高一化學實驗教學的多維實踐探索

【摘要】實驗對高中化學教學有著極為重要的作用。文章基于“雙新”理念及甘肅省普通高中學業(yè)水平合格性考試化學實驗操作測試標準，結合實驗教學，從思維導圖、微型實驗、LabVIEW虛擬仿真軟件、數(shù)字化實驗室平臺這四個維度研究高一化學實驗教學策略，以期學生在學習化學知識的同時能夠真正提升自己的綜合能力。

【關鍵詞】化學教學；實驗；策略；思維導圖；微型實驗；LabVIEW虛擬仿真軟件；數(shù)字化實驗室平臺

【中圖分類號】G633.8【文獻標志碼】A【文章編號】1004—0463（2022）15—0097—06

化學是一門以實驗為基礎的學科，實驗是學習化學的重要途徑，在增強學生學習興趣、提高教學質量等方面具有不可替代的重要作用。然而現(xiàn)階段傳統(tǒng)教學模式下的高中化學實驗教學還存在一些問題，譬如實驗資源不足、實驗存在危險、學生親身經(jīng)歷較少等。因此，近年來各種新型的化學實驗教學方法逐漸被教育工作者充分挖掘并研究使用，以期改變傳統(tǒng)教學模式下實驗課的弊端。下面將從思維導圖、微型實驗、Lab？ VIEW虛擬仿真軟件、數(shù)字化實驗室平臺這四個維度來研究高一化學實驗教學策略，以期為學校提供一條“雙新”背景下高一化學實驗教學的可選之路。

一、思維導圖在高一化學實驗教學中的應用

研究表明，人的大腦分為左半球和右半球，左腦強調邏輯思維，右腦強調形象思維，而傳統(tǒng)教學模式下的化學教學主要側重于培養(yǎng)學生的邏輯思維。思維導圖作為全腦思維模式的集中體現(xiàn)，能很好地將邏輯思維和形象思維加以整合，彌補傳統(tǒng)教學模式的不足；加之學生普遍認為化學知識雜亂繁多，又特別容易混淆實驗原理及實驗步驟。所以，筆者嘗試將思維導圖引入到高一實驗教學中，相對于傳統(tǒng)的實驗教學模式，使用思維導圖存在以下優(yōu)點。

1.與傳統(tǒng)的直線筆記相比，思維導圖可以從最基本知識逐步衍生發(fā)展，逐層遞進地構建學生的樹狀知識框架并能多角度完善。

2.化學實驗大多體現(xiàn)的是抽象的自然思維，這種不可見的思維難以評估，但可以借助思維導圖將其展現(xiàn)出來。講授實驗知識時師生的互動交流，就是自然思維相互碰撞和融合的過程。

3.學習內容可以進行全景設計。教師可以從教材設計和學生學情分析這兩方面確定實驗教學的重難點，從而在教學目標的基礎上設計教學流程，這種由“目標”向“過程”再向“結果”靠攏的實驗設計，邏輯結構會非常清晰[2]。

比如，在“用化學沉淀法出去粗鹽中的雜質離子”實驗中，我們可以設計如圖1所示的思維導圖。

當然，我們也可以將思維導圖的模板提前布置給學生，讓他們進行課前預習。在課堂上引導學生完善思維導圖，讓學生在自己理解的基礎上構建出內部的知識脈絡，加深識記和理解，同時培養(yǎng)學生的分類思想。

二、微型實驗在高一化學實驗教學中的應用

微型實驗是鑒于當前傳統(tǒng)教育模式下化學實驗教學存在的演示實驗占比較大、學生親自動手做實驗的機會少、探索性實驗少、學生實驗探究能力培養(yǎng)不足等弊端而提出的，旨在借助各種資源使學生可以自己動手做實驗。因此，微型實驗存在以下優(yōu)勢[3]：

一是因為實驗所需藥品和實驗設備的微型化，微型實驗有利于降低環(huán)境污染的程度，增強實驗教學的“綠色環(huán)保性”，提升師生的環(huán)保意識。

二是微型實驗可以加深學生對化學反應原理及反應物質的性質和化學變化等內容的理解和掌握，激發(fā)學生勇于探索實驗的意識，提高學生學習的主動性，從而提升教學效果。

然而，就現(xiàn)階段高一的學生實驗而言，定量實驗及要求學生必須掌握的基本實驗操作和儀器使用并不適合開發(fā)成微型實驗。比如，涉及蒸發(fā)結晶過濾操作的粗鹽提純、涉及容量瓶使用的配制一定物質的量濃度的溶液實驗。因此，微型實驗的開發(fā)更加適合于定性實驗。筆者通過對高一新教材及實驗教學的探究，將適合微型實驗開發(fā)的實驗內容進行整合，如表1。

現(xiàn)以“Fe2+、Fe3+的檢測”為例對微型實驗的教學策略進行課例分析。

1.實驗目的：

（1）理解并掌握Fe2+、Fe3+的化學性質。

（2）掌握Fe2+、Fe3+的鑒別方法。

2.實驗藥品：0.1mol/L稀硫酸、FeSO4溶液、 0.5mol/L氫氧化鈉溶液、煤油、鐵粉、氯水、KSCN溶液。

3.實驗儀器：試管、膠頭滴管、導管。

4.實驗原理，即Fe2+（溶液）、Fe3+（溶液）的鑒別方法。

（1）直接觀色法：Fe2+（溶液）呈淺綠色；Fe3+（溶液）呈黃色。

（2）通過KSCN溶液鑒別：Fe2+（溶液）無現(xiàn)象；Fe3+（溶液）呈紅色。

（3）通過NaOH溶液鑒別：Fe2+（溶液）生成白色沉淀，沉淀逐漸變?yōu)榛揖G色，最終變?yōu)榧t褐色；Fe3+（溶液）生成紅褐色沉淀。

5.實驗改進裝置，如圖2。

6.實驗步驟：

（1）如圖2，組裝儀器：向試管A中加入硫酸亞鐵溶液，加入少量鐵粉防止Fe2+氧化，然后將三孔膠塞塞好（分別是導氣管、裝有稀硫酸的膠頭滴管、裝有氫氧化鈉溶液的膠頭滴管）；向試管B中加入煤油和KSCN稀溶液。

（2）將稀硫酸滴入試管A，產(chǎn)生氫氣，利用氣壓將FeSO4溶液通入試管B中后，觀察現(xiàn)象。

（3）將NaOH溶液滴入A中觀察沉淀顏色（最初為白色）。

（4）實驗結束后取下試管B，并滴入氯水觀察顏色（變?yōu)檠t色）。

7.改進優(yōu)勢：

（1）在FeSO4溶液中需加入了少量鐵粉，其目的是防止Fe2+被氧化，可以較長時間觀察到白色沉淀，也體現(xiàn)了Fe3+轉化為Fe2+的方法。

（2）B試管一開始加入煤油，就是為了防止空氣進入，干擾實驗。而且一開始沒有看到紅色，滴加氯水后可觀察到紅色。不僅體現(xiàn)了Fe3+的檢驗方法，也體現(xiàn)了Fe2+轉化為Fe3+的方法。

三、LabVIEW虛擬仿真軟件在高一化學實驗中的應用

近年來，隨著信息技術的快速發(fā)展，越來越多的學校紛紛采用多媒體輔助教學。但對化學實驗而言，僅僅依靠多媒體平臺上的實驗視頻，不足以讓學生完全理解并掌握實驗知識，而且會直接影響學生的實驗興趣，降低化學學科的趣味性。因此，除了傳統(tǒng)的課堂實驗演示外，教師可以借助多媒體對一些實驗優(yōu)化延伸。基于此，筆者融入現(xiàn)代化仿真虛擬軟件LabVIEW，以期拓展實驗教學的形式和渠道，激發(fā)學生的化學學習興趣。

筆者通過相關文獻調研，結合教學實際情況，發(fā)現(xiàn)借助LabVIEW軟件的中學化學仿真實驗系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢[4]：

1.仿真實驗可高度共享且高度統(tǒng)一。同一個實驗的操作步驟往往都是由同一軟件和同一人員編寫的，因而這類實驗往往高度統(tǒng)一。而且通過計算機，可以允許多個學生同步進行相同的實驗、共享資源，方便教師教學。

2.可實時交流互動。編程者可以在前面板上設置信息警告、參數(shù)設置、步驟提示等交互信息。學生在實驗操作時，可隨時與計算機“交流”。

3.高效經(jīng)濟。LabVIEW仿真實驗教學，可以完善傳統(tǒng)實驗教學中設備易磨損老化，元器件及測試儀器易損壞，以及各種因素造成實驗數(shù)據(jù)偏差較大等問題。同時，計算機存儲數(shù)據(jù)代替了紙質版的存儲，既便于保存，也不易丟失。

然而，目前LabVIEW在高中化學實驗中的使用還處于形式化的應用，創(chuàng)新性還有待提高，因此并不是每一個實驗都可以借助虛擬仿真軟件來進行。通過對高一教材的研究和對學生學情的考量，筆者確定了高一5個可借助LabVIEW軟件技術進行的實驗，如表2所示。

現(xiàn)以“配制一定物質的量濃度的溶液”為例，對LabVIEW虛擬軟件在化學實驗中的教學策略進行課例分析。

1.根據(jù)實驗內容進行編程設計。首先，儀器圖像設計。學生在使用軟件時，始終接觸的是前面板，面對的是實驗操作儀器的圖像，如容量瓶、電子天平、試劑瓶、膠頭滴管等。這些儀器圖像越逼真，對學生的學習效果越好，當然這些實驗儀器都需要自己繪制，可以選擇Photoshop來繪圖，如圖3就是筆者根據(jù)實物圖借助Photoshop所繪制的電子天平圖片。

其次，借助LabVIEW軟件編寫實驗程序，編寫的主要模塊為：

（1）控件顯示模塊。LabVIEW中包含多個簡易編程控件，比如布爾、數(shù)組、數(shù)值、字符串、比較等。在編程時，用以調用并控制數(shù)據(jù)，比如容量瓶瓶蓋的打開與閉合可借助于控件布爾。布爾控件在前面板顯示為亮和滅時，后面板則表示為真和假，如圖4所示。

（2）天平稱量模塊。在配制一定物質的量濃度時，稱量操作是重要的環(huán)節(jié)之一。具體操作為：開啟天平——打開天平蓋子——放入稱量紙——天平清零——放入氯化鈉，關閉天平蓋子——讀取示數(shù)，看是否到達目標重量并相應增減。

（3）提示警告模塊。學生在操作時很可能會因為學習不到位出現(xiàn)種種錯誤操作，因此，在編程時，可以設置警告提示，在實驗失誤時彈出警示，督促學生盡快熟悉實驗，完成操作，達到事半功倍的效果。

2.學生利用LabVIEW軟件進行實驗模擬操作。

（1）計算溶質NaCl的質量，點開程序界面，開啟實驗開關。打開電子天平并進行稱量，稱量的質量為5.85g。

（2）稱量結束后點擊稱量紙，稱量紙自動移到燒杯處，將藥品加入燒杯。點擊洗液瓶，洗液瓶會自動向燒杯中加入蒸餾水，隨后點擊玻璃棒，玻璃棒開始攪拌。

（3）點擊玻璃棒，溶液會被引流至容量瓶中。然后點擊洗滌按鈕，會出現(xiàn)洗滌操作，重復兩次。

（4）繼續(xù)點擊洗液瓶，向容量瓶中緩慢加入蒸餾水，當凹液面與容量瓶刻度線差1-2cm時，點擊膠頭滴管，此時會改為膠頭滴管向容量瓶中緩緩加入蒸餾水，當容量瓶內液體凹液面與容量瓶刻度線相切時，點擊停止。

（5）點擊容量瓶瓶塞，關閉容量瓶。點擊搖勻按鈕，會出現(xiàn)混合搖勻的操作。

（6）點擊實驗結束，容量瓶會正確放置好。實驗完畢。

借助LabVIEW虛擬仿真軟件，可以將抽象的實驗理論過程轉變?yōu)榭梢暬牟倏剡^程，從而加深學生對實驗原理及相關知識點的理解，也為化學實驗教學提供了新的思路和方式。

四、數(shù)字化實驗平臺在高一化學實驗教學中的應用

隨著“雙新”政策的落實和化學核心素養(yǎng)理念的穩(wěn)步推進，各種新的化學實驗教學方法逐漸被教育工作者挖掘并加以研究使用，其中就包括數(shù)字化實驗技術。很多學校在原有的傳統(tǒng)實驗室的基礎上，建設數(shù)字化實驗室，并逐步將其應用于實驗教學、實驗研究、興趣學習和研究學習等方面。數(shù)字化實驗簡稱DIS（Digital Information System）實驗，是由計算機、傳感器、數(shù)據(jù)采集器、相關軟件等組成的新型實驗技術手段[5]。它是以真實實驗為基礎完成的實驗，基本過程為：傳感器先檢測到實驗過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（如pH、溫度、電導率、壓強等），然后通過數(shù)據(jù)采集器，將數(shù)據(jù)經(jīng)轉換后輸入計算機，最后由計算機進行數(shù)據(jù)和圖形分析、處理，從而得到實驗現(xiàn)象及結果，如圖5所示。

現(xiàn)以“中和反應反應熱的測定”為例對數(shù)字化實驗結合思維導圖教學策略進行課例分析。如圖6所示。

1.實驗目的。測定強酸與強堿反應的反應熱，體驗化學反應的熱效應。

2.課前預習準備，以思維導圖展示。學生需要在老師的提示下展示實驗藥品、實驗儀器、中和熱的相關概念、中和熱測定操作步驟、注意事項等。在課前，筆者設計思維導圖，如圖7。

3.學生利用數(shù)字化實驗平臺完成實驗。

（1）實驗器材：朗威數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器、多用途生化傳感器支架、計算機、1.00mol/L HCl溶液、1.05mol/ L NaOH溶液、50ml量筒、蒸餾水。實驗裝置如圖8所示。其中溫度傳感器為此實驗的重要構件，一般來說該傳感器采用探針與傳感器電路分離的結構，其中探頭為一個電熱調節(jié)器，即可變電阻。

（2）實驗試劑：1.00mol/L HCl溶液、1.05mol/ L NaOH溶液、蒸餾水。

（3）實驗操作：單擊“開始記錄”，用溫度傳感器分別測量50ml HCl和NaOH的溫度，然后將HCl和NaOH溶液迅速加入中和熱實驗器內，迅速攪拌，待溫度數(shù)據(jù)穩(wěn)定后點擊“停止實驗”。

（4）結果處理：待實驗結束后，單擊“選擇區(qū)域”選擇實驗曲線最高點為研究對象，輸入比熱容和質量等數(shù)據(jù)后，單擊“數(shù)據(jù)計算”，系統(tǒng)會自動計算出反應過程中釋放的熱量（結果如圖9所示）。

（5）實驗結論：當產(chǎn)物為1mol的水時，實驗平臺結果接近57.3kJ。因此可以得到理論上一元強酸和一元強堿反應的中和熱為ΔH=-57.3kJ/mol。

與傳統(tǒng)的化學實驗工具相比，數(shù)字化實驗平臺不僅能為實驗教學提供了更為廣闊的平臺，也能滿足創(chuàng)新思維理論，使學生運用新穎獨特、具有創(chuàng)造力的思考模式來解決問題。

然而，數(shù)字化實驗平臺因為傳感器的限制，并不適用于所有的學生實驗，結合高一實驗內容，筆者認為比較契合的實驗有6個，見表3。

化學實驗對于高中化學的教學有著極為重要的作用，因此在實際的教學過程中，教師要嘗試挖掘并運用一些新的化學實驗教學方法和策略，改善傳統(tǒng)教學模式下的弊端，有效提高學生的探究能力、創(chuàng)新能力、實踐能力和學科能力，完成新課標對于高中化學實驗教學的要求。

參考文獻

[1]黃澤穎.善用思維導圖，共建知識網(wǎng)絡[J].廣東教育（綜合版），2011（03）：48-49.

[2]孫曉琴.高中化學教學中微型實驗的改進開發(fā)與實踐研究[D].呼和浩特：內蒙古師范大學，2019.

[3]王科旺.基于LabVIEW軟件的物理化學實驗仿真系統(tǒng)的開發(fā)與應用[D].西安：陜西師范大學，2013.

[4]孫擎龍.數(shù)字化實驗室在高中化學學習中的應用[J].數(shù)學大世界，2019（01）：33.

編輯：張昀