高中化學(xué)數(shù)字化實驗教學(xué)的初步探討

【摘 要】分析和討論化學(xué)數(shù)字化實驗的優(yōu)勢與不足，提出高中化學(xué)數(shù)字化實驗的改良策略。

【關(guān)鍵詞】高中化學(xué) 數(shù)字化實驗

【中圖分類號】 G 【文獻標(biāo)識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2015）08B-0111-02

當(dāng)今社會是信息化時代、數(shù)字化時代，高中課堂也應(yīng)該數(shù)字化。在此，筆者將以化學(xué)課堂的實踐作為藍(lán)本，探討高中化學(xué)如何利用數(shù)字化技術(shù)，來講解實驗原理，使學(xué)生便捷地操作實驗。

一、高效直觀，數(shù)字化實驗的優(yōu)點

（一）提升興趣，提高效率

新的課程標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生知識量的要求較之以往更加突出了，因此，一線教師和學(xué)生要以更快的速度教學(xué)知識點。利用數(shù)字化實驗在數(shù)據(jù)處理中可節(jié)省大量的時間，而且數(shù)字化實驗形象直觀，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生和教師都樂于參加有數(shù)字化實驗的課堂。為此我們進行了一次調(diào)查，采用網(wǎng)絡(luò)推送問卷調(diào)查頁面形式進行，共收到300份樣本。受調(diào)查者既有教師，也有學(xué)生。其中支持采用數(shù)字化實驗教學(xué)的教師占80%，明顯表示不支持的占比15%。進一步分析顯示，這15%中絕大多數(shù)教師年齡在50歲左右。這可能的原因是這個群體對新事物的接受能力有限，也不想學(xué)。受調(diào)查的學(xué)生中支持?jǐn)?shù)字化實驗的占96%?？梢姶朔N手段在學(xué)生中的受歡迎程度較高。學(xué)生興趣濃厚，課堂效率提高自然是情理之中。

（二）直觀形象，便于理解

化學(xué)的很多概念和原理比較抽象，學(xué)生不易理解，教師借助數(shù)字技術(shù)就可以較好地把抽象的理論形象地闡釋清楚。例如向?qū)W生解釋何為弱電解質(zhì)，教師可以利用數(shù)字技術(shù)來模擬電解質(zhì)的形成過程及其電離的強弱程度。我們知道，溶液導(dǎo)電能力的強弱是由溶液里自由移動離子的濃度的大小決定的。因此要測量某種溶液被電解的程度，只需要測量該溶液中的離子濃度，如果離子濃度小，則該物質(zhì)為弱電解質(zhì)。傳統(tǒng)的實驗只能讓學(xué)生理解導(dǎo)電性的差別，卻不能展示定量分析結(jié)果。采用數(shù)字化實驗后，可以定量分析弱電解質(zhì)中的離子情況，讓學(xué)生從模擬實驗中感知容液中電離的情況，學(xué)生更容易理解了。

（三）改變方法，拓展教學(xué)內(nèi)容

運用數(shù)字化實驗，學(xué)生在課堂中不需要密切關(guān)注如何操作儀器，只需要簡單選擇傳感器。如此，學(xué)生有更多的時間和精力思考化學(xué)原理，而不是協(xié)調(diào)、體能、視覺的訓(xùn)練。因此，數(shù)字化實驗教學(xué)過程更加突出了學(xué)生在課堂教學(xué)過程中的主體地位，使學(xué)生成為主動探索知識的開拓者，而不是隨波逐流者。另外一方面，教師也可借助這一利器不斷鉆研業(yè)務(wù)，研究利用新的實驗手段解決某些用傳統(tǒng)實驗儀器難以完成的實驗。

除了學(xué)生角色和教師理念的轉(zhuǎn)變外，更明顯的優(yōu)勢是實驗內(nèi)容的擴大化。不斷面世的新的傳感器類型，增加了實驗種類。教學(xué)內(nèi)容可以迅速擴容。

二、數(shù)字化實驗的瑕疵

雖然數(shù)字化實驗在教學(xué)上相比傳統(tǒng)實驗，在幫助學(xué)生理解知識、形成能力等方面都有很大的促進作用，但也不是十全十美的。

（一）儀器昂貴，不易推廣

目前市面上流行的數(shù)字化儀器價格比較昂貴，以致很多經(jīng)濟欠發(fā)達(dá)地區(qū)的學(xué)校無條件購買。隨著使用時間的延長，儀器的精準(zhǔn)度也會有所降低，一旦出現(xiàn)故障，維修成本比較高，這也使得很多學(xué)校對普及數(shù)字化實驗望而卻步。正因此，筆者所在的學(xué)校并沒有普及數(shù)字化實驗儀器。根據(jù)學(xué)校調(diào)查，普通的PH傳感器單價為1000元，使用壽命約為3年。而使用傳統(tǒng)實驗設(shè)備，3年的設(shè)備成本約為200元。這種成本區(qū)別是顯而易見的。相反，傳統(tǒng)實驗儀器一般價廉易得，使用壽命較長，維修成本低，有些實驗器材甚至可以直接使用生活廢品。

（二）學(xué)生計算能力退化

使用數(shù)字化傳感技術(shù)，可以采集完整數(shù)據(jù)，將計算機與手持技術(shù)儀器聯(lián)用，這樣，傳感器可以精確地測量與傳遞實驗中所測定的各種實驗參數(shù)，且所得實驗數(shù)據(jù)將通過數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)到計算機中，計算機經(jīng)由配套軟件將數(shù)據(jù)以表格和圖像的形式呈現(xiàn)，并進行分析處理。這種依賴計算機自動計算的結(jié)果，會使學(xué)生的計算、處理數(shù)據(jù)的能力降低。而且，學(xué)生因為不了解數(shù)字化儀器具體操作方法，學(xué)生對知識原理的認(rèn)可度和信服度也會降低。

（三）內(nèi)容虛無縹緲，沒有真實感

化學(xué)實驗的本質(zhì)是要通過親身操作，領(lǐng)悟生活現(xiàn)象，進而利用所學(xué)的理論指導(dǎo)生活實踐，并把它作為基礎(chǔ)知識，為深度研究提供先決條件。傳統(tǒng)化學(xué)實驗中，有很大一部分是直接將生活中的問題轉(zhuǎn)化成模型進入實驗室，實驗過程往往來源于生活，學(xué)生思考問題更能聯(lián)系實際，但數(shù)字化實驗在實驗過程中并沒有體現(xiàn)出與生活的緊密結(jié)合。傳統(tǒng)化學(xué)實驗貼近生活，化學(xué)思想清晰、嚴(yán)謹(jǐn)，可以培養(yǎng)學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象的能力、動手能力、數(shù)據(jù)處理能力等，這些正是數(shù)字化實驗教學(xué)所欠缺的部分。

三、高中化學(xué)數(shù)字化實驗的改良策略

（一）傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗優(yōu)勢互補，以培養(yǎng)學(xué)生推導(dǎo)計算能力

由于計算機軟件可以自動計算采集到的數(shù)據(jù)，而且這個運算結(jié)論通常是由既定的公式得出的。學(xué)生在觀測最后的結(jié)論時，容易理解實驗原理。但是忽略了運算公式和過程，造成計算能力退化。因此建議教師在數(shù)字化實驗課堂中，要結(jié)合傳統(tǒng)實驗，要求學(xué)生在觀測最后數(shù)據(jù)的同時，自己親身計算一次，比較自己得出的結(jié)論與儀器顯示結(jié)論是否有差別。如有差別，思考造成差別的原因。

例如，在氨的制取這一試驗中，NH4Cl和Ca（OH）2反應(yīng)后，會生出氣體。而當(dāng)儀器把對氣味的感知傳達(dá)給學(xué)生時，學(xué)生并不能感同身受，因此需要學(xué)生在真實的實驗中親身去聞。并且，因為氨氣易溶于水，所以需要加熱使氨氣溢出。在加熱這個過程，由學(xué)生觸覺感知更有體會。此外，要求學(xué)生必須寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式：2NH4Cl+Ca（OH）2=CaCl2+2NH3+2H20。通過這一平衡過程的計算，使學(xué)生理解不同反應(yīng)物和生成物的比例，然后在儀器檢測的指標(biāo)中得到印證。

這一過程可以彌補數(shù)字化實驗造成學(xué)生計算能力和推導(dǎo)能力退化的缺陷，使得傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗優(yōu)勢互補。

（二）整合資源，優(yōu)化數(shù)字化實驗

首先加強硬件設(shè)施和應(yīng)用軟件配置。2010年，我國發(fā)布《高中理科教學(xué)儀器配備標(biāo)準(zhǔn)》，其中提到的計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括開放式軟件系統(tǒng)，智能接口，在線系統(tǒng)或離線系統(tǒng)，可配套專用實驗儀器，溫度傳感器、pH 值傳感器、電流傳感器、壓強傳感器等；各學(xué)校選配高中化學(xué)多媒體教學(xué)軟件、化學(xué)藥品管理軟件。另外，電子白板和實物投影儀也是比較有用的硬件設(shè)施；多媒體實驗常用軟件有 Flash，PowerPoint 等；傳感器實驗常用的主要是數(shù)據(jù)處理軟件，如 DataStudio 數(shù)據(jù)處理軟件；仿真實驗軟件有多種，如美國 COREL 公司開發(fā)的虛擬化學(xué)實驗室 COREL Chemlab。

另外，實驗資料也必不可少。各學(xué)?？梢愿鶕?jù)具體需要選配教學(xué)投影片、中學(xué)化學(xué)投影拼版、高中化學(xué)教學(xué)光盤。教材中現(xiàn)成的數(shù)字化實驗案例比較少，而且，由于種種原因，很多學(xué)校都沒有開設(shè)《實驗化學(xué)（選修）》課程。 因此，還可以通過期刊，如《化學(xué)教學(xué)》《化學(xué)教育》等查找實驗資料。如果市場資料還不能滿足需要，可以自主開發(fā)實驗資料，根據(jù)教學(xué)實際，拍攝實驗圖片和視頻，制作實驗動畫和實驗課件。

實驗始終貫穿于整個化學(xué)學(xué)習(xí)中，但是傳統(tǒng)實驗的表現(xiàn)力是有限的。數(shù)字化實驗的引入，給我們的實驗教學(xué)帶來了新的生機，增加了可供探究的課題空間。因為它所呈現(xiàn)的結(jié)果是多維的，包括數(shù)據(jù)、圖像等，極大地豐富了化學(xué)教學(xué)。

但我們也要看到數(shù)字化實驗內(nèi)在的缺陷。如削弱了對學(xué)生的觀察能力、動手能力、計算能力的培養(yǎng)。因此，如何采用適應(yīng)數(shù)字化實驗的教學(xué)理念、教學(xué)方法，將數(shù)字化和傳統(tǒng)實體實驗有機結(jié)合起來，是每個教師應(yīng)該思考的問題。本文提到的策略也只是拋磚引玉。擇其善者而從之，其不善者而改之，數(shù)字化實驗教學(xué)是大勢所趨。

【作者簡介】朱春紅（1984.12—），女，中學(xué)二級教師，本科學(xué)歷，畢業(yè)于廣西師范大學(xué)，現(xiàn)就職于玉林實驗中學(xué)。