信息技术整合高中化学可视化教学探析

摘要

以“盖斯定律”教学为例，探讨信息技术在高中化学教学中的集成应用价值。即：利用传感器精确采集数据，借助AI动画生动呈现历史和概念，基于虚拟实验室拓宽实验范围，从而创设真实情境，以共同强化学生对盖斯定律的理解和提高其应用能力。信息技术整合，可以极大丰富教学内容，提高教学质量，促进学生全面发展。在这一教学模式中，教师可利用现代科技创新教学方法，适应不断变化的教育需求，提升学生的学习体验和成效。

Graphical abstract

关键词

盖斯定律 / 可视化 / 手持技术 / AI动画制作 / 虚拟实验室 / 教学 / 探析

《教育信息化2.0行动计划》提出，将教育信息化作为教育系统性变革的内生变量，引领教育现代化发展。不言而喻，教育信息化对教育产生了革命性影响，信息技术从以往的教学辅助手段转变为教学环境中密不可分的一部分，对教学目标、教学过程，甚至教师本身都产生了影响^［1］。在基础教育阶段，信息技术对学生学习一些包含较为抽象的概念定义的学科具有重要作用。

笔者主要应用3种信息技术，分别是手持技术、AI制作动画和虚拟实验室。手持技术借助信息技术，通过传感器和软件，可高效、精确采集数据，有助于学生深入理解化学反应变化，简化认知难度，克服教学难点，探究生活中的化学问题，增强实验探究与问题解决能力，适应中学化学教学需求^［2］。人工智能（AI）可以提供个性化、高效且互动的学习体验^［3］，如虚拟实验室极大地拓展了实验教学范畴，学生可广泛参与受条件限制而无法开展的实验，从而提供了丰富的教学体验及探索机会^［4］。信息化方法不仅能够提高教育内容的质量和吸引力，还能大幅减少制作时间和成本，最终让更多教育工作者和机构受益。

信息技术能将抽象的化学概念直观展现出来，实现可视化教学，让学生亲身体验化学，从而提高其学习兴趣，加深其对化学知识的理解与记忆，有助于培养其批判性思维能力和创新能力^［5］。此外，信息技术的应用还能帮助教师展开个性化教学，使得教学活动更加灵活多变，既满足不同学生的需求，又达到更好的教学效果。

1 教学主题分析

“盖斯定律”是人教版（2019年）高中化学选择性必修一第一章第二节“反应热的计算”的内容，既是化学热力学中的一个核心原理，又是化学反应与能量主题的重要内容，更是高中化学教学中的重要内容^［6］。

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》对该节的要求是：认识化学能与热能的相互转化，了解恒温恒压条件下化学反应的反应热可以用焓变表示，了解盖斯定律及其简单应用^［7］。与《普通高中化学课程标准（实验）》相比，新课标对“盖斯定律”在内容要求上淡化了计算，更侧重于应用。因此，一味强调建立利用盖斯定律进行反应热计算的模型，根本无法达到新课标要求。这意味着教学应聚焦帮助学生理解盖斯定律的核心思想——无论化学反应是直接一步完成，还是经过多个中间步骤，其反应总热量的变化是恒定的^［8］。

在高中化学教育体系中，盖斯定律作为化学热力学的基石之一，它构筑了学生认知化学反应能量转换规律的框架。该定律与化学平衡、热化学方程式、化学键能等核心概念紧密相联，是学生在认识单一化学反应能量转化守恒的基础上，建构多个化学反应之间物质与能量变化守恒观念的桥梁。进一步说，在教学过程中促进了知识的交叉融合及深化，增强了学生综合运用多方面学科知识的能力^［9］。

2 教学目标

（1） 基于酸雨防治的真实情境，通过实验和数据分析，理解盖斯定律的基本概念，即化学反应的反应热只取决于反应物与产物的状态，而与反应途径无关。

（2） 运用所学的化学原理，分析和解决具体的环境问题，深化对盖斯定律的理解。

（3） 通过实验探究与案例讨论，融合盖斯定律学习内容，培养学生的创新思维、科学态度及应用知识解决环境问题的社会责任感。

3 教学过程

3.1 创设情境

曾经的一座风景秀丽的小镇，却随着工业区周边的炼钢厂的快速扩张，空气质量开始恶化，尤其是酸雨的发生越来越频繁，给这座小镇的环境带来了前所未有的挑战。小镇空气中的二氧化硫、氮氧化合物，经过一系列的化学反应生成硫酸、硝酸。

【教师演示】点击超链接，用虚拟实验室演示酸雨的形成过程。

设计意图：创设真实情境——小镇酸雨问题，同时利用虚拟实验室演示酸雨的形成，巩固酸雨的相关知识，激发学生的学习兴趣。

3.2 初识盖斯定律

师：面对小镇的酸雨情况，我们该如何防治酸雨？

生1：煤脱硫后燃烧。

生2：汽车进行尾气处理，工厂排放采取环保措施。

【总结】煤脱硫，是在燃烧前去除煤炭中的部分无机硫，从而减少二氧化硫排放的措施；采取改进燃烧技术、开发利用新能源、严格控制汽车尾气排放，或采取生物防治辅助措施等，均可有效缓解二氧化硫污染。此外，还可以使用中和剂，即向已经形成或可能受酸雨影响的区域投放碱性物质，来中和酸雨的酸性成分，以减轻其对环境的破坏作用。

常见的中和剂：Ca（OH）₂，即熟石灰，价格低廉易得，可以从大理石和石灰石中提取。Ca（OH）₂能与酸雨中的主要酸性成分（硫酸、硝酸）发生中和反应，生成无害的盐类。CaO，即生石灰，遇水生成Ca（OH）₂，而Ca（OH）₂进一步与酸雨中的酸性物质（硫酸、硝酸）发生中和反应，生成相应的盐和水，从而降低酸度。CaCO₃，虽然不如Ca（OH）₂常用，但CaCO₃也可以作为一种中和剂，因为它在水中会缓慢溶解并与酸反应，生成相应的盐和水。

采用对比实验优选中和剂：取等量、等浓度的硫酸，分别加入等物质的量的不同中和剂，待反应充分后测量并记录各体系的pH。

【探究实验】模拟中和剂与酸雨反应：取100 mL的稀硫酸，将其分别与0.01 mol的Ca（OH）₂、CaO、CaCO₃反应；用pH传感器、温度传感器检测其pH与温度的变化情况。反应前后pH变化如表1所示。

【总结】在等物质的量的3种中和剂中，Ca（OH）₂效果最好，CaCO₃效果中等，CaO效果最弱。

师：在实验中发现，3个实验都放出了热量，那么这些反应的能量变化有什么联系？

\mathrm{C}\mathrm{a}{(\mathrm{O}\mathrm{H})}_{\mathrm{2}}(\mathrm{s})+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}(\mathrm{a}\mathrm{q})=\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}(\mathrm{s})+\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}(\mathrm{l})，

\Delta H_{\mathrm{1}}=-\mathrm{1}\mathrm{064.9}\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}；

\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{O}(\mathrm{s})+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}(\mathrm{a}\mathrm{q})=\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}(\mathrm{s})+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}(\mathrm{l})，

\Delta H_{\mathrm{2}}=-\mathrm{1}\mathrm{085.4}\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}；

\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}(\mathrm{s})+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}(\mathrm{a}\mathrm{q})=\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}(\mathrm{s})+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}(\mathrm{l})+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}(\mathrm{g}),

\Delta H_{\mathrm{3}}=-\mathrm{906.2}\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}。

生：3个反应放出的热量很接近。

师：再结合下面3个热化学方程式，会有什么发现？

\mathrm{C}\mathrm{a}{(\mathrm{O}\mathrm{H})}_{\mathrm{2}}(\mathrm{s})=\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{O}(\mathrm{s})+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}(\mathrm{g}),\Delta H_{\mathrm{4}}=\mathrm{64.5}\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}；

\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}(\mathrm{s})=\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{O}(\mathrm{s})+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}(\mathrm{g}),\mathrm{\Delta }{\mathrm{H}}_{\mathrm{5}}=\mathrm{179.2}\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}；

{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}(\mathrm{g})={\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}(\mathrm{l}),\Delta H_{\mathrm{6}}=-\mathrm{44}\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}。

生1：\Delta H_{\mathrm{1}}=\Delta H_{\mathrm{2}}+\Delta H_{\mathrm{4}}+\Delta H_{\mathrm{6}};\Delta H_{\mathrm{3}}=\Delta H_{\mathrm{2}}+\Delta H_{\mathrm{5}}。

生2：一个化学反应的焓变值，可以通过将涉及该反应的一系列连续步骤或方程式的焓变相加来计算得出。

设计意图：从“中和剂防治酸雨”问题切入，借助手持技术进行实验探究，引导学生思考反应能量变化的联系。

3.3 验证盖斯定律

师：好像只要反应物的始态和终态相同，反应热就是一样的。这是一种巧合吗？

【学生讨论】意见出现分歧。有的认为，是由几步反应的数值相加；有的认为，只是能量变化，与几步反应无关。

【实验验证】NaOH与HCl反应。①将1.00 g NaOH固体溶于100 mL蒸馏水中，得到0.25 mol/L NaOH溶液后测定升高的温度，计算该过程释放的热量；②测定50 mL 0.50 mol/L NaOH溶液与50 mL 0.50 mol/L HCl溶液混合后升高的温度，计算该过程释放的热量；③测定1.00 g NaOH固体与50 mL 0.50 mol/L HCl溶液混合后升高的温度，计算该过程释放的热量。测得3个反应前后温度的变化如图1所示，实验中涉及的反应方程式如下所示。

\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}(\mathrm{s})=\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}(\mathrm{a}\mathrm{q})，

\Delta H_{\mathrm{1}}=-\mathrm{38.46}\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}；

\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}(\mathrm{a}\mathrm{q})=\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}(\mathrm{a}\mathrm{q})+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}(\mathrm{l})，

\Delta H_{\mathrm{2}}=-\mathrm{56.85}\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}；

\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}(\mathrm{s})+\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}(\mathrm{a}\mathrm{q})=\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}(\mathrm{a}\mathrm{q})+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}(\mathrm{l})，

\Delta H_{\mathrm{3}}=-\mathrm{95.21}\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}。

【总结】仪器误差及热量的散失，造成ΔH测得值与理论值不相等。但由以上3个热化学反应方程式可以发现，ΔH₃≈ΔH₁+ΔH₂，这不是巧合，即这一现象被称为盖斯定律。盖斯定律——不管化学反应是一步完成，还是分几步完成，其反应热是相同的。化学反应的反应热，只与反应体系的始态和终态有关，而与反应的途径无关。

【史料展示】观看AI制作的动画：介绍化学家盖斯总结盖斯定律的史实资料。与以上所做实验类似，盖斯正是依据氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、石灰分别与硫酸反应的反应热总结出了盖斯定律，并且早于能量守恒定律的提出。盖斯定律，是化学热力学发展的基础。

设计意图：利用手持技术，让学生自己设计实验验证盖斯定律，加深学生的理解；结合AI制作的动画，将枯燥的史料加以趣味化呈现，加强学生的理解。

3.4 学以致用

【问题1】目前，市面上CaCO₃、Ca（OH）₂、CaO的价格分别为400元/t、1 000元/t、800元/t。现在，小镇要治理被酸雨腐蚀的林地，请你从多方面综合考虑，该选择哪种中和剂？

【学生分析】结合有效性、安全性与环境影响、成本效益、操作便捷性、持续作用等因素综合考虑。

【问题2】已知以下两个热化学方程式：

\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}(\mathrm{g})+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}(\mathrm{g})=\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}(\mathrm{g})，\Delta H_{\mathrm{1}}=-\mathrm{99}\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}；

\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}(\mathrm{g})+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}(\mathrm{g})={\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}(\mathrm{a}\mathrm{q}),\Delta H_{\mathrm{2}}=-\mathrm{130}\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{。}

①根据盖斯定律进行计算，经过上述两步反应最终生成硫酸的总反应热（ΔH_总）；②假设工厂每天通过此过程处理了10 t（即10 000 kg）二氧化硫，计算理论上可以回收的热量是多少千焦耳（kJ）？③提出另一种减少二氧化硫排放的策略，并简要分析该策略与直接转化成硫酸相比，在减少酸雨形成和能量转换方面的差异，以及如何体现盖斯定律的原理。

【总结】在高炉炼铁过程中，使用的燃料煤炭中含有一定比例的硫元素。燃烧这些煤炭会产生二氧化硫，部分二氧化硫在大气中进一步氧化成三氧化硫，三氧化硫与水蒸气结合形成硫酸雾，这是导致酸雨的重要原因之一。为了减少这一环境因素的影响，工厂采取措施让二氧化硫在特定条件下与氧气反应生成三氧化硫，随后用碱性溶液吸收三氧化硫，以实现硫的回收和减少排放。接下来，通过仿真实验观看工厂是如何进行尾气处理的。

【仿真实验】点击超链接，进行仿真实验。

设计意图：结合具体问题和仿真实验，加强学生对盖斯定律的运用。

3.5 教学总结

师：如何解释化学反应会伴随着能量的变化？能量源自哪里？是否遵循什么原则？请你分别从宏微观角度回答问题。

生1：因为反应物和生成物总能量不一样，如果反应物总能量大于生成物总能量，则释放出能量。释放出的能量=反应物总能量-生成物总能量，符合能量守恒定律。

生2：旧化学键的断裂需要吸热，形成新化学键需要放热，两者的差值就是化学反应能量变化的主要来源，同样符合能量守恒定律。

师：物质变化与能量变化是否存在什么关系？是否遵循什么原则？

生：化学反应总反应热只与体系物质始态和终态有关，与反应途径无关。无论物质如何变化，能量变化始终决定于反应物和生成物的总能量之差，符合能量守恒定律。

师：盖斯定律本身并不能直接用于防治酸雨，但其揭示的热力学原理为评估和优化各类防治技术提供了理论基础。具体表现为：能源转换效率（如燃煤发电转为清洁能源发电）、催化剂研发、化学吸收与脱硫过程（设计烟气脱硫和其他净化系统）。科学家和工程师在设计和选择防治策略时，能够更好地理解并优化化学过程，从而间接支持酸雨的防治工作。

设计意图：通过3个“化学反应与能量”的核心问题，深化对盖斯定律的理解与应用。

4 教学反思

4.1 融合信息技术的真实情境教学

真实情境与信息技术的融合，让学生能够在模拟的真实环境中获得深刻的学习体验；构建一个深受酸雨困扰的小镇情境，能把学生带入一个待解决的实际问题中，促其直观感受环境保护的紧迫性。

4.2 信息技术助力化学探究

信息技术的运用，特别是通过手持传感器进行的探究实验，让学生动手操作、观察现象、分析数据，从而将抽象的化学知识直观展示出来，便于展开可视化教学。这种体验式学习，极大地提升了盖斯定律的理解深度。

4.3 AI动画活化史料

史料与AI动画的结合，历史与现代科技的碰撞，不仅丰富了课堂内容，更让枯燥乏味的史料变得生动有趣。盖斯自述盖斯定律的发现，让学生得以“穿越时空”，亲历化学史上这一重要发现的背景与过程；整堂课以轻松幽默的方式，展现了盖斯作为一名科学家的探索精神和坚持不懈的态度，激励学生勇于面对科学难题，勇于创新。

4.4 低成本促高效教学

使用的信息技术均容易获得、成本低廉。目前，大部分中学均配备了多媒体一体机，实验空间为免费在线平台，教师可借此开展虚拟仿真实验。没有手持技术设备的学校，可以选择温度传感器，非但价格实惠，还能直接与一体机相连，方便进行实验。AI动画制作较为简单，只要设计好脚本，即可生成相应动画，操作流程简便快捷。

综上所述，合理利用信息技术开展高中化学数字化教学，已是大势所趋。教师应与时俱进，结合已有条件，合理使用信息技术，避免其应用表面化、复杂化，达成丰富课堂、提高课堂质量、促进学生全面发展的目标。

参考文献

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基金资助

江西省学位与研究生教育教学改革研究项目“新时代全日制化学教育硕士教学实践能力的构建与培养研究”(JXYJG-2021-198)

江西省高校教改重点项目“科教融汇、产教融合理念下化学实验教学体系改革与创新”(JXJG-24-14-2)

赣南师范大学“协同提质计划”教师教育高质量发展研究专项课题，编号：师大教字〔2024〕17号