數字實驗室在中學化學教學中的應用

金碧鳳

【摘 要】相對于傳統的中學化學教學，數字實驗室作為一種新型課程資源已逐步的進入各所學校。在學生積極參與的前提下，它實現了信息技術與中學化學課程的有效整合。為中學化學的發展提供了更為廣闊的平臺。

【關鍵詞】數字實驗室；信息技術；中學化學

國家實施的2000-2010年的課程改革的目標在第五點中特別提到：新課程體系強調培養學生終身學習的愿望和能力、創新精神和實踐能力，包括形成科學態度，學會科學方法；具有獨立思考、自主探究的精神與求實創新的意識。化學新課程標準的基本理念之一是：“從學生已有的經驗和將要經歷的社會生活實際出發，幫助學生認識化學與人類生活的密切關系，關注人類面臨的與化學相關的化學問題，培養學生的社會責任感、參與意識和決策能力。”

數字實驗室正是利用現代技術改造傳統的實驗手段和方法，而且為信息技術的融合創造了條件。數字化實驗室是對傳統實驗的一個非常好的補充，在傳統實驗一些只能定性無法定量的實驗以及一些微小或瞬間數據的測量上，數字化實驗室能發揮出巨大作用。并且將學生作為實驗的主題，也在很大程度上提高了學生學習的積極性，讓他們自覺地完成化學實驗，探究更適宜的實驗條件和方法。

數字實驗室系統的基本構建模式包括：配套教具、傳感器、圖形數據采集器、軟件。數字實驗室系統是利用傳感器來測量實驗數據； 利用數據采集器采集實驗數據；利用電腦來分析實驗數據、得出實驗結果；利用配套教具實現更高效的實驗；利用網絡管理整個數字實驗室的教學。數字實驗室系統促進了物理、化學、生物實驗教學的進步。

一、數字化實驗在中學化學中的具體應用

實驗名稱：不同催化劑對雙氧水的催化分解

實驗目的：掌握外界條件對化學反應速率的影響，初步了解如何調控化學反應的快慢。通過比較雙氧水在不同條件下的分解的快慢，了解催化劑的作用和意義

知識背景：催化劑，是指在化學反應中能改變化學反應速度而本身成分及質量在反應前后均沒有改變的物質；

實驗器材： GQY數據采集器；O2傳感器；磁力攪拌器；量筒；錐形瓶； MnO2；FeCl3；3%H2O2

實驗方案：

結論

實驗操作：

（1）取3支潔凈的錐形瓶，分別編上序號1、2、3，向各試管內分別加入10ml過氧化氫溶液，按序號依次放置在磁力攪拌器是上。

（2）將氧氣傳感器插入1號試管，測量對照情況下過氧化氫的分解（反應時間為60s）；

（3）向2號試管內滴入2滴FeCl3溶液，插入氧氣傳感器（反應時間為60s）；

（4）向3號試管中加入少量MnO2粉末，插入氧氣傳感器（反應時間為60s）

實驗數據采集：

圖1. FeCl3（紅色）和MnO2（藍色）（黑色為對照）對雙氧水催化結果比較

實驗數據分析：不同的催化劑對同一化學反應的催化效率不同，實驗所選擇的FeCl3、MnO2均能催化雙氧水分解。但在同一條件下MnO2的催化效率最好。數字實驗室的另外一個優勢就是定性研究的過程中，也可以進行定量的計算。可以從圖中直接選擇某個特定的時間內計算出在不同催化劑的條件下氧氣的產生速率值。

二、一個對數字化實驗改進的例子

實驗名稱：電解質在水溶液中的反應

實驗目的：通過實驗探究內容認識到離子反應是電解質溶液間的反應實質，體會到離子反應發生的條件，并且鍛煉了動手實驗的能力，從現象中分析、歸納的能力。

知識背景：離子反應的本質是溶液中的某些離子濃度的減小

實驗器材：GQY數據采集器；電導率傳感器；光電門傳感器；筆記本；鐵架臺；酸式滴定管（25ml）；磁力攪拌器；50ml小燒杯；2ml移液管； 0.04mol/l的稀硫酸溶液；飽和Ba（OH）2溶液；蒸餾水；USB連接線；傳感器連接線；電流計

實驗方案：【實驗探究】先向Ba（OH）2溶液中加入酚酞溶液，接著裝置連接，然后向Ba（OH）2溶液中滴加稀硫酸（指導學生邊觀察實驗邊做好下表實驗記錄）。

【問題探究】

（1）稀硫酸與Ba（OH）2溶液中存在哪些離子？電流計指針的變化說明了什么？對應的電導率變化說明了什么問題？

（2）溶液顏色的變化是什么原因引起的？

（3）白色沉淀的成分是什么？如何形成的？

（4）混合后反應的實質是什么？

【學生討論并歸納】（教師引導學生沿著如下路徑分析歸納）硫酸與Ba（OH）2分別屬于酸、堿類電解質→從電離的角度分析，硫酸與Ba（OH）2溶液中的所含微粒分別是H+、SO42- 、Ba2+、OH-→電流表的指針變化說明溶液導電能力減弱，自由移動離子濃度減小，離子有消耗，參加了化學反應。那么從電導率的曲線變化看出一開始隨著稀硫酸的加入，電導率是降低的。根據電導率的定義，此時溶液中的自由移動的離子濃度減少，說明離子參與了反應。另外可以從數字實驗室的采集器中點出具體數值。電導率的數值變化從890逐步降低到60左右。直接從數字上看出溶液導電能力的變化情況。→溶液由紅色變淺至消失，即溶液堿性減弱，證明H+和OH-結合生成了水→不難推斷，白色難溶物是Ba2+與SO42-結合生成的BaSO4沉淀→稀硫酸與Ba（OH）2溶液反應的實質是溶液中的H+、SO42- 、Ba2+、OH-相互結合生成了水和BaSO4沉淀（難溶物）→電解質溶液間的反應實質是離子間的反應。

根據H2SO4和Ba（OH）2的電離方程式，反應的實質為：Ba2+ + SO42- + 2H+ + 2OH- = BaSO4↓+ 2H2O

實驗改造目的：在原有實驗器材的基礎上添加了電流計的裝置。設計的意圖是：電解質溶液中離子濃度大小與變化的定性和半定量分析，是高考的熱點，也是學習的難點之一，學生普遍感到難以把握。通過這個實驗，可以將學生直接看到的電流計指針的變化和電導率曲線中離子濃度的變化結合起來。有利于學生從宏觀世界聯系微觀的變化，對于電解質的題目解答是有很大的幫助的。

三、學生對數字實驗室的興趣調查

2011年10月下旬，我們對進入數字實驗室進行過實驗的高二（七）班的學生進行了問卷調查。高二（七）班共有58人，共發放問卷58份，共收回58份，回收率為100%。

調查對象：高二（七）班學生。

調查方式：問卷調查（采用記名方式進行調查）。

調查目的：本次調查在了解學生對數字實驗室的興趣和它的優勢，旨在找出學生學習化學的更有效的方法和途徑，為學校更好的教學和以后做學生實驗提供了依據。

問卷形式：

親愛的同學：

您好，現在我們為了能更加了解到你們對數字實驗室的滿意度，以及您對實驗教學的寶貴意見，所以我們開展了此次的調查，希望你能抽出寶貴的時間，根據您的實際情況填這份問卷。

姓名： 班級：

1.原有的實驗室的硬件設備能夠滿足學生學習需要 （ ）

A.能 B.不能 C.差不多

2.您對數字實驗室是否滿意或是否有興趣，請為它打分（ ）

A.10分 B.6分 C.3分

3.您希望多久進一次數字實驗室（ ）

A.每周 B.每月 C.每學期

4.您對數字實驗室的建議

衷心感謝您的支持與合作！

調查結果分析：

第四題是開放題，有38個學生的答案幾乎都為：請學校多開放數字實驗室、增加學生自主實驗的時間和機會、多開設興趣實驗等。

調查結論

通過調查最終我們可以得到以下結論：

①學生對數字實驗室的期待值很高。

②學生也希望利用這個平臺改變現有的化學實驗的方式。

四、數字實驗室的優勢

第一，摒棄如天平、計時器這些傳統測量誤差性比較大的實驗工具，將學生徹底解放出來，減少繁瑣的數據處理，從而更加專注于實驗分析本身；

第二，迅速、精確地獲得實驗數據。數字實驗室系統將大大縮短用于實驗的時間，而且得到的數據更加精確、直觀。

第三，數字實驗室系統擺脫了學生終端的電腦束縛，可以使更多學生能使用學生終端，自己動手做實驗，從而增強學生的動手能力，更好地達到實驗目的。

第四，讓一些使用傳統實驗手段難以實現的實驗成為可能。在傳統的實驗條件下水溶液的pH、硬度、溶氧量測量在數字實驗室中都可以實現。

國外有研究表明，將數字化技術與（科學）研究性學習有機地結合運用，有利于提高學生探究的積極性，增強其探究能力。數字化實驗在教學中還是一個新生事物，還存在著不斷發展，改善，壯大的過程。而且實驗手段的數字化和高科技是整個實驗領域發展的方向。數字化實驗正好符合了這樣的趨勢，必將會在將來的發展中帶來化學實驗的新變革。但是當數字化實驗設備到位后，當務之急是如何開發利用這套設備，而不是成為學校的擺設。要努力開發與這套設備相配套的校本教材，逐步積累、努力形成學校的特色。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（實驗）[M].北京：人民教育出版社， 2003：2

[2]魏巍.數字化實驗室與中學化學實驗[J].化學教育，2006（11）：50-53

[3]錢揚義，鄧峰 數字化化學探究實驗室的建設與學生探究能力的培養[J].中國電化教育，2006（11）： 49-52

[4] 錢揚義，陳健斌.在“數字化掌上實驗室”中做科學[J].中國電化教育，2004（5）：45-48

[5] McRobbie， C.J.， & Thomas， G.P.. Epistemological and Contextual Issues in the Use of Microcomputer-Based Laboratories in a Year 11 Chemistry Classroom [J]. The Journal of Computers in Mathematics and Science Teaching， 2000，19（2）：137-160