电子化学实验应用利用信息技术开展“没有试剂”的仿真实验，这个化学老师带给学生新鲜的学习样态|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

利用信息技术开展“没有试剂”的仿真实验，这个化学老师带给学生新鲜的学习样态

来源：【中国教师报】

化学教学离不开实验，为了带给学生更真切的体验和更直观的感受，上海市娄山中学化学教师张玉珍开始将信息技术广泛引入课堂教学。线上教学期间，张玉珍进一步利用信息技术引导学生开展“没有试剂”的仿真实验。通过不断探索与研究，张玉珍让自己的课堂教学与信息技术相融合，产生了和谐而有趣的“化学反应”。

张玉珍 上海市娄山中学化学教师，创新的实验作品、教学案例在各类比赛中屡获佳绩。她热爱教学，乐于创新，在上海教育数字化转型背景下，以长宁数字基座为基础，积极探索网络互动教学平台、DIS数字化实验系统、语音作业平台等信息化手段在化学教学中的应用。

“老师，仪器太小了，你的演示动作我看不清。”一个坐在教室后排的学生说道。上海市娄山中学化学教师张玉珍经常遇到这样尴尬的问题——化学教学离不开实验，只有通过实验才能让学生获得真切的体验、直观的感受，才能培养学生探究问题、解决问题的能力；然而许多实验仪器过于“精致”，教师演示实验步骤时只有前排学生能看清。这个问题困扰了张玉珍很久，后来她开始寻求信息技术的帮助，将演示步骤录成视频同步分享给学生，许久以来的困扰迎刃而解。

“这其实不算什么高级的技术，却拓宽了我的思维和视角。面向未来的教师不能停下自己的思考，应该充分利用信息技术改变固有的教学模式 。”现在的张玉珍说到钻研信息技术，熟练运用网络、视频、电子白板、小程序等各种工具，俨然成了学校里的“技术达人”。

从电子白板到数字化实验

2017年张玉珍第一次接触交互式电子白板，作为工作刚刚一年的新教师，这款白板让她眼前一亮：“它的功能非常强大，兼电脑、电视、投影、音响等诸多功能为一体，内置的软件兼具备课功能和授课功能。”在随后的教学中，张玉珍开始探索电子白板各类学科工具在教学中的应用，比如放大镜、聚光灯、拉幕、隐藏、神奇移动等，将传统课堂的师生一问一答变成学生之间的“知识PK挑战赛”“闯关游戏”，让学生以多种方式参与学习、巩固知识、提高能力。

化学课离不开做实验，但是面对整个班级，教师很难实时关注每个学生的实验操作过程。每当遇到一些实验出现意外或者失败的时候，张玉珍就会很无助，因为很可能她和学生都不知道问题出在哪里，学生最后只能“知其然而不知其所以然”。那么，是否可以利用电子白板的“传屏”小工具改善这个问题？经过一段时间的摸索，张玉珍找到了“答案”，她使用电子白板录制学生的实验过程并同步到教室白板上，实验结束后可以通过视频追溯整个实验过程。“学生实验过程中再出现问题，如果实验之后实在想不起来具体操作细节，我就启用视频回放功能，帮助他们发现问题并解决问题。”张玉珍说道。

随着对电子白板的应用愈发熟练，张玉珍开始以此为载体挖掘新的使用方法，进而与数字化实验系统、班级优化大师等平台互联互通、融合应用。2018年，张玉珍参加上海市中小学教师实验能力大赛，参赛课例是《气压背后的故事》。这是一节初三化学复习课，张玉珍组织实验时有一些顾虑：在“探究氢氧化钠与二氧化碳反应”实验中，氢氧化钠溶液注入盛满二氧化碳气体的锥形瓶后没有任何反应，而且氢氧化钠溶液和二氧化碳气体都是无色的，学生能理解“两种物质接触气压减小”吗？

“数字的大小变化是最直观的，如果可以让学生直接看到实验过程中的压强变化数值，肯定有助于他们对实验的理解。”带着这个想法，张玉珍尝试使用压强传感器进行数字化实验。直观数据的问题解决了，但是在磨课过程中，张玉珍发现数字化实验的系统操作界面对于初中生而言过于复杂——能否针对“氢氧化钠与二氧化碳反应”这个实验设置一个小软件呢？带着这个有些大胆的想法，张玉珍联系了相关技术人员，得到“可以试一试”的答复后，她将自己想要的界面、参数和效果通过绘图的形式告诉技术人员，经过一段时间的调试后共同完成了这个小软件的设计，最终突破了课堂教学的难点。

化学教学中有许多需要突破的难点，尤其是在促进学生认知方面，数字化实验是一种新的技术手段，张玉珍对此有很深的感触。“以往的教学中，每当讲到‘碳燃烧可能会产生一氧化碳’时，我会使用‘一氧化碳报警器’作为辅助工具。”张玉珍告诉记者，“当听到警报声时，有的学生露出害怕的表情，有的学生发出惊恐的叫声——在许多学生心中，化学就等同于爆炸、有毒等负面词语。”为了让学生形成正确且正面的认识，张玉珍用一氧化碳气体传感器代替了报警器，并设计了一个三通道的密闭、环保的实验装置，让学生切实“看到”一氧化碳就在身边，帮助学生克服对化学物质产生的过度恐惧，同时也帮助他们树立安全意识和科学精神。

“虽然信息技术如此重要，但是千万不能喧宾夺主、本末倒置，甚至成为吸引眼球的噱头。” 在张玉珍看来，信息技术与课堂教学是相互融合的关系，可以帮助教师创设情境、整合资源、突破难点、获取反馈。至于“融合”的前提，则是教师对课堂教学的深入研究和整体把控。

线上教学新样态

2020年开始，新冠疫情让线上教学成为常态，曾经的教室转移到“云端”，一条条网线成为教与学之间的纽带。许多教师一开始很不适应线上教学，只是单纯把在教室上课时的教学方式和教学内容对着屏幕“复制”一遍，教学效果也就可想而知。不过张玉珍没有这个困惑，之前对数字化实验的摸索已经让她能够熟练运用信息技术，线上教学更是如鱼得水——开发互动工具、设计虚拟实验、录制“知识胶囊”、巧用问卷功能、搭建资源平台……张玉珍的“小妙招”一个接着一个。

不仅如此，张玉珍进行线上教学时，经常使用网络平台内置的抢答器、答题器、小黑板、计时器、分组讨论等工具，与学生充分互动，激发学生的学习兴趣。如果出现多方案的开放型题目，张玉珍会在课前5分钟让学生通过抢答器、讨论区发言等方式进行方案互评，学生每一次发言都会获得一个“小奖杯”，累计一定数量的“小奖杯”可以兑换奖品；在每一部分教学内容结束时，张玉珍还会使用投票器功能，让学生对自己的学习进度、学习兴趣、学习效果等进行反馈，从而及时调整自己的教学方式和教学节奏。“这些做法都是为了给学生创设学习情境，激发学生的学习兴趣。他们虽然不能像以前那样坐在教室学习，但仍然能够拥有一个较好的学习氛围。”张玉珍说道。

线上教学无法使用学校的实验室，又该如何开展化学实验呢？这是一个严峻且绕不开的问题。一开始，张玉珍筛选、整合了一些实验视频供学生观看，但很快发现效果不佳——实验不能只用眼睛看，必须亲自动手做才行。于是，张玉珍开始设计虚拟仿真实验，让学生在线进行模拟实验。

每节课后张玉珍都会安排“在线答疑”环节，但是她发现集体答疑无法满足学生的个性化需求，同时还会增加学生的负担。因此，张玉珍使用电子白板的小工具“知识胶囊”来录制微课，然后通过后台监控统计一系列信息，包括观看视频学生的名单、播放的次数、学习的时长等。在“金属废液”专题知识的“胶囊数据”中，张玉珍发现有超过半数的学生观看了许多次，她开始反思自己的微课——是否解题思路不够形象，是否语言表达不易理解，是否学生对这部分内容确实存在认知困难？带着这些思考，张玉珍一次次修改微课内容，力求精益求精。

“教师与学生无法面对面问答、交流，这肯定会对教学效果有影响，所以我们一定要利用信息技术增加线上教学的互动性、真实性、实效性 ，同时带给学生新鲜的学习样态。”张玉珍告诉记者。

信息技术推动课堂转型

如何运用信息技术推动课堂转型？作为较早“吃螃蟹的人”，张玉珍一直针对课堂教学中的种种问题进行深入而系统的研究。

在一次讲解“木炭还原氧化铜生成的气体是二氧化碳”时，许多学生提出了质疑，他们认为理论上也有产生一氧化碳的可能。其实往届学生也提出过类似质疑，张玉珍总以“考试不要求”为由避而不答，但是随着教学经验的增长，她越发觉得“逃避”不是一个好的选择。“对问题的有意忽略会打击学生进一步探究的兴趣，甚至会影响他们发展批判精神。”张玉珍一边“检讨”自己，一边开始了深入探索。

“我设计了W型管实验，想从定性的角度去检验学生的猜想，但是在多次实验后发现，能够证明有一氧化碳产生的实验现象非常不明显，我只好再一次寻求数字化实验的帮助。”张玉珍说道。经过反复设计、改进、完善，张玉珍成功运用数字化实验定量验证了学生的猜想，还进一步探究了木炭和氧化铜这两种反应物在不同配比之下的产物。最后，张玉珍将自己的实验过程拍成视频分享给学生，解答了他们的困惑。“从此，对于这个知识点以及相关化学方程式的书写，学生正确率非常高，我也从中获益良多，这就是教学相长吧。”张玉珍笑着说。

随着“双减”政策的实施，为了实现“减负提质增效”，张玉珍探索了一种新型作业方式——语音说题作业，并在化学复习阶段进行了实践探索。化学学科经常需要描述实验的步骤、现象，文字表达较多，传统的书面作业需要学生撰写大量文字，而“说题”的方式则可以节省许多时间。于是，张玉珍利用微信小程序“班级小管家”实施语音说题作业，要求学生在规定时间内完成“说题”。

刚开始，学生由于长期习惯用纸笔进行练习，开口说题比较困难。张玉珍便利用“知识胶囊”工具录制详细的题目解析视频，让学生在反复观看理解后，逐渐能够使用自己的语言完成说题。语音作业批改不受时间和空间限制，学生在“班级小管家”中上传自己的语音说题作业后，张玉珍收听语音并反馈，对优秀的语音作业进行公开展示，有时还会将说题作业与说题题目整理在一起，形成一份完整的语音解题集。

随着每日语音的训练，大部分学生的语言表达能力都得到了提高，学生普遍认为语音说题的时间比书面撰写时间明显减少，相对于书面作业他们更倾向于语音说题作业。“一开始只想帮助学生减轻负担，没想到同时还锻炼了他们的表达能力，真是‘无心插柳柳成荫’。”带着这份惊喜，张玉珍继续深入研究语音说题作业的实施方式，还将自己的经验总结成一篇教学论文《减负背景下新型“语音说题”作业在初中化学复习中的应用探索》。

从最简单的录制、剪辑视频，到融合性使用信息技术，再到信息技术突破教学重点、难点的研究分析，张玉珍不断前行、不断成长。 她曾经感慨：“运用信息技术有时需要打破常规，化学教学则要基于实验、基于证据、基于数据，但只要不停下前行的脚步，浪漫的创新思维就可以与严谨的逻辑思维有机融合。”的确，张玉珍在教学中遇到过重重困阻，她曾经去五金店、玻璃店等地方寻找灵感和办法，曾经为了拍好一段实验视频自学各种剪辑软件，曾经为了研究一个问题废寝忘食……但就是在这样的前行中，张玉珍的教学能力和信息技术运用能力得到了极大提升，而信息技术与教育教学的融合创新也促使她从以往的经验判断走向实证研究。

“每一次创新和改进都经历了无数次失败，但我认为打败我的从来不是困难失败，而是停止思考。 ”张玉珍坚定地说道。

—别人眼中的Ta—

创新型教师应有的模样

冯晴

在信息技术不断发展、教育教学改革不断深入的今天，学生的学习方式和教师的教学方式已然发生了改变。新时代的教师正利用信息技术的优势，使学生通过各种现代化的媒介获取信息、丰富思考、促进学习，也让教学形式不断丰富起来——上海市娄山中学化学教师张玉珍正是这样一个运用信息技术的教学能手。

张玉珍经常把一些先进的教学理念、科学的教学方法、前沿的信息化教学手段灵活运用于课堂教学之中，努力打造高质量的化学课堂。她总能以敏锐的嗅觉和不懈的探索，将信息技术作为撬动课堂高质量发展的重要支点。

作为一线教师，张玉珍通过信息技术对教育教学的内容、方法、手段、管理方式不断改革，在“摸索—研究—反思”的循环往复过程中不断成长，她始终将信息技术贯彻在备课、上课、反馈的全过程，以此促进自身教育教学观念和方式的成熟与转变。

2020年12月，上海市长宁区举办了主题为“数字化创新实验引领化学活力课堂”的初中化学教研活动，张玉珍上了一节公开教学研讨课。整节课中，她非常注重情境创设，突出化学学科元素，通过学生最熟悉的木炭创设情境，通过考古资料让学生感受古人的智慧，体会化学源自生活的道理。她还让学生结合生活实例，了解无定形碳以及金刚石、石墨、C60的物理性质和用途，引导学生观察金刚石、石墨、C60的结构模型，感受从宏观辨识到微观探析的整个过程。

在“木炭与氧化铜反应”的实验中，张玉珍让学生探究反应物的量不同与产物不同之间的关系，提升学生实验探究能力，帮助学生形成证据推理的意识。针对活性炭吸附性的验证，张玉珍设计了3个不同的实验，既可以让学生感受化学实验设计的多样性，也可以引领学生创新性设计实验。

张玉珍在信息技术应用尤其是数字化实验方面最大的特点，就是尽可能基于实证、基于实验事实、基于学生的实践和体验，这其实也是化学学科育人的重要导向。张玉珍关注基于实证的理论推理，把抽象的实验现象通过数据变得具象化——当然，她也不会唯数据论，还会慎重考虑数据背后的原因，可见其踏实、严谨的教科研态度。

其实，化学实验的改进需要许多专业知识以外的积累，需要基于生活经验，善于做生活中的有心人，而张玉珍恰恰是这个有心人，她会把日常生活的所见所思运用到化学教学中。

教育是知识创新、传播和应用的重要阵地，也是培养创新精神和创新人才的摇篮，只有创新型教师才能激发学生创新的热情，才能培养出创新型人才——从张玉珍的身上，我看到了新时代创新型教师应有的模样。

（作者单位系上海市长宁区教育学院）

来源 | 中国教师报2022年9月14日8版

作者 | 本报记者金锐

编辑 | 白衣

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本文来自【中国教师报】，仅代表作者观点。全国党媒信息公共平台提供信息发布传播服务。

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从实验室到日常生活，化学可以为我们带来什么？

清华大学化学博士、科普作家孙亚飞 带来演讲《化学的无限可能——从实验室到日常生活》

2024 年 6 月 21 日，科普中国·星空讲坛以“科学报国正当时”为主题，邀请五位不同专业领域的专家学者，从不同领域、角度阐释如何从自身兴趣和职业规划出发，结合国家和社会的需求做出未来选择。

以下是孙亚飞的演讲节选：

我学了很多年化学。

高中起，我就参加化学竞赛，运气还不错，保送到北京大学，在北大化学系待了 4 年。

毕业后，我在一家工厂担任研发工程师，也是在那里，看到和学到了很多和实验室里不一样的东西，之后就走上了科普的道路。

从事科普工作的过程中，我又发现：好像仅有一些化学知识还是不够，于是回炉深造，到清华大学化学系读了博士。

算算看，从高中到现在，我已经在化学实验室里面泡了挺长的时间。那么，在实验室里，我们一般会做什么？

这些实验室的“黑话”是什么意思？

在实验室里，我们常提到几个“黑话”：过柱子、打核磁、测电镜还有洗瓶子。

它们分别是什么意思？

过柱子

过柱子是化学实验里面非常重要的一个过程。

所有的化学反应过程中，都不会只得到某种单一产物，而是很多产物混合在一起，所以需要对这些产物进行分离。

在化学实验室里，每次反应进行完，首先要做的，就是把其中我们想要的产物分离出来，而分离的方式就是“过柱子”。

过柱子的时间有长有短。有时过得快，二三十分钟就能把我们想要的东西给分离出来，不过通常我们都需要干上一天的时间，有时过上一天也不一定能分出来我们想要的，过上几天也是有可能的。

打核磁

好不容易过完柱子，拿到了分离的产物，那怎么确认它到底是不是我们想要的那种呢？

这就需要打核磁。它的原理其实和医院里的核磁共振一样，不过，实验室里这个核磁更小巧一些，一般是针对毫克级的样品进行检测。通过核磁共振的检测，我们就可以验证这个分离出的产物是不是就是我们想要的那个东西，确定下这个结果。

测电镜

但是，有了这个结果，可能还不够。因为这个物质的纯度可能还不够高，那怎么办呢？

对于纯度不高的物质，我们需要提纯，提纯后让它长出晶体，最好是长成一个叫单晶的东西。长完之后，我们就要在电子显微镜下面进行测定，也就是“测电镜”。

洗瓶子

洗瓶子其实也是化学实验室里非常重要的动作。

如果瓶子没洗干净，留下一些杂质，就很可能导致后面的化学反应失败。但有的时候，瓶子洗得太干净也不行，比如前面说，测电镜找单晶，可有时候瓶子洗得太干净，单晶却会长不出来。

所以，你看，化学实验室里的每个行为，其实背后都是有学问的。

化学实验室里的无限可能性

做实验的过程，听起来有点枯燥，而且有时还得不到想要的结果——那我们为什么还需要做这些实验？

简单说，做实验真的有好处。

比如富勒烯（C60），按分子的说法其实是碳 60，因为它是 60 个碳原子去构成的球形分子。这个分子是怎么被发现的呢？

富勒烯分子，看起来像个足球| 图虫创意

两百多年前，人类就已经在想办法去探测太阳或者更远的地方有什么化学物质。比如，宇宙中那些“黑”的地方，里面是什么？化学家也想知道，于是去做一些光谱测试，因为即使是“黑”的地方，它可能也会有一些光谱打过来。

上世纪 50 年代，就有一些太空里面的分子被查出来了，但是，它们的光谱打出来之后，科学家发现，在地球上找不到一模一样的光谱，这就说明，太空里的这些分子是人类到目前为止还不认识的。

其中一个，就是富勒烯的光谱。当时，我们还不知道它是长成这样。化学家在实验室想了很多办法去合成跟它相似的东西，但是，始终都没有想到是这样一个球形分子。做了大概十几年，有一个化学家突发奇想，用一些电弧的方法，就做出了这样一个东西，然后拿去检测，就发现：这不是由碳原子构成的一个纯单质嘛，而且是 60 个碳，像足球一样的完整分子。后来，这位化学家也因为这项工作获得了 1996 年的诺贝尔化学奖。

化学实验虽然确实枯燥，可能需要一代人甚至几代人去做实验和验证，但是，当我们发现它的时候，你就会觉得：原来这个自然世界如此有意思。

当然，后来科学家又发现，这个碳 60 其实也没有那么难获取，你在家里面哪怕点一根蜡烛，烧出的碳灰里就能找到这个分子，听起来也有点像“蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”。

确实，化学发现经常是在不经意间发生的。

比方说，碳如果不是像富勒烯那样形成球，而是完全铺平，就是石墨烯分子，石墨烯叠起来之后是石墨，每一层就是石墨烯，但是想把这个石墨一个个切片切成石墨烯，那是不可能的，因为它只有一个原子那么厚。

但是在二十年前，有一位叫安德烈·海姆的科学家，他想，我不是不能够用刀把它切开嘛，那我换一个方式吧，用胶带。

我们知道，用胶带撕东西的时候，会把一些物质从中间给它撕开，那么，多撕几次，是不是就能把这个石墨给撕开呢？这个实验方式看起来有点搞笑，但他最后还真的做成了，将石墨做成了单层的石墨烯。

化学给我们的生活带来了什么？

化学实验室里有很多和我们生活密切相关的事情。

比如电动汽车里都会用到的锂离子电池。现在，我们的家用汽车都在从原来的燃油汽车往电动汽车过渡，电动汽车就需要用电池。以前的电池容量不太够，效率也不太高。后来，锂离子电池出现了。锂离子电池的厉害在哪里呢？以前电池在充电的时候会有个记忆效应，如果没有把电用完立即就去充电，那么电池就会记住这个电量，以后再用到这个电量的时候，电池就显示没电了。但锂离子电池不会，而是在每次反应完了之后都把电量用完，然后再充进去。

还有像医院里用的注射器，也需要很多化学知识才能生产出来。药品跟化学就更相关了，比如我们熟悉的阿司匹林，化学专业的学生上有机化学的第一个实验一般就是制作阿司匹林，它是非常经典的用化学方法合成的一种药物。

再比如，加工芯片需要用光刻机或是高纯度的硅片，这些物质和加工的工艺，同样需要化学支撑，化学工艺足够发达，才有可能生产出纯度为 99.9999999999%的高纯硅（9 的数字要达到 12 个），如果达不到这个水平，计算机在运算的时候就容易出 bug。还有光刻机里要用到的光刻胶，也要通过化学方法，才能合成我们做芯片所需要程度的光刻胶。

未来，化学还可以做什么？

未来，化学能做的事情更多。

比如，AI 相关的技术，需要用到芯片，还需要很多算法，还要用到一些传感器，这些传感器也需要通过化学方法合成。比如触觉，怎么才能传递到人体呢？当然需要我们先把人体自己的化学机制弄清楚，再去找到相应的材料，再把触觉模拟出来。

还有我们会担心水污染和空气污染，但实际上，通过新的化学知识，可以让水和空气变得更加洁净。如果说切身体会的话，最近十多年来，北京的空气质量越来越好，其中就离不开很多化学家的贡献。

未来，还有很多深空探测、入地还有下海的过程，也需要很多新材料的支撑。

还有，现在能源越来越缺乏，我们不能总依赖那些化石能源比如石油或煤炭，因为这些资源总会挖光的，而且它们燃烧产生的二氧化碳，也会带来温室气体效应。那怎么办呢？这就需要利用一些新能源，比如太阳能、水电或者风能。要发展这些能源，就需要用到很多化学知识，因为需要加工很多材料，比如风电，它表面有一层散热层，就会用到石墨烯作为原材料去做这个散热层。

策划制作

作者丨孙亚飞科普作家

审核丨穆云松中国人民大学化学与生命资源学院环境科学与工程系主任、副教授

责编丨杨杨