數字化實驗與中學化學教學融合的理解與落實

摘要： 在實施《教育信息化2.0行動計劃》背景下，本文結合化學課程標準的有關內容，闡述了數字化實驗的教學功能，論述了數字化實驗與中學化學教學有效融合，在增進學生理解知識、提升探究水平、拓展認識領域及促進觀念形成等方面的重要作用。教師開展數字化實驗教學，應選擇適合的內容設計實驗，關注課程目標和教學重點，處理好與傳統實驗的關系，發揮實驗教學的功效，提升學生解決綜合性問題的能力。

關鍵詞：化學;數字化實驗;信息技術;傳感器;科學探究

2018年，教育部發布的《教育信息化2.0行動計劃》指出，“應用信息技術解決教學、學習、生活中問題的能力成為必備的基本素質”，倡導“發揮技術優勢，變革傳統模式，推進新技術與教育教學的深度融合”。信息技術融入中學化學課程越來越受到關注。在中學化學課程中，數字化實驗是實現新技術與化學教學融合的重要手段，是化學課程培養學生信息素養的重要途徑。

一、數字化實驗進入化學課程

數字化實驗指利用傳感器、數據采集器和計算機及相應軟件進行的實驗^[1]，是現代技術手段在中學化學教學中的應用。數字化實驗在我國走過近20年歷程，但正式進入中學化學課程，則是在近幾年。《高中化學課程標準（2017年版）》提出“關注信息環境下的教學改革”的修訂原則，給出“積極探索現代信息技術與化學實驗的深度融合”相關實施建議。“數字化實驗”和“傳感器”等名詞從此見諸化學課程標準。《義務教育化學課程標準（2022年版）》在課程目標要求、課程內容、課程實施板塊中多次提出信息技術融入化學課程的要求和建議（如圖1）。

新的課程標準從學科本質、科學探究、實際應用、解決問題等角度，反映信息技術融入中學化學教學的重要性，對于課程實施中數字化實驗的開展，具有重要的指導意義。

二、發揮數字化實驗的教學功能

隨著數字化實驗教學應用的普及程度不斷提升，越來越多的學生有機會應用數字化設備來探究和創新^[2]。數字化實驗與中學化學實驗有效融合，對增進知識理解、提升探究水平、拓展認識領域及促進觀念形成具有積極影響，不斷促進教學功能的優化。

（一）增進知識理解，認識學科本質

課堂教學是中學化學的主要教學活動，化學實驗教學是一種重要的方式，體現較強的認識功能價值。化學實驗是學生獲取知識，形成感性認識的重要途徑。真實的實驗現象，是學生認識元素化合物性質、概念原理的感性認識基礎。觀察實驗現象是學生認識物質的重要科學方法。教師將信息技術融入化學實驗教學，通過傳感器這一技術手段表征化學反應中的物質變化^[3]，將傳統實驗中難以觀察到的變化，經過技術分析和處理，轉化為直觀的數據或圖像，不僅能提升化學實驗過程和結果的可視化程度和準確度，而且可使抽象且模糊的化學知識具體化、清晰化，引導學生從量的角度分析實驗過程和結果，從量的角度感知化學知識，并根據不同因素的數量關系揭示化學規律^[4]，幫助學生透過現象認識本質，從感性認識上升為理性分析，進而認識學科本質，建立認知過程，形成科學觀念，促進認知能力發展。

例如，“離子反應”是高中化學中的重要概念，比較抽象，認識其反應的本質，對學生來說存在一定難度。人教版《普通高中教科書 化學 必修第一冊》編排了如下兩種形式的實驗。一是利用傳統實驗，通過氯化鋇溶液與硫酸鈉溶液反應生成沉淀的實驗現象，證明發生了化學反應。教師參照教材進行實驗，旨在提供感性情境素材，講解電離方程式，引導學生將宏觀現象與微觀解釋相聯系，認識“離子反應”的本質。二是利用習題，呈現借助電導率傳感器進行氫氧化鋇溶液與稀硫酸反應的數字化實驗的結果——導電能力變化曲線^[5]。雖然這個數字化實驗是作為習題呈現的，但是在教學中已有較多應用，所呈現的曲線可“直觀”表征離子反應的過程。教師對曲線的變化進行分析和解釋，可使學生比較容易地理解“離子反應”的實質。

（二）提升探究水平，發展科學思維

化學實驗是探究活動的重要形式，是培養學生科學探究與創新意識核心素養的重要途徑。科學探究過程包括獲取證據、分析解釋數據等重要環節。學生通過觀察和實驗等方法獲取證據，基于證據進行分析推理^[6]，可提高科學思維能力。教師應用信息技術開展數字化實驗教學，有利于學生獲得更多的數據變量，并通過控制多變量獲取信息，使實驗結果分析的合理性增強。學生對真實數據、圖像或曲線進行綜合性分析，使證據推理的可靠性增強，有利于他們認識變量控制的實驗方法，提升綜合歸納的能力，發展科學思維能力。

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》劃分了學科核心素養水平。筆者基于此，將科學探究與創新意識素養中證據和處理分析水平劃分了4個層次（見表1）。

對于“離子反應”，例如氯化鋇溶液與硫酸鈉溶液反應的傳統實驗，反應現象不足以作為判斷離子反應發生的直接證據，所以，教材并沒有設計探究活動（考慮大多數學校教學條件），素養水平為1級或2級。在教學中，教師可設計傳統實驗與數字化實驗相結合的實驗探究活動，先通過傳統實驗帶領學生感知現象、分析現象、提出問題，在此基礎上，再開展數字化實驗，利用數據和圖像，獲取有效證據，作證據推理、分析解釋，揭示“離子反應”的本質。學生參與這樣的探究活動，相關素養提升到3級或4級。教學中，學生素養水平的進階路徑如圖2所示。

在融合數字化實驗的探究活動中，學生不僅可以通過觀察現象進行感知性認識，而且可通過對數字化實驗表征的數據和圖像進行處理和分析，認識定量研究的意義，理解學科本質，認識科學方法，了解科學探究過程，提升科學探究和證據推理學科核心素養水平。

（三）拓展認識領域，促進觀念形成

新課程注重綜合化，重視培養學生在真實情境下解決綜合問題的能力，強調培養學生“綜合運用化學等學科的知識和方法，通過一定的技術手段，在解決真實情境問題和完成綜合實踐活動中展現的能力與品格”^[7]。在初中和高中課程標準中，提出了許多真實情境下的綜合實踐活動及建議，如“微型空氣質量‘檢測站的組裝與使用”“基于特定需求設計和制作簡易供氧器”“水質檢測及自制凈水器”等跨學科實踐活動，以及“應用數字化實驗等手段探究不同環境中空氣的質量”“水體富營養化、化學需氧量（CDO）或生化需氧量（BDO）的測定”等任務。學生在真實情境下開展活動，不僅需要調用多學科的知識，而且要根據實際需要，通過技術手段獲取和加工信息^[8]。例如：學生參與“水質檢測及自制凈水器”這一活動，可以利用傳感器檢測水的濁度和色度，也可以利用氯離子傳感器檢驗水中的氯離子濃度;學生“應用數字化實驗等手段探究不同環境中空氣的質量”，需要利用氧氣、二氧化碳等多種氣體傳感器;等等。數字化實驗技術的融入為有效開展綜合實踐活動提供了有力支撐。

教師利用數字化實驗在真實情境下開展綜合實踐教學活動，豐富了探究實踐的手段和形式，拓展了學生的認識領域。科學開展數字化實驗教學，不僅能促進學生形成運用多學科知識、技術、工程融合解決問題的能力^[9]，而且能使學生增強利用現代技術研究和解決實際問題的意識，理解科學與技術的關系，體會和認識技術手段的創新對化學科學的重要價值，形成嚴謹求實、勇于實踐的科學態度，發展實踐能力^[10]，增強科學觀念與社會責任感。

三、數字化實驗教學需注意的問題

（一）選擇適合的內容設計實驗

在課堂教學中，數字化實驗內容的選擇和設計主要體現在幾個方面：補充新實驗，解決傳統實驗現象難以觀察或耗時較長等問題;與傳統實驗結合，體現化學反應的原理及變化過程或趨勢;對實驗現象進行分析、解釋，揭示本質;開展綜合實踐活動，解決實際問題;等等。教師進行教學設計，應選擇適合的內容，注重發揮數字化實驗的功效，講求實效，切實體現其優勢，提高課堂教學效率。

如條件受限，開展數字化實驗有一定的困難，教師可通過多種形式的設計體現數字化實驗手段的作用，如以資料信息的形式介紹實驗方法和過程，以討論交流、習題等形式，對數字化實驗呈現的圖像進行分析等。人教版化學教材必修第一冊第二章第二節“科學·技術·社會”欄目以“驗證次氯酸光照分解產物的數字化實驗”^[11]為例，介紹了數字化實驗的定義、設備、實驗步驟、實驗結果等，讓學生對數字化實驗有初步的了解。選擇性必修第一冊第三章第一節中的“思考與討論”欄目給出了鎂與鹽酸、醋酸反應時氣體壓強隨時間變化的曲線（如圖3^[12]），引導學生圍繞相關問題進行討論分析，增強對化學反應速率、電離平衡移動等知識的理解，提升其圖像分析的能力。在教學中，教師可結合學校和學生的實際情況，參考這些示例或形式進行再設計，以發揮數字化實驗的功能價值。

（二）關注課程目標要求和教學重點

教師設計數字化實驗，應關注課程目標及教學重點，考慮不同學段對知識內容的要求，優化教學。例如，對于中和反應的實驗，教師可利用數字化實驗將其設計為多變量，讓學生使用不同的傳感器進行實驗探究。在不同階段，對于實驗呈現的圖像的分析，要求有所不同：義務教育階段，可引導學生觀察曲線的變化，認識反應的發生及放熱現象的事實，達成教學目標;高中階段則可以根據教學實際，設計中和滴定實驗，分析中和反應的變化過程、滴定終點、突變點及熱量變化等，還可以利用數據、曲線進行有關的計算。

數字化實驗是將化學反應的現象或過程轉化為數據和圖像，常需要學科或跨學科知識間的轉換。教師設計數字化實驗，應考慮學生的知識基礎，在裝置、操作、原理和時效上都應堅持簡約原則，避免過多引入新的知識而偏離重點，降低教學功效。

（三）處理好數字化實驗與傳統實驗的關系

傳統實驗與數字化實驗各有其教學功能，采用何種實驗方式，教師應考慮不同的教學環境、學習背景、目標要求和教學重點，科學決策。例如，空氣中氧氣含量的測定，是教材設計的一個經典實驗，此實驗的重點并不在于結果的精確性，而是通過模擬科學發現，讓學生感受科學家的研究過程，了解科學實驗和探究的方法，加深對空氣中氧氣含量的認識，同時學習氧氣的性質。對于教學實驗，教師不應只是關注實驗結果及結果的精確程度，更要關注對過程和結果的分析和探究，引導學生從不同的角度體驗探究的過程。在這方面，空氣中氧氣含量的測定這一實驗發揮了較強的作用和功效。教學中，教師融入數字化實驗，利用傳感器可以很方便、快速地測得較為精確的結果，使學生清楚地認識空氣的成分，加深對定量研究方法的了解。教師還可以進一步引導學生探究反應中氧氣是否能完全消耗等問題，拓展認識領域，提升探究水平。在實驗之后，教材說明了“人們已能用實驗方法精確地測定空氣的成分”，這為實驗探究的拓展提供了空間。

教學實驗應以簡潔實用為原則，數字化實驗的融入，不應使實驗復雜化。例如，檢測化學反應后溶液的酸堿度，用pH試紙或pH計即可達到目的，引入數字化實驗意義不大。

傳統實驗是中學化學實驗教學的主要形式，數字化實驗是傳統實驗基礎上技術手段的更新而非替代，二者各具有獨特而重要的教學功能。在教學中，教師只有將數字化實驗與傳統實驗科學融合，相輔相成，才能真正提升化學實驗教學的功效。

參考文獻

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[8] 房喻，王磊.義務教育化學課程標準（2022年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2022.

[12]王晶，鄭長龍.普通高中教科書 化學 選擇性必修1 化學反應原理[M].北京：人民教育出版社，2020.

（作者系人民教育出版社編審，中國教育學會化學教學專業委員會理事長，義務教育化學課程標準修訂組核心成員，人教版初高中化學教材主編）

責任編輯：祝元志