關于等效平衡的數字化實驗初步研究與思考

倪凱群

摘 要：主要介紹如何在等效平衡的學習過程中進行數字化化學實驗的探究，以及如何培養中學生化學實驗探究能力的問題。

關鍵詞：等效平衡；數字化實驗；研究

等效平衡的問題就是指利用與某一種平衡狀態等效的過渡平衡狀態（相同平衡）進行與之有關的問題分析和判斷，或利用相似平衡的相似原理進行有關量的計算。同時等效平衡也是一種思維分析方式和解題方法。由于等效平衡問題其豐富的知識點和靈活的考查方式，所以其對思維能力起到較強的鍛煉效果；因此，它也一直是學生在學習和復習“化學平衡”這一部分內容時最大的難點。很多學生在接觸到這一問題時，恐懼感很強，自信心不足。等效平衡的概念說明了化學反應的途徑與化學平衡的狀態無關。對于相同的條件，無論反應從什么方向開始，可逆反應達到的化學平衡時的狀態是相同的。等效平衡也是利用平衡等效來解題的一種很好的思維方式和解題方法。

數字化實驗主要是以手持式數據儀器為主的實驗，其中采集器與傳感器（各類探頭）為主要工作原件。采集器負責實驗數據的采集并儲存；傳感器根據實驗需要測定的參數而自行選擇；同時，數字化儀器的輕巧還為學生課外活動探究提供了方便。對于教師而言可以根據實際情況，把課堂開設在數字化探究實驗室，加強學生對化學知識和化學原理的理解。以“酸堿中和滴定”為例，利用pH傳感器、溫度傳感器和計算機，在化學課堂上演示“中和反應”實驗，計算機可以以表格和圖像的形式呈現并快速的分析處理。數字化儀器很大程度上能使過去的定性實驗得以定量化的驗證。

本文的著手點在于如何將數字化實驗技術應用于等效平衡。經過實踐研究在這里選取3個有代表性的實驗簡單說明。

對于中學化學實驗而言，數字化的意義在于精確地定量。數字化儀器測量的優勢在于無論實驗時間很長或很短，或者需要同時獲得多種數據時，數據傳感器和數據收集器能夠很容易的解決。如果能夠巧妙地組合搭配使用數據傳感器和數據收集器來采集數據分析處理，使學生能夠有更多的時間在分析處理數據，找尋其中的規律。這幾個實驗都是傳統課堂無法演示的實驗。有了數字化傳感器后，能夠將不可感知的變成可感知的。第一個實驗傳統只能讓學生看顏色變化，用了數字化儀器后可以直觀地看到壓強的變化，顏色轉變對透光率的影響。第二個實驗可以看到醋酸鈉的水解反應與醋酸與氫氧化鈉的中和反應之間具有微妙的可逆性，因為關系到放熱和吸熱，所以必須要用到溫度傳感器，通過計算算出溫度對反應的影響，進而使學生得出溫度方面的正逆向反應互斥的結論。第三個實驗是典型的溶解與析出平衡，因為溶解度與溫度密切相關，所以需要對溶液濁度進行測量的同時，需要對溫度進行跟蹤，同時檢測溶液中氧含量對平衡速率及時間的影響。

同時通過這三個實驗的操作和要求可以看出數字化化學實驗探究技術對廣大的化學教師可以說是提出了一個更加嚴苛的要求。我們可以從以下幾方面來分析：（1）從課堂教學與教師專業水平關系看，要求教師能夠教會學生使用（最好能獨立使用）數字化儀器進行感興趣的化學探究實驗；（2）從課程與教學的關系看，要求教師善于從生活、社會及教科書中挖掘能運用數字化實驗技術探究與解決的化學問題；（3）從學生與教師的關系看，要求教師主動引導學生利用數字化儀器進行探究解決各類問題，對于提高學生實驗探究的能力是有促進作用的；（4）從教學與自我認識的關系看，反思型的教師可以使自己的教學經驗不斷地成熟，理論不斷完善，有利于今后對數字化實驗應用的研究與探索。對于學科教學而言，這有助于廣大化學教師提高自身的素養，使學科內容與教學過程有機融合，提高自己的教學設計能力、課題開發與研究的能力、促進學生協作學習的能力等。數字化實驗技術極大程度地改變了學生過多依賴教師的學習方式，使學生在新的學習環境中利用數字化實驗技術從多渠道獲得所需數據信息，提高了學生的質疑能力、動手能力等。當然，這是需要一定前提條件的，即學生需要具有符合學習要求的學習策略、獨立自主學習的精神、善于獲取知識的自學能力。數字化實驗技術能夠快捷方便的測定數據，并以圖表的形式直觀地呈現整個探究過程。在此過程中，學生對圖像變化的觀察與理解及時對實驗條件做出合理的調整，并在調整實驗方案或控制探究變量的過程中引導自己走向更深層次的學習。

數字化化學實驗在培養學生的探究能力方面起到較好的推動作用，當然在實際的運用中，這種方式培養學生探究能力時存在許多難以回避和克服的實際問題。從教師的角度看，一線的許多教師仍然青睞“黑板+粉筆”的教學模式，在心理上畏懼數字化實驗技術；一少部分教師雖然掌握了相當的計算機技術，但是限于自身專業水平，不善于運用數字化實驗技術，不能夠很好地融合到化學實驗的改進和相關課題的研究中。

就學生這個角度而言，他們大部分都早已經習慣于“聽著”學化學，在題海里做題學化學，面對如何在數字化實驗儀器進行自主探究學習，產生深深的畏懼心理而不知所措。

從選題的角度看，現有的教科書中并無現成的探究案例可循，如果想要充分發揮數字化實驗儀器的功能，就要求教師和學生對日常生活中出現的有關問題共同探討，提出有意義的課題；而課題的選擇與確定，則要求師生平日里多觀察留心，要具備較強的概括能力，能夠概括提出發現的問題，這在目前具有很大的操作難度。

從課時的角度看，一般學校化學周課時為2～3課時；借助數字化實驗儀器學進行化學研究性學習則會比較耗時，對于這一問題要妥善處理好是有難度的。

從推廣的角度看，雖然在我國發達地區的少數中學中，不少學校還運用它開設了一系列的校本課程，在日常教學與研究性的學習中又積極地培養學生的化學探究能力，具有象征性，從教育的廣泛意義上來說取得了一定的成效。但是數字化實驗技術的具體應用依然還處于起步的階段，還有很大的前景可以作為，也有許多的實際問題等待解決。

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編輯 魯翠紅