數字化實驗在中學化學教學中的運用

朱成東

摘要：隨著信息技術的發展，數字化實驗也已經在學校的教學中逐漸推廣開。本文從更新化學知識、微粒變化可視化、革新實驗方式、提升認知方式、創新教學模式和拓展學習方式等六個維度闡述數字化實驗在中學化學課堂教學中的應用，進而使化學學科核心素養落地。

關鍵詞：數字化實驗 化學教學 核心素養

數字化實驗是由數據采集器、傳感器、計算機及相應的軟件組成的實驗系統，該系統可以準確地測量化學實驗過程中的實驗數據，并通過計算機呈現實時可視化的曲線，表征出實驗中微粒的變化過程。將數字化實驗應用在中學化學教學中，既能體現現代化科學技術與化學課堂教學的融合，又能促進學生深度學習，更好地發展學生宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認識、實驗探究與創新意識、科學精神與社會責任等化學學科核心素養。

一、更新化學知識

化學知識的形成主要是建立在實驗的基礎上，由于中學實驗技術的發展相對滯后和實驗結果受外界因素的干擾較多，也有的實驗本身較復雜，導致教學中的少部分知識出現似是而非，甚至錯誤。隨著現代傳感技術運用到實驗中，許多化學教師開始重新運用數字化實驗對中學中的實驗再實驗，以研究教材和教學中似是而非的模糊問題，糾正部分長期以來的錯誤認識。如二氧化碳中混有氯化氫的，一般用飽和碳酸氫鈉溶液，原因是二氧化碳在飽和碳酸氫鈉溶液中溶解度比在水中小，但向兩個充滿二氧化碳氣體的圓底燒瓶中分別同時加入等體積的水與飽和碳酸氫鈉溶液，用壓力傳感器測其壓力的變化，壓力變化曲線如圖1所示。實驗結果表示二氧化碳在相同體積的飽和碳酸氫鈉溶液與水中，飽和碳酸氫鈉溶液中溶解的要多，可以推出，用蒸餾水除去二氧化碳中的氯化氫要比飽和碳酸氫鈉溶液要好。

二、微粒變化可視化

在中學化學的學習中，涉及微觀粒子變化平衡的概念和原理時，學生易產生認知障礙，感覺到學習困難，對后續化學的學習影響較大。利用數字化實驗，讓微觀粒子的變化可視化，可讓學生感受到現代科學技術的發展對化學學科的發展產生重大影響，也可以促進學生對化學知識的深度理解，形成化學觀念。如沉淀溶解平衡的教學中，可以先做CaCO3溶于水測導電率的實驗。先測100 mL蒸餾水的導電率，然后加入1 g CaCO3，當導電率不變時（c點），繼續加10 mL蒸餾水，觀察導電率的變化，在e點繼續加10 mL水，觀察導電率的變化（如圖2）。

溶液中的離子變化，通過導電率的曲線表征出來，讓學生清晰地觀察到溶液中離子的變化過程。再根據實驗圖像引導學生分析，CaCO3溶于水測溶液的導電率，溶液的導電率增大說明什么？一段時間后，導電率為什么保持不變？其保持不變說明什么？在c點加入10 mL蒸餾水，導電率為什么突然減小？然后為什么又增大？其增大說明了什么？一段時間后，其又為什么保持不變？導電率保持不變，CaCO3的溶解停止了嗎？通過問題深度的逐層遞進，學生慢慢認識難溶電解質的溶解平衡。

三、革新實驗方式

化學是一門以實驗為基礎的自然科學。隨著科學技術的不斷進步和發展，傳統的化學實驗已經不能滿足現代化實驗教學的需求，數字化實驗彌補了傳統實驗的不足，與傳統實驗形成互補，呈現了更加準確、更加清晰的實驗數據、曲線圖像，而數字化實驗自帶軟件的強大功能更是使數據處理更加便捷，數據的“回放”更是輕松地使實驗“再現”，使學生更易觀察實驗中變化的細節，引發對實驗變化的深度思考，更有利于學科素養的落地。利用這類傳感器，為化學實驗的創新提供了有力的技術支持。如酸堿中和滴定實驗，該實驗中學生對接近滴定終點時的一滴或半滴的操作很難控制，且對酚酞作指示劑，強酸滴定強堿恰好反應的時，理論上pH為7，但實際滴定的終點的pH不等于7，二者的誤差難以控制。利用滴數傳感器、pH傳感器等完成酸堿中和滴定的數字實驗，完美呈現出滴定過程中的pH變化曲線圖（如圖3），利用數據回放功能，當接近終點時，放慢速度，讓學生更直觀地感受接近滴定終點時，一滴溶液（或半滴），可以使pH變化很大，也可以利用求導功能，直接找出滴定終點。

圖3 NaOH溶液滴定鹽酸過程中pH的變化曲線圖

四、提升認知方式

隨著現代科學技術不斷發展，數字化實驗在課堂教學中的運用，對化學的認知方式由三重表征（宏觀表征、微觀表征、符號表征）提升到四重表征（宏觀表征、微觀表征、符號表征、曲線表征）。宏觀表征主要是通過感官直接感知物質的形態、顏色及化學變化時呈現的宏觀現象;微觀表征主要是指微觀粒子（如分子、離子、電子等）構成物質、微粒的運動及其變化過程中微觀信息的表征;符號表征主要是指用化學符號（如化學式、電子式、結構式、化學反應方程式等）對物質的組成、結構、性質及其變化過程等信息進行表征;曲線表征主要是指某因變量隨自變量的變化而變化，在由“x軸”“y軸”構成的平面內呈現的曲線變化的圖像表征。“四重表征”的認知方式從更多的角度引導學生從本質上理解化學變化，促進其對化學概念、化學原理的學習。特別是曲線表征，學生可以通過曲線的信息深度思考其變化原因，進而探究變化本質，發展核心素養。如：在構建弱電解質的電離平衡的概念時，用數字化實驗測0.1 mol/L鹽酸與0.1 mol/L醋酸中溶質的濃度稀釋到原濃度的1/10時pH的變化（如圖4），數字化實驗表征出pH值的變化，而傳統的實驗僅測出某一時間點的pH值，從pH值變化的表征，讓學生思考溶質微粒的變化過程，很容易獲得強弱電解質的區別及弱電解的電解平衡。

五、創新教學模式

新課程標準提倡的基于真實問題情境的科學探究，目的是讓學生樂于參與、主動探索，在探究中發現問題、交流合作、解決問題，進而發展學生科學探究與創新意識、證據推理與模型認識的學科素養。數字化實驗能夠從多個角度呈現化學反應的信息，幫助學生從不同的角度分析和理解，而且各個信息之間相互印證，成為突破教學疑難點的利器。數字化實驗有利于拓展實驗研究面，有利于讓化學實驗走出實驗室，有利于學生的自主探究，讓學生成為實驗教學的主體。在數字實驗的支撐下，科學探究POE教學策略[“預測（Predict）—觀察（Observe）—解釋（Explain）策略”]及“6S”[激趣（Stimulate）、引導（Steer）、猜想（Suppose）、演示（Show）、探究（Seek）、總結（Summarize）]化學實驗探究教學模式都逐步走進課堂，豐富創新了課堂教學模式。

六、學習方式的創新

數字化實驗作為近幾年新發展的實驗手段，豐富了化學實驗的方式，結合了化學學科和學生認識特點，激發了學生的探究欲望。數字化實驗在學生的實際學習中，可用于學生的研究性學習、化學課外興趣小組的學習、化學選修課的學習、項目式學習等多種形式的學習活動，拓展了學生的探索范圍和學習空間，同時將實驗對象也從學校拓展到科學—技術—社會—環境（STSE）的范疇，讓化學的學習更貼近社會和生活，有利于學生學科核心素養的提升。

參考文獻：

[1]錢揚義.手持技術在化學學習中的應用與建模研究[M].北京：科學出版社，2009.

[2]錢揚義.手持技術在理科實驗中的應用研究[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]徐志宏.淺談數字傳感器技術在化學實驗教學中的應用[J].化學教學，2013（9）：50.

[4]鄧峰，錢揚義，劉麗明，等.基于手持技術的“6S”化學實驗探究教學模式[J].中國電化教育，2007（11）：7579.