全國首屆化學數(shù)字化實驗創(chuàng)新設計大賽的“數(shù)字化”解讀

賴 軍

（江蘇省南通市天星湖中學 江蘇 南通 226010）

全國首屆化學數(shù)字化實驗創(chuàng)新設計大賽的“數(shù)字化”解讀

賴 軍

（江蘇省南通市天星湖中學 江蘇 南通 226010）

2011年3月12日，由中國教育學會化學教學專業(yè)委員會和南京師范大學化學與材料科學學院主辦、江蘇省教育學會化學教學專業(yè)委員會承辦的“全國首屆‘威尼爾’杯化學數(shù)字化實驗創(chuàng)新設計大賽”在南京師范大學化科院的數(shù)字化實驗室進行了數(shù)字化實驗教學的展示評比。共有來自全國的40余位選手參加了比賽，其中25位選手參加了復賽。

本次大賽是化學數(shù)字化實驗教學方面的首次全國性大賽，既為各地的骨干教師提供了展示和交流的平臺，同時也將對數(shù)字化實驗在中學化學教學中的應用產(chǎn)生深遠的影響。

筆者作為參賽選手，參與并觀摩了大賽的全過程，對參賽選手和參賽實驗進行了分析，以數(shù)字形式做歸納，為數(shù)字化實驗在化學中的應用作參考。

一、地區(qū)差異明顯，發(fā)展極不平衡

參加復賽的25位選手分別來自5個省市，其中江蘇最多，共有21位，占到了參賽選手總數(shù)的84%。上海、廣東、杭州、安徽各有1名選手參賽。參賽選手基本都來自東南沿海地區(qū)，中西部地區(qū)基本沒有派出選手參賽，且江蘇選手也以南京、蘇州、無錫、常州等蘇南經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)為主，地區(qū)差異非常明顯。其原因主要是數(shù)字化設備比較昂貴，這也是造成參賽省市較少的主要原因。希望數(shù)字化實驗的技術(shù)能更加成熟和電腦、手機等其他電子產(chǎn)品一樣能夠有一個絕大多數(shù)中學可以接受的價格，讓數(shù)字化實驗能夠普及。

二、傳感器使用頻率不均衡

25個實驗中，有21個實驗使用了單個傳感器，占參賽總數(shù)的84%，使用2、3、4、6個傳感器的實驗各一個，實驗的綜合程度還有待加強。對于一些多因素影響的實驗，參賽者考慮還不是很周全。

從不同的傳感器使用頻率來看，9個實驗使用了溫度傳感器，7個實驗使用了pH傳感器，其他傳感器使用次數(shù)在2～4次，CO2傳感器使用了一次。溫度和pH對實驗的影響較為廣泛，這兩種傳感器的使用也比較簡單和成熟。這是大多數(shù)選手選擇這兩種傳感器的主要原因，而其他的傳感器應用的范圍和使用頻率就相對要小一些。開發(fā)這些傳感器的用途，是實驗創(chuàng)新的一個方向。

三、數(shù)字化實驗在化學中的三個應用

1.激發(fā)學生的學習興趣

興趣是最好的老師，它是人們力求認識某種事物或愛好某種活動的傾向。它又是一種情感因素，對人們的智力活動和其他的實踐活動有著積極的功能。

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗過程中的變化本身就能引起學生的興趣，而數(shù)字化實驗更是以特殊的實驗儀器與電腦的關聯(lián)，曲線的自動繪制等新穎的東西吸引學生的關注。通過引導，遷移到對實驗本身的關注。在學校裝配數(shù)字化實驗設備初期能夠起到很好的教學效果。但隨著學生新鮮感的淡化，就需要教師能從其他角度對學生的學習積極性進行引導。在參賽的25個實驗中，只有一位參賽者介紹了剛購進設備時通過用它來吸引學生的注意。所有的參賽者都沒有停留在這一層次。

2.輔助課堂教學

教育要現(xiàn)代化，信息技術(shù)與學科的整合是一條重要的途徑。數(shù)字化實驗具有“可視化”的優(yōu)點，能將實驗中肉眼看不見的分子、離子等的壓強、濃度、色度、pH、導電率等性質(zhì)通過傳感器轉(zhuǎn)化為電訊號，然后通過數(shù)據(jù)采集器進入電腦。將實驗過程用數(shù)字、點、曲線等形式直觀展現(xiàn)在學生的面前，將圍觀的離子通過“數(shù)字化”進行放大。參賽的25個實驗中有18個可以直接用于輔助中學化學教學。例如：“碳酸鈉與碳酸氫鈉溶解過程中溫度變化的比較”可以通過溫度傳感器方便地測量鹽溶解過程的熱效應；“磷酸突躍曲線”可以利用pH傳感器清晰地觀察到磷酸滴定過程中的三個突躍；濁度傳感器可以將Fe（OH）3膠體和FeCl3溶液中分散質(zhì)粒子的大小直觀地展現(xiàn)在學生面前。色度傳感器可以 敏銳地捕捉到Fe（SCN）3溶液血紅色深淺的變化。使傳統(tǒng)實驗不能解決的一些難點得到了突破。

3.進行探究活動

探究活動包括兩層含義，一是作為參賽者自己的研究，二是作為教師組織學生進行的探究活動。

數(shù)字化實驗具有“自動化”的特點，系統(tǒng)連續(xù)采樣頻率可以按照實驗要求設置。最高采集頻率可達5000－10000Hz，采集的速度高的可到每秒一萬個數(shù)據(jù)，低的可到幾分鐘甚至幾小時一個數(shù)據(jù)，因而可以適應各種不同類型實驗的需要。有文獻稱雙氧水電池具有較穩(wěn)定的電壓輸出，“微型雙氧水電池設計與探究”就按文獻中的方法組裝雙設氧水電池，選用電壓傳感器測量其輸出電壓，得到了一條和橫軸平行的直線，從而驗證了雙氧水電池電壓的穩(wěn)定性。“堿與酚酞平衡移動”、“氣體摩爾體積測定”、“尿素摩爾質(zhì)量的測定”等實驗都不是中學要求的范圍。在校研究生、本科生可以開展相應的研究，中學教師也可以通過對實驗的研究，重溫大學知識，提高自己的綜合能力。

教師可以利用數(shù)字化實驗組織學生開展探究性學習。一類和體系的某些性質(zhì)（包括變化）與反應條件間的定量或半定量的關系相關的內(nèi)容可以用來進行探究性學習［1］。數(shù)字化實驗的優(yōu)勢就在于定量、半定量。掌握了數(shù)字化傳感器的操作后，學生能夠較快地運用數(shù)字化實驗開展和量有關的研究性學習。“探究鋼鐵的電化學腐蝕”利用氧氣傳感器，將電化學腐蝕中消耗氧氣的用量數(shù)字化，使學生更易接受吸氧腐蝕中氧氣得電子的事實。“鎂鋁氫氧化物沉淀反應習題科學性的研究”中，利用電導率傳感器，證實了我們沿用了多年的鎂鋁離子混合物中加入過量強堿的圖像是錯誤的。利用它可以培養(yǎng)學生實事求是的精神，敢于先權(quán)威挑戰(zhàn)。

本次化學數(shù)字化實驗設計大賽取得了圓滿成功，評委們表示，參賽選手們在本次大賽中體現(xiàn)出了較高的教學設計和數(shù)字化實驗開發(fā)水平，課堂教學綜合素質(zhì)也很優(yōu)秀。希望借助這一次展評活動促進數(shù)字化實驗的發(fā)展，有更多的數(shù)字化實驗進入中學的課堂。

［1］宋心琦，黃儒蘭，胡美玲.關于中學化學施行探究性學習的思考［J］.化學教育，2002，（3）

1008-0546（2011）07-0097-01

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10.3969/j.issn.1008－0546.2011.07.048