引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn) 點(diǎn)亮化學(xué)新課堂

摘 要 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬褜?shí)驗(yàn)結(jié)果以數(shù)據(jù)形式顯示出來(lái)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更直觀、精確。在“常見的堿”化學(xué)課堂教學(xué)中，利用氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)原理設(shè)計(jì)的兩個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，不僅是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的輔助和補(bǔ)充，還能促進(jìn)學(xué)生了解先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，培養(yǎng)思維能力，學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)分析，提高探究水平，有助于提升學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 初中化學(xué) 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（DIS）是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和配套軟件組成，與計(jì)算機(jī)相連接并進(jìn)行定量采集和處理數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不僅能看到一般傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所呈現(xiàn)的宏觀現(xiàn)象，還能把實(shí)驗(yàn)結(jié)果以數(shù)據(jù)形式顯示出來(lái)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更直觀、精確，有利于分析實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越多，在化學(xué)試題中也頻頻出現(xiàn)。在筆者觀摩的“常見的堿”一課中，上課教師利用氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)原理設(shè)計(jì)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，就是用壓強(qiáng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器和配套軟件與計(jì)算機(jī)相連，把實(shí)驗(yàn)中變化的氣體壓強(qiáng)用波形圖直觀地展示給學(xué)生。以下是筆者對(duì)該課所做的總結(jié)、評(píng)析和反思，希望對(duì)致力于研究和應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教師有所幫助。

一、亮點(diǎn)一：設(shè)計(jì)數(shù)字化趣味實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)精彩教學(xué)情境

（一）課堂再現(xiàn)

“雞蛋爬升”趣味實(shí)驗(yàn)[1]的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示。

【師】演示“雞蛋爬升”實(shí)驗(yàn)。

【生】興奮、好奇——為什么雞蛋能從管底爬升到管頂？（實(shí)驗(yàn)使課堂氣氛活躍）

【師】組織學(xué)生小組討論并回答：為什么雞蛋能從管底爬升到管頂？

【生】在亞克力管內(nèi)，雞蛋上方的氣體壓強(qiáng)小于外界大氣壓。

【師】多媒體展示：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，亞克力管內(nèi)雞蛋上方氣體壓強(qiáng)變化波形圖（見圖3）。

【師】對(duì)照波形圖，回顧實(shí)驗(yàn)過(guò)程：用注射器向亞克力管中注入少量液體并振蕩后，管內(nèi)雞蛋上方的氣體壓強(qiáng)（以下簡(jiǎn)稱“壓強(qiáng)”）逐漸減小，由起始點(diǎn)的100.4 kPa降低到最低點(diǎn)的28.6 kPa。用手捏緊亞克力管最下端的膠皮管，松開彈簧夾K2，再一點(diǎn)一點(diǎn)放松亞克力管最下端的膠皮管，雞蛋不斷向上爬升。在雞蛋向上爬升的同時(shí)“壓強(qiáng)”也不斷上升，由28.6 kPa逐漸上升到起始點(diǎn)的100.4 kPa，然后保持不變。此時(shí)雞蛋也停止了上升。雞蛋爬升運(yùn)動(dòng)與“壓強(qiáng)”波形圖曲線的上升同步進(jìn)行。是波形圖讓我們看到了“壓強(qiáng)”的變化。由于“壓強(qiáng)”減小且小于大氣壓，雞蛋就“爬升”了。

【師】同學(xué)們，你們現(xiàn)在肯定對(duì)“注射器中的液體是什么”感到很好奇。它就是氫氧化鈉溶液。而實(shí)驗(yàn)開始前，亞克力管中充滿的是二氧化碳?xì)怏w。它們通過(guò)什么神奇的反應(yīng)使雞蛋爬升了呢？這就是我們今天要研究的課題——“常見的堿”重點(diǎn)探究的內(nèi)容。下面我們一起來(lái)學(xué)習(xí)“常見的堿”。

【生】興致勃勃地投入到新課學(xué)習(xí)中。

（二）教學(xué)評(píng)析

創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境已經(jīng)是現(xiàn)在課堂教學(xué)的常態(tài)。好的教學(xué)情境具有科學(xué)性、合理性、實(shí)效性，即情境安排科學(xué)、合理、有效。有效的教學(xué)情境應(yīng)當(dāng)如催化劑一樣，使學(xué)生身心愉悅，感覺學(xué)習(xí)的過(guò)程充滿樂(lè)趣，能夠積極主動(dòng)地迅速投入到學(xué)習(xí)中去。好的教學(xué)情境有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效果。

“雞蛋爬升”數(shù)字化趣味實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)有效的教學(xué)情境。“雞蛋爬升”實(shí)驗(yàn)比熟悉的“噴泉實(shí)驗(yàn)”和“瓶吞雞蛋”實(shí)驗(yàn)更能使學(xué)生感到新奇，由陌生感產(chǎn)生強(qiáng)烈的好奇——“怎么這樣？”“為什么？”，強(qiáng)烈的好奇又引發(fā)強(qiáng)烈的求知欲。此時(shí)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的“壓強(qiáng)”波形圖被恰當(dāng)?shù)卣故境鰜?lái)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，學(xué)生明白了雞蛋爬升的原因，完成了對(duì)知識(shí)的感知，并為下一步知識(shí)的遷移做了鋪墊。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在此起到了畫龍點(diǎn)睛的作用。

“雞蛋爬升”數(shù)字化趣味實(shí)驗(yàn)在上課伊始便引起了學(xué)生的強(qiáng)烈好奇，撥動(dòng)了學(xué)生求知的神經(jīng)，直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果使學(xué)生透過(guò)事物的表象看到事物的本質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生產(chǎn)生的疑問(wèn)符合杜威“五步思維法”中所說(shuō)的第一步“問(wèn)題”，有效地激發(fā)了學(xué)生的科學(xué)思維。并且教師在引入新課時(shí)提出的氫氧化鈉和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)的問(wèn)題，與新課即將學(xué)習(xí)的新知識(shí)核心內(nèi)容相呼應(yīng)，為后面的學(xué)習(xí)打下伏筆。

可見，這節(jié)課用“雞蛋爬升”數(shù)字化趣味實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的教學(xué)情境不失為一個(gè)精彩的教學(xué)情境。

二、亮點(diǎn)二：分組完成數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，突出重點(diǎn)、實(shí)破難點(diǎn)

（一）課堂再現(xiàn)

當(dāng)學(xué)習(xí)到氫氧化鈉的化學(xué)性質(zhì)——?dú)溲趸c與二氧化碳反應(yīng)時(shí)，教師和學(xué)生一起分析了“雞蛋爬升”數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理，并根據(jù)此原理設(shè)計(jì)了數(shù)字化探究氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)[2]，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，然后把各個(gè)小組實(shí)驗(yàn)結(jié)果一一展示，選取其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的壓強(qiáng)波形圖（見圖5）展示在大屏幕上。

教師和學(xué)生一起分析討論這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

【師】大屏幕上壓強(qiáng)波形圖中曲線的起始部分反映的是什么？

【生】瓶?jī)?nèi)起始?xì)鈮骸?/p>

【師】曲線上升一點(diǎn)，說(shuō)明氣壓增大一點(diǎn)，這是什么原因？

【生】由于注入50毫升水對(duì)瓶?jī)?nèi)氣體形成擠壓，導(dǎo)致氣壓增大。

【師】震蕩瓶子后，曲線下降一些，說(shuō)明氣壓減小，這又是什么原因？

【生】由于水與部分二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，使瓶?jī)?nèi)氣體減少，氣壓減小。

【師】接著曲線又上升一點(diǎn)，這又是什么原因？

【生】由于注入的50毫升氫氧化鈉溶液對(duì)瓶?jī)?nèi)氣體形成擠壓，導(dǎo)致氣壓增大。

【師】又震蕩瓶子后，曲線迅速大幅度下降，這說(shuō)明什么？

【生】說(shuō)明大量二氧化碳與氫氧化鈉溶液發(fā)生反應(yīng)。

【師】前后兩段下降曲線下降的幅度明顯不同，形成鮮明對(duì)比，這又說(shuō)明什么？

【生】說(shuō)明氫氧化鈉反應(yīng)掉大量二氧化碳。

【師】為什么？

【生】如果二氧化碳不與氫氧化鈉反應(yīng)，只與水反應(yīng)，那么兩段曲線下降的幅度應(yīng)該一樣。實(shí)際上是后面一段曲線下降的幅度大很多，說(shuō)明大量二氧化碳與氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)。

【師】小結(jié)：分析得很好。這個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)精確、直觀地驗(yàn)證了氫氧化鈉與二氧化碳發(fā)生了反應(yīng)。下面我們來(lái)書寫反應(yīng)方程式。

（二）教學(xué)評(píng)析

氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)是這節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)。人教版九年級(jí)化學(xué)教材沒(méi)有單獨(dú)介紹氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的探究方法，而是通過(guò)回憶檢驗(yàn)二氧化碳的反應(yīng)來(lái)推知?dú)溲趸c與二氧化碳反應(yīng)，并直接書寫化學(xué)反應(yīng)方程式，致使學(xué)生在掌握氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)上感到困難。為了突出這個(gè)重點(diǎn)和突破這個(gè)難點(diǎn)，針對(duì)二氧化碳通入氫氧化鈉溶液中無(wú)明顯反應(yīng)現(xiàn)象的情況，教師設(shè)計(jì)了多種有明顯現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)演示氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。常見的實(shí)驗(yàn)有“軟塑料瓶變癟”“氣球脹大”“噴泉實(shí)驗(yàn)”“瓶吞雞蛋”等，這些實(shí)驗(yàn)為了確證氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)，還需做對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)排除水的干擾或用稀鹽酸驗(yàn)證反應(yīng)后的產(chǎn)物，實(shí)驗(yàn)過(guò)程比較繁瑣，有時(shí)效果不是很理想。

這節(jié)課設(shè)計(jì)的探究氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，定量、直觀地證明了氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)，使學(xué)生有了深刻的感性認(rèn)識(shí)。從課堂反饋看，學(xué)生能夠較好地理解和掌握氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)，充分體現(xiàn)出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，它能將“無(wú)明顯現(xiàn)象”的化學(xué)反應(yīng)以數(shù)字化形式呈現(xiàn)出來(lái)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精確，通過(guò)分析波形圖及相應(yīng)數(shù)據(jù)，可以培養(yǎng)學(xué)生分析處理數(shù)據(jù)的科學(xué)素養(yǎng)。

三、教學(xué)反思

“常見的堿”這節(jié)課的重點(diǎn)是氫氧化鈉的主要性質(zhì)，其中氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)是氫氧化鈉的重要化學(xué)性質(zhì);這節(jié)課的難點(diǎn)是探究氫氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)，體會(huì)對(duì)比的科學(xué)探究思想。這節(jié)課的兩個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)都是利用氫氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)原理設(shè)計(jì)的，前后呼應(yīng)、相得益彰。“雞蛋爬升”數(shù)字化實(shí)驗(yàn)激趣、設(shè)疑，為后面的學(xué)習(xí)做鋪墊;探究氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是對(duì)比探究實(shí)驗(yàn)，肉眼可見氣體壓強(qiáng)波形圖曲線前后變化趨勢(shì)明顯不同。學(xué)生通過(guò)分析，得出氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的重要化學(xué)性質(zhì)，并體會(huì)了對(duì)比的科學(xué)探究思想。“雞蛋爬升”數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有“雞蛋爬升”的明顯現(xiàn)象，可以幫助判斷氫氧化鈉與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，但是沒(méi)有排除水的干擾。探究氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)比，排除水的干擾，確證氫氧化鈉與二氧化碳發(fā)生了反應(yīng)。學(xué)生對(duì)氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)有了直觀的感性認(rèn)識(shí)。這節(jié)課引入的兩個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是成功的，既突出了這節(jié)課的重點(diǎn)，又突破了這節(jié)課的難點(diǎn)。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不斷在教學(xué)實(shí)踐中展示出優(yōu)勢(shì)，它可以將肉眼無(wú)法觀察到的實(shí)驗(yàn)事實(shí)以數(shù)字化形式呈現(xiàn)出來(lái)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精確，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以保存，供反復(fù)研究使用。在化學(xué)課堂教學(xué)中引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，不僅能對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔助和補(bǔ)充，還能促進(jìn)學(xué)生了解先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，培養(yǎng)思維能力，學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)分析，提高探究水平，有助于提升學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。化學(xué)教師若能在課堂教學(xué)中結(jié)合具體情況設(shè)計(jì)并開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，化學(xué)課堂就會(huì)煥發(fā)新活力，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)也會(huì)成為化學(xué)課堂的新亮點(diǎn)。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]葛德新，施維.“雞蛋爬升”實(shí)驗(yàn)[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2018（6）：30-31.

[2]陳繼清.用DIS實(shí)驗(yàn)探究NaOH與CO2的反應(yīng)[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2018（3）：15-16.

（責(zé)任編輯：趙曉梅）

作者簡(jiǎn)介：陳繼清（1970—），男，江蘇南通人，江蘇省南通市虹橋二中一級(jí)教師，大學(xué)本科，研究方向：化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。