運用數字化實驗發展學生化學學科核心素養的基本策略

■余 騰 王玲玲

數字化實驗具有實驗操作過程與動態曲線可同步錄像并播放等特點，使得化學實驗更為可視化，揭示實驗現象本質的同時，極大地解決了傳統實驗中存在的“注重動手欠缺思維過程，或有思維過程但缺少高級思維過程”的問題，有利于同學們將有限的精力投入到高認知水平的學習活動中，有效幫助同學們發展化學學科思維。下面進行具體分析。

一、數字化實驗發展“宏觀辨識與微觀探析”素養的基本策略

“宏觀辨識與微觀探析”本質上是要求同學們能夠形成“宏觀、微觀、符號三重表征”的化學學科思維方式，因此，借助于數字化實驗來實現微觀領域的可視化，有利于同學們對微觀表征的理解。在計算機軟件上實時記錄并直觀呈現物理量的數據變化，將實驗宏觀現象的變化與表征微觀世界的動態曲線圖像同步攝像并播放，能幫助同學們構建宏觀表征和微觀表征的關聯，也有利于同學們對符號表征的學習和認知。例如，K+濃度的變化可以用鉀離子濃度傳感器來測定。

二、數字化實驗發展“變化觀念與平衡思想”素養的基本策略

“變化觀念與平衡思想”主要是感受物質的運動與變化，能根據宏觀現象總結出化學反應發生的條件與一般規律。數字化實驗使真實的化學變化能信息化感知、圖表化呈現，通過傳感器從平衡與速率、物質轉化、能量變化、濃度改變等維度對平衡移動進行分析，引導同學們形成理解變化和平衡的基本思路。再通過讓同學們結合實驗數據解釋宏觀現象，引導同學們開展分析討論、方案設計等研究學習，促進同學們認識反應的變化過程和建立平衡體系的思維模式。

三、數字化實驗發展“證據推理與模型認知”素養的基本策略

“證據推理”主要指從化學學習過程中提取證據，能充分地從定性、定量層面及宏觀、微觀層面收集證據，并且有效推理出相關結論。利用數字化實驗定量化、可視化的特點，從定量及微觀的角度收集不同層次的證據，可實現證據由點到面的轉變，有助于同學們對復雜現象形成直觀理解，便于證據的收集，進行推理研究。“模型認知”中的模型不僅包括實物模型，也包括圖像認知、數學模型等，還包含括綜合運用不同類型模型的能力。通過數字化實驗構建圖像模型，利用計算機軟件進行數據的分析呈現，能有效幫助同學們對構建模型的認知。

四、數字化實驗發展“科學探究與創新意識”素養的基本策略

“科學探究與創新意識”主要指通過觀察物質及反應的“異常”現象，去發現并找出還需進一步探究的問題，根據假設提出化學實驗方案，分析實驗信息，并得出結論。由于數字化實驗儀器具有攜帶方便、精密度高、研究量化等優越性，故很適合應用于同學們的探究活動中。例如，同學們在開展“測定長江水中的溶解氧”這一探究活動時，就可以利用數字化實驗快捷地對不同變量數據之間的相關或因果關系作進一步探討。

五、數字化實驗發展“科學精神與社會責任”素養的基本策略

“科學精神與社會責任”主要要求同學們從小培養實事求是的科學精神，運用所學的知識與方法處理知識困惑，根據“綠色化學”的思想對化學反應進行剖析，并對一些化學流程存在的問題，提出改進或優化的方法和建議。數字化實驗中關鍵器件傳感器等已經廣泛應用于各項社會活動中，比如超市使用的電子稱重器的壓力傳感器，測量室內甲醛的儀器，以及智能汽車、智能手表等，都為培養同學們運用化學的眼光認識和解決日常生活中的現象及問題提供了條件。