大試管、橡膠塞。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1．常規(guī)實(shí)驗(yàn)探究燃燒的條件

教材［4］所述實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯。基于白磷有劇毒，人的中毒劑量為15mg，致死量為50mg，實(shí)驗(yàn)需在通風(fēng)廚或抽風(fēng)設(shè)備下進(jìn)行。實(shí)際操作過程中可能出現(xiàn)銅片上白磷和燒杯中白磷都不燃燒，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，或者是燒杯中白磷也燃燒，可能是由于熱水中因有溶解氧而導(dǎo)致的，甚至有教師因考慮白磷的毒性，果斷放棄學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)甚至演示實(shí)驗(yàn)，這些因素都影響學(xué)生理解燃燒的真正起因，不便于總結(jié)燃燒的條件所需要素。

針對(duì)以上問題，在上課前先講述了實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象假設(shè)，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)的不足之處對(duì)學(xué)生講解后，有學(xué)生提出：因白磷及白磷燃燒產(chǎn)生的偏磷酸有毒，具有危險(xiǎn)性，對(duì)該實(shí)驗(yàn)提出了一些改進(jìn)意見，如圖2所示：

圖2

將紅磷與白磷分別加入到大試管a、b中，塞上橡膠塞，檢驗(yàn)裝置的氣密性，并在燒杯底部放白磷，然后加入60℃水。可以觀察到只有大試管a中有白煙生成，說明白磷在一定的溫度下和有氧環(huán)境中可以燃燒。而在燒杯底部的白磷和紅磷均不燃燒。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：白磷在60℃水與氧氣接觸時(shí)能燃燒。通過對(duì)照實(shí)驗(yàn)得出：燃燒時(shí)需要氧氣，b試管內(nèi)紅磷不燃燒，說明燃燒時(shí)溫度要達(dá)到著火點(diǎn)。

教學(xué)片段1

教師啟發(fā)學(xué)生：在實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)白磷燃燒的不劇烈，原因是什么呢？

《揭秘恐龍》以時(shí)間為經(jīng)，全景式地展現(xiàn)了恐龍的興衰、演變；以食性為緯，詳細(xì)介紹了不同恐龍的不同生存技能?！督颐靥铡费驖u進(jìn)地講述了有關(guān)太空的全方位知識(shí)?！督颐氐厍颉吩敿?xì)介紹了有關(guān)地球的各種知識(shí)，一探我們身之所處的地球的神奇與偉大?！督颐厝梭w》了解自我從了解人體開始，豐富有趣的人體知識(shí)，讓孩子在獲得知識(shí)的同時(shí)，學(xué)會(huì)如何保護(hù)自己，健康成長(zhǎng)。

學(xué)生：思索片刻后，應(yīng)該是氧氣的量不足造成的。

老師：有什么方法能看到白磷的充分燃燒呢？

學(xué)生：可以在a試管中接入一個(gè)裝置，再加上實(shí)驗(yàn)室制氧氣的裝置，比如：H2O2催化分解實(shí)驗(yàn)。

教師：好。（既探究了燃燒的條件，又復(fù)習(xí)了O2的制取，也得到了圖3裝置。在實(shí)驗(yàn)過程中可以觀察到白磷燃燒發(fā)出耀眼的強(qiáng)光，且實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的白煙沒有逸出現(xiàn)象，又提高學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)的環(huán)保意識(shí)。）

圖3

教師：同學(xué)們，對(duì)于白磷的燃燒有了定性認(rèn)識(shí)，若能進(jìn)一步分析燃燒與氧氣的量多少有沒有關(guān)系呢？

學(xué)生：思索…

教師：是否可以借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器定量認(rèn)識(shí)燃燒需要的條件？

2．?dāng)?shù)字可視化實(shí)驗(yàn)探究燃燒的條件

在課堂上利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)一步探究燃燒的條件

圖4

將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器按圖4連接，檢查裝置的氣密性良好后，取5g白磷放入大試管，將溫度傳感器探頭插入試管底部并放入60℃水中，5秒后，推注H2O2，采集數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

圖5

學(xué)生可以從投影到屏幕上的連續(xù)數(shù)據(jù)變化看到白磷在燃燒整個(gè)過程中的溫度實(shí)況。

教學(xué)片段2

師：同學(xué)們，請(qǐng)根據(jù)這上面的數(shù)據(jù)變化，思考為什么會(huì)有兩個(gè)峰值？

生：一個(gè)峰值845．7℃是說明可燃物在燃燒過程中有熱量的釋放，而另外一個(gè)峰值1013．5℃說明O2對(duì)燃燒有作用。

師：O2對(duì)可燃物燃燒有什么作用？助燃還是阻燃？

生：是助燃。

四、研究結(jié)果與分析

1．研究結(jié)果

研究采集81名被試學(xué)生，無效問卷4份，有效問卷77份，其中男生44人，女生37人。信度分析發(fā)現(xiàn)：所有項(xiàng)目的信度為0．737，問卷總體的信度為0．549。且根據(jù)項(xiàng)總計(jì)統(tǒng)計(jì)量的結(jié)果，在分析4、21中保留了原有問卷的所有項(xiàng)目，見表1。

表1 化學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字可視化實(shí)驗(yàn)相關(guān)性

表1表明，學(xué)生總體滿意度與實(shí)驗(yàn)滿意度存在顯著相關(guān)，對(duì)本節(jié)課總體滿意度越高的學(xué)生對(duì)其實(shí)驗(yàn)滿意度也越高。說明學(xué)生對(duì)課堂的滿意度在一定程度上對(duì)其實(shí)驗(yàn)的滿意程度存在一定影響，尤其表現(xiàn)在課堂對(duì)學(xué)生所學(xué)實(shí)驗(yàn)的配置實(shí)力上（課堂滿意度與學(xué)校關(guān)于試驗(yàn)配置實(shí)力的Pearson相關(guān)系數(shù)為0．165*）。

2．研究分析

通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化、可視化探究實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過程中的對(duì)照教學(xué)，學(xué)生的邏輯思維成長(zhǎng)機(jī)理可以通過圖6表示。邏輯思維包括是通過概念、推斷、推理等抽象的思維方式將具體事物與事物、事物與思維聯(lián)系起來，事物是客觀載體，思維是認(rèn)識(shí)和了解客觀世界的載體，即理性。思維的培養(yǎng)和養(yǎng)成是可以通過學(xué)校教育逐漸培養(yǎng)的，因?yàn)樗季S的各要素在這些實(shí)驗(yàn)探究過程中得以體現(xiàn)：在本節(jié)課中定性過程中由傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照是分析→對(duì)比→推理思維過程，綜合后得出燃燒的條件三要素，而定量過程是深層次的通過數(shù)字可視化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行剖析，將思維進(jìn)一步抽象化，概括化，使學(xué)生對(duì)燃燒的條件理解透徹：不僅知道了燃燒需要三要素，而且深知充分的燃燒放熱多的事實(shí)，為高中必修教材中“化學(xué)反應(yīng)與能量”章節(jié)奠定知識(shí)基礎(chǔ)。

圖6

解決實(shí)驗(yàn)過程數(shù)字化，反應(yīng)過程可視化，不僅能體現(xiàn)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的趣味性，更主要是引起學(xué)生邏輯思維表達(dá)的直觀性和流暢性，可以使學(xué)生通過數(shù)據(jù)變化反映客觀世界，從數(shù)學(xué)化實(shí)驗(yàn)儀器中獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)并比較、分析、綜合、抽象、概括、判斷、推理，這將會(huì)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)習(xí)慣，對(duì)其個(gè)體的成長(zhǎng)都具有深遠(yuǎn)的意義。

［1］ 鐘啟泉．為了未來教育家的成長(zhǎng)［J］．教育發(fā)展研究，2011，18：20-26

［2］ 黃金莎，吳曉虹，李文婷．“可視化”理念指導(dǎo)下的化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)［J］．化學(xué)教學(xué)，2015，2：44-47

［3］［4］王晶，鄭長(zhǎng)龍．義務(wù)教育教科書（九年級(jí)下冊(cè)）［M］．北京：人民教育出版社，2012，6（1）：128-129

1008-0546（2015）11-0086-03

G633．8

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10.3969/j．issn．1008-0546．2015．11．027

*重慶市教育科學(xué) “十二五”規(guī)劃2014年度課題 （2014-38-001）經(jīng)費(fèi)支持；彭水縣科委科技人才隊(duì)伍建設(shè)項(xiàng)目 （PSKJJHKJRC2014001）經(jīng)費(fèi)支持。