數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐

江蘇省蘇州太湖國(guó)家旅游度假區(qū)香山中學(xué) 張靜文

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)概述

（一）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的組成

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是以真實(shí)的實(shí)驗(yàn)為載體，利用傳感技術(shù)進(jìn)行的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。在《手持技術(shù)在理科實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究》一書(shū)中，作者錢(qián)揚(yáng)義對(duì)于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的界定是：以計(jì)算機(jī)作為實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，將信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行深度的結(jié)合。通常來(lái)說(shuō)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)由硬件和軟件兩部分組成：硬件是指計(jì)算機(jī)、各種類(lèi)型的傳感器探頭以及數(shù)據(jù)采集器，軟件即實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)化處理程序。目前，應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的傳感器主要包括氧氣、二氧化碳、氣壓、溶解氧、pH、溫度、電流、電壓等。傳感器探頭將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)傳遞給數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器再將收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)利用配套的應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，再將收集到的數(shù)據(jù)以圖像、表格、數(shù)字等方式直觀地、實(shí)時(shí)地呈現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)者眼前。本研究中采用的是遠(yuǎn)大朗威教育科技股份有限公司出品的數(shù)字化傳感設(shè)備及其配套的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

（二）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

1.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)更直觀

在傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，數(shù)字化傳感技術(shù)的應(yīng)用使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集更加直接高效。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、分析和處理是進(jìn)行科學(xué)探究的重要環(huán)節(jié)。利用數(shù)字化傳感技術(shù)，可以直接獲得實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度、氣體濃度、pH值、電流、壓強(qiáng)等數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)可以將化學(xué)變化的過(guò)程以曲線圖的形式直接展現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生通過(guò)曲線圖可以對(duì)化學(xué)反應(yīng)的變化過(guò)程有更加直觀的印象。尤其是那些肉眼無(wú)法觀察到的現(xiàn)象，例如物質(zhì)溶解過(guò)程中的能量變化、溶液導(dǎo)電性的變化、金屬與酸反應(yīng)過(guò)程中溫度的變化、氫氧化鈉和稀鹽酸反應(yīng)的中和熱測(cè)定等。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以將上述實(shí)驗(yàn)中變化的物理量以圖像的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，幫助學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)原理。

2.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)更準(zhǔn)確

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用使得一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)方面的優(yōu)化，也使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)的采集工作變得更加簡(jiǎn)便準(zhǔn)確。一般情況下，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)采用的是計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)，當(dāng)然實(shí)驗(yàn)者也可以根據(jù)需要設(shè)置數(shù)據(jù)采集的頻率，手動(dòng)收集數(shù)據(jù)以滿(mǎn)足個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)需求。通過(guò)這種方式采集到的數(shù)據(jù)可以有效避免人工測(cè)量帶來(lái)的偶然誤差，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。尤其是一些原理簡(jiǎn)單、操作復(fù)雜的定量實(shí)驗(yàn)，在引入了數(shù)字化化學(xué)實(shí)驗(yàn)后變得操作簡(jiǎn)便，省時(shí)高效，結(jié)果準(zhǔn)確。

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

筆者作為初三化學(xué)教師，以教育部審定的上海教育出版社出版的義務(wù)教育教科書(shū)《化學(xué)（2012 版）》上、下冊(cè)為內(nèi)容，進(jìn)行了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐。經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的實(shí)踐研究，筆者認(rèn)為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在以下幾個(gè)方面促進(jìn)了初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。

（一）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足

在傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，常常因?yàn)槿庋蹮o(wú)法觀察到明顯現(xiàn)象或者數(shù)據(jù)采集困難，導(dǎo)致學(xué)生理解困難和教師講解障礙。在真實(shí)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的相關(guān)設(shè)備，可以有效彌補(bǔ)上述不足。

例如，在九年級(jí)化學(xué)上冊(cè)第一章第二節(jié)中“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)是在密閉容器中利用紅磷燃燒消耗氧氣產(chǎn)生壓強(qiáng)差，打開(kāi)止水夾后燒杯中的水倒吸進(jìn)入集氣瓶，觀察水進(jìn)入集氣瓶的體積推算出氧氣的體積分?jǐn)?shù)。用這種方式測(cè)定出的氧氣體積分?jǐn)?shù)誤差較大，而且從實(shí)驗(yàn)原理的角度，當(dāng)氧氣濃度低于一定值時(shí)紅磷就不再燃燒，無(wú)法耗盡氧氣。基于課本上的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，筆者引入了氧氣濃度傳感器，將傳感器探頭通過(guò)橡膠塞上的孔洞伸入，連接好數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)，就可以得到氧氣濃度隨時(shí)間變化的曲線圖。學(xué)生直接觀看教學(xué)一體機(jī)上的圖像，便能清楚地看到氧氣濃度的變化。在課本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，筆者也做了相應(yīng)的改進(jìn)，將紅磷換成鐵粉，同時(shí)延長(zhǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間，設(shè)置數(shù)據(jù)采集的頻率為一小時(shí)，將得到的曲線圖和紅磷對(duì)比，學(xué)生可以更加清楚直觀地看到兩者氧氣濃度的差別。

再如活潑金屬與酸的反應(yīng)中，我們通常通過(guò)氣泡產(chǎn)生的快慢來(lái)判斷金屬的活動(dòng)性順序。在真實(shí)的課堂實(shí)驗(yàn)中，由于鋅和鐵的活動(dòng)性差別較小，通過(guò)肉眼往往難以比較兩者與酸反應(yīng)產(chǎn)生氣泡的快慢。因此，學(xué)生對(duì)于金屬鋅和鐵的活動(dòng)性比較大多是根據(jù)教師的解釋以及死記硬背來(lái)記住相關(guān)知識(shí)。筆者在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引入了溫度傳感器，利用相同時(shí)間內(nèi)不同金屬與酸的反應(yīng)熱引起的溫度差異來(lái)比較金屬的活動(dòng)性。學(xué)生通過(guò)實(shí)時(shí)的溫度與時(shí)間關(guān)系的曲線圖，可以直觀地看到不同曲線表示的金屬，從而直接根據(jù)數(shù)據(jù)比較金屬的活動(dòng)性差異。通過(guò)數(shù)據(jù)分析推導(dǎo)出活動(dòng)性差異，比之前死記硬背效果好得多。

（二）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生突破重難點(diǎn)

將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)引入傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，由于其直觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和圖像，學(xué)生更容易理解學(xué)習(xí)過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

例如，九年級(jí)化學(xué)下冊(cè)第六章第一節(jié)的“探究水溶液的導(dǎo)電性”，傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)是將溶液連接到電路中，通過(guò)小燈泡是否發(fā)亮來(lái)判定溶液是否導(dǎo)電。在實(shí)際操作過(guò)程中，由于外界因素以及不同種類(lèi)溶液導(dǎo)電能力的差異，即使是電解質(zhì)溶液也常常出現(xiàn)小燈泡不亮的現(xiàn)象。由于小燈泡不亮，學(xué)生無(wú)法直觀地體會(huì)到溶液的導(dǎo)電性增強(qiáng)，從而造成理解上的困難。筆者在真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，將微電流傳感器探頭伸入溶液中，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器，計(jì)算機(jī)上便會(huì)呈現(xiàn)出電流大小的數(shù)據(jù)，學(xué)生可以直接看到電流從零到有，從而加深對(duì)溶液導(dǎo)電性的理解。

再如九年級(jí)下冊(cè)第七章氫氧化鈉和稀鹽酸的反應(yīng)，由于反應(yīng)現(xiàn)象不明顯，學(xué)生根本無(wú)法判斷二者時(shí)間是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。在傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于這一教學(xué)難點(diǎn)是通過(guò)指示劑顏色的變化來(lái)理解的。筆者在教學(xué)中引入了pH 傳感器和溫度傳感器，將反應(yīng)過(guò)程中的pH 值的變化和溫度的變化以圖像的形式展示出來(lái)，學(xué)生通過(guò)觀察曲線圖，認(rèn)識(shí)到隨著氫氧化鈉中不斷滴入鹽酸，溶液的pH 值不斷變小，溶液的溫度也在不斷升高。通過(guò)分析pH 值的變化，學(xué)生認(rèn)識(shí)到氫氧化鈉不斷減少，從而判斷該反應(yīng)的發(fā)生。學(xué)生再分析反應(yīng)過(guò)程中的溫度變化，可以推斷出該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，甚至可以直接在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行中和熱的測(cè)定，可謂是一舉兩得。

（三）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力

證據(jù)推理是化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等證據(jù)進(jìn)行推理得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，由于一些現(xiàn)象肉眼難以觀測(cè)，或者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得較為困難，教師往往通過(guò)告知學(xué)生結(jié)果讓學(xué)生直接記憶。這樣直接告訴學(xué)生結(jié)果不利于學(xué)生邏輯思維的培養(yǎng)，不利于學(xué)生證據(jù)推理素養(yǎng)的形成，不利于學(xué)生理科思維的培養(yǎng)。將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)引入真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以有效彌補(bǔ)這一不足。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的傳感器作為高精度的設(shè)備，可以獲得更加精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器可以間隔很短的時(shí)間做到連續(xù)采集數(shù)據(jù)，從而獲得更多的數(shù)據(jù)。將大量更精確的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)可通過(guò)軟件處理將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以表格、曲線圖等形式直觀地展現(xiàn)在學(xué)生眼前。學(xué)生從獲得的大量的高精度的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行推理或預(yù)判，更容易發(fā)現(xiàn)隱藏在背后的化學(xué)原理和化學(xué)規(guī)律。此外，在傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，我們常常根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出猜想和假設(shè)，但是引入了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)后，由于獲得了大量的高精度數(shù)據(jù)，我們還可以針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出問(wèn)題，幫助學(xué)生擴(kuò)大思考的范圍，鍛煉思維的廣度和深度。

例如在測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)中，筆者設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將傳統(tǒng)的紅磷用鐵粉代替進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在常規(guī)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上引入氧氣濃度傳感器進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。獲得數(shù)據(jù)經(jīng)由計(jì)算機(jī)以曲線圖的方式呈現(xiàn)，學(xué)生通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和比較得出結(jié)論，鐵粉能充分消耗氧氣，更適合作為藥品測(cè)定空氣中的氧氣含量。在得出結(jié)論的同時(shí)，同學(xué)們也發(fā)現(xiàn)了用紅磷作為藥品在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理方面的缺陷。

綜上所述，信息化的洪流已勢(shì)不可擋，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)必將更多地進(jìn)入中小學(xué)課堂。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)將現(xiàn)代信息技術(shù)與真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，有助于學(xué)生突破學(xué)習(xí)重難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。