數(shù)字實(shí)驗(yàn)對(duì)初中化學(xué)教與學(xué)的影響

劉亮榮

摘要：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在學(xué)生獲取直觀的感性知識(shí)、激發(fā)興趣、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能方面有著不可替代的作用。但教師在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中經(jīng)常遇到一些問題。數(shù)字化技術(shù)和虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于初中化學(xué)課堂教學(xué)中，能把深?yuàn)W的理科知識(shí)以直觀的數(shù)據(jù)和圖像的形式表達(dá)出來，變抽象為具體，化靜態(tài)為動(dòng)態(tài)。它的使用能有效地縮短學(xué)習(xí)時(shí)間，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字實(shí)驗(yàn)?化學(xué)教學(xué)?實(shí)驗(yàn)案例?教學(xué)影響

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和現(xiàn)代教育技術(shù)和多媒體的應(yīng)用，大量CAI（計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)）課件進(jìn)入課堂，教育信息化成為教育改革的必由之路。作為學(xué)校教育重要組成部分的化學(xué)教育，必然要適應(yīng)新形勢(shì)，教師需要研究如何將現(xiàn)代教育技術(shù)有機(jī)地整合到中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，采取豐富多彩的教學(xué)方式，以發(fā)揮現(xiàn)代教育技術(shù)的巨大優(yōu)越性。

基礎(chǔ)教育課程改革制定的全日制義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，從學(xué)生整體發(fā)展的角度出發(fā)提出了“面向全體學(xué)生、提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)”三個(gè)理念。如何在教學(xué)實(shí)踐中引導(dǎo)學(xué)生在主動(dòng)參與中學(xué)習(xí)，在探究科學(xué)問題的過程中獲取知識(shí)，模仿科學(xué)家的思維方法，學(xué)會(huì)科學(xué)研究的各種技能，培養(yǎng)科學(xué)觀念和科學(xué)精神，是值得積極實(shí)踐和研究的。

一、傳統(tǒng)初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，教師通過實(shí)驗(yàn)（演示實(shí)驗(yàn)、課外小實(shí)驗(yàn)、學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)等）教學(xué)來幫助學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，掌握實(shí)驗(yàn)規(guī)律及事物發(fā)展變化過程。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生獲取直觀的感性認(rèn)識(shí)、激發(fā)興趣、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能方面有不可替代的作用。但教師在教學(xué)實(shí)踐中經(jīng)常遇到一些問題：一是不能讓每個(gè)學(xué)生都能準(zhǔn)確地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;二是有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象往往稍縱即逝，可重復(fù)性差，學(xué)生不能抓住其特點(diǎn)和要點(diǎn);三是實(shí)驗(yàn)所觀察到的現(xiàn)象往往只是一些宏觀的、表面的現(xiàn)象，而實(shí)驗(yàn)過程中的微觀變化無法看到，學(xué)生難以根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象掌握實(shí)驗(yàn)原理和規(guī)律，“原理—實(shí)驗(yàn)—（新的）原理”實(shí)踐過程難以有效開展。

二、現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯

現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要包括虛擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)字實(shí)驗(yàn)兩類。數(shù)字實(shí)驗(yàn)是以計(jì)算機(jī)為主的實(shí)驗(yàn)手段，包括“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”和“手持系統(tǒng)”等，這些研究主要側(cè)重于數(shù)字化技術(shù)在課堂教學(xué)和科學(xué)探究活動(dòng)中的應(yīng)用。虛擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)字實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于初中化學(xué)課堂教學(xué)中，能把深?yuàn)W的理科知識(shí)以直觀的數(shù)據(jù)和圖像的形式表達(dá)出來，變抽象為具體，化靜態(tài)為動(dòng)態(tài)，逼真地模擬實(shí)驗(yàn)過程中宏觀變化中的微觀變化，變微觀為宏觀，讓學(xué)生觀察、體驗(yàn)、感受事物發(fā)展過程中的微觀變化。同時(shí)，現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)具有較好的重復(fù)性，能夠把實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以描述、難以突破的難點(diǎn)、重點(diǎn)等生動(dòng)形象地表現(xiàn)出來，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的記憶和理解;可以有效地突破學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間的限制，幫助學(xué)生理解科學(xué)概念，提高科學(xué)探究能力，還能讓學(xué)生體驗(yàn)到現(xiàn)代前沿科技的魅力，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣。它的使用能有效地縮短學(xué)習(xí)時(shí)間，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的教學(xué)目標(biāo)。

三、生動(dòng)、完美的數(shù)字曲線，讓抽象化學(xué)實(shí)驗(yàn)更加直觀

【案例】“燒不著的火柴頭”的探究。

【問題的提出】將剪斷的火柴頭置于酒精燈燈芯上，點(diǎn)燃酒精燈，發(fā)現(xiàn)燈芯上的火柴頭居然沒燒著！這是什么原因呢？

【猜想與假設(shè)】按照之前所學(xué)的物質(zhì)燃燒的條件，物質(zhì)燃燒必須同時(shí)具備三個(gè)條件：①可燃物;②溫度達(dá)到著火點(diǎn);③氧氣。因此，可以提出以下兩種猜想：①燈芯與焰心交界處溫度低于火柴頭的著火點(diǎn);②燈芯與焰心交界處氧氣濃度太低，不支持火柴頭的燃燒。那么火柴頭燒不著的原因究竟是什么呢？傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)根本無法解決此問題，這時(shí)就要用到數(shù)字實(shí)驗(yàn)。

【查閱資料】①火柴頭主要由氧化劑（KClO3）、易燃物（如硫等）和黏合劑等組成，火柴頭的著火點(diǎn)應(yīng)該在250 ℃左右。②火柴頭在氧氣濃度低于10%的氣體中不能燃燒。

【實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1】為了驗(yàn)證猜想①，利用高溫傳感器測(cè)定酒精燈燈芯和焰心交界處的溫度（如圖1所示），得到的數(shù)據(jù)如下：

【實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2】為了驗(yàn)證猜想②，用注射器抽取酒精燈燈芯和焰心交界處的氣體（如圖2所示），并利用氧氣傳感器測(cè)量氧氣的體積分?jǐn)?shù)（如圖3所示），得到的數(shù)據(jù)如下：

【結(jié)論2】燈芯與焰心交界處氧氣濃度太低，不足以支持火柴頭燃燒。

由此可見，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法得到明確結(jié)論的實(shí)驗(yàn)探究，通過數(shù)字實(shí)驗(yàn)測(cè)定出的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，讓結(jié)果一目了然，這就是數(shù)字實(shí)驗(yàn)不可替代的優(yōu)勢(shì)。

四、數(shù)字實(shí)驗(yàn)對(duì)教與學(xué)的影響

（一）數(shù)字實(shí)驗(yàn)對(duì)“教”的影響

1.化學(xué)老師教學(xué)中的教研意識(shí)明顯增強(qiáng)

我校化學(xué)老師三年來利用各種傳感器和數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)字實(shí)驗(yàn)探索，積累了很多實(shí)驗(yàn)案例，通過數(shù)字實(shí)驗(yàn)的開展對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的不足進(jìn)行了剖析，讓學(xué)生更全面地理解化學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)。教研組內(nèi)部定期進(jìn)行現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)，間周的教研活動(dòng)都要開展現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用心得交流，組內(nèi)教研氛圍明顯活躍，教師的教研意識(shí)明顯增強(qiáng)。

2.全面提升教師素質(zhì)，促進(jìn)教師專業(yè)化成長(zhǎng)

數(shù)字實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐和探索有效提升了教師學(xué)習(xí)能力、課堂教學(xué)能力、反思能力和指導(dǎo)學(xué)生開展課外科學(xué)探究的能力等綜合素養(yǎng)，大家不僅學(xué)會(huì)了材料收集、電子文檔分類整理、材料整理編輯的方法，還結(jié)集編印了數(shù)字實(shí)驗(yàn)的教學(xué)反思校本教材和論文等。

（二）數(shù)字實(shí)驗(yàn)對(duì)“學(xué)”的影響

1.數(shù)字實(shí)驗(yàn)的圖像顯示功能、過程回放功能促進(jìn)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的深度理解

在實(shí)驗(yàn)中，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、直觀的數(shù)據(jù)圖像向?qū)W生顯示了翔實(shí)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，化隱為顯、由點(diǎn)到過程，“曲線宏觀微觀符號(hào)思維表征”輔助他們進(jìn)行觀察、思考。數(shù)字實(shí)驗(yàn)強(qiáng)大的存儲(chǔ)功能，可以長(zhǎng)時(shí)間記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，回放功能給學(xué)生提供了回顧實(shí)驗(yàn)過程、反思實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的機(jī)會(huì)。在學(xué)生進(jìn)行數(shù)字實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生的認(rèn)知活動(dòng)從完成基本實(shí)驗(yàn)操作開始，而隨著實(shí)驗(yàn)圖像的生成，學(xué)生的思考逐漸由淺層次走向深層次。

2.數(shù)字實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱岣邔W(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

通過課堂觀察和對(duì)視頻、音頻文件的分析可以看出，在數(shù)字實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中學(xué)生的思維非常活躍，參與積極性非常高。探究學(xué)習(xí)方式很大程度上依賴于學(xué)生對(duì)圖形數(shù)據(jù)的分析和處理，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，學(xué)生的圖形推理能力得到了很大的提高。當(dāng)預(yù)測(cè)曲線與手持技術(shù)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)的曲線不一致時(shí)，這會(huì)給學(xué)生帶來一定的認(rèn)知沖突，當(dāng)現(xiàn)有的概念無法解決這個(gè)認(rèn)知沖突時(shí)，學(xué)生產(chǎn)生了對(duì)已有知識(shí)結(jié)構(gòu)的不滿，并迫切需要構(gòu)建新的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

3.數(shù)字實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲苿?dòng)學(xué)生多方面發(fā)展，化學(xué)科學(xué)素養(yǎng)提升與價(jià)值觀初步形成

現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，開闊了學(xué)生的視野，使學(xué)生分析問題、解決問題的能力得到了提高。在充滿科技性、探究性的教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣明顯提高，快速學(xué)會(huì)探究性學(xué)習(xí)的一般環(huán)節(jié)、過程和方法，在通過一個(gè)個(gè)問題的探究分析、歸納和總結(jié)來構(gòu)建知識(shí)的過程中，學(xué)會(huì)了自己去學(xué)習(xí)、去觀察、去實(shí)驗(yàn)、去創(chuàng)新。這為今后學(xué)生步入社會(huì)后解決具體問題的能力打下重要基礎(chǔ)，培養(yǎng)了科學(xué)探索精神。

五、對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)認(rèn)知能力的啟示

通過課堂觀察，對(duì)音頻、視頻文件進(jìn)行分析，以及訪談等手段，我們了解到學(xué)生實(shí)驗(yàn)認(rèn)知的一些基本情況，加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)認(rèn)知能力影響因素的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中存在的一些問題。這些研究結(jié)果對(duì)于改進(jìn)理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高初中理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量有一定的幫助，同時(shí)在提升理科老師對(duì)初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的認(rèn)識(shí)方面也起到了一定的推動(dòng)作用。

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)及教學(xué)中，教師一貫偏重對(duì)書本知識(shí)的直觀驗(yàn)證而很少給學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，讓他們自己完成實(shí)驗(yàn);過分強(qiáng)調(diào)基本實(shí)驗(yàn)操作的訓(xùn)練，忽略了這些基本實(shí)驗(yàn)操作在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用;過分強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程的給定性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的確定性，忽略了實(shí)驗(yàn)過程的動(dòng)態(tài)多樣性、結(jié)果的開放性以及實(shí)驗(yàn)作為一種探究活動(dòng)和研究方法的基本性質(zhì)。

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生沒有機(jī)會(huì)也沒有必要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，所做的實(shí)驗(yàn)幾乎都是無障礙實(shí)驗(yàn)，所以學(xué)生的實(shí)驗(yàn)認(rèn)知能力得不到開發(fā)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提出新的實(shí)驗(yàn)方案的能力得不到鍛煉和提高，更談不上提高實(shí)驗(yàn)認(rèn)知能力。

鑒于以上討論，研究者認(rèn)為應(yīng)該讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)認(rèn)知能力在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)過程中得到鍛煉和發(fā)展。這是提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)認(rèn)知能力的最佳途徑之一。實(shí)踐證明，這也是深受學(xué)生喜歡和歡迎的。為了提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)認(rèn)知能力，應(yīng)重視培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力，同時(shí)也應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度。認(rèn)真思考和對(duì)待上述問題，積極進(jìn)行改革和探索，從改變教與學(xué)的方式入手，真正改善中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀。

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