數字化實驗在高中化學教學中的應用研究

［摘 要］隨著科學的進步和時代的發展，信息技術與教學活動的聯系日益密切，越來越多的高中化學教師開始嘗試將傳統實驗與數字化實驗相結合，希望通過二者的優勢互補，幫助學生獲取更加精準的數據，以更加深刻地認識化學反應的本質。文章基于此，首先介紹了數字化實驗的發展趨勢，然后客觀闡述了在高中化學教學中應用數字化實驗的優勢和弊端，最后再綜合以上情況，總結出相應的解決措施和方法策略。

［關鍵詞］數字化實驗；高中化學；應用

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）06-0040-03

教育信息化是大勢所趨，而高中化學涉及的知識范圍廣闊，學生既要掌握化學反應，又要開展實驗驗證，對此，數字化實驗無疑是“最優解”和“必選項”。數字化實驗是一項綜合了計算機、傳感器、數據采集器以及相應的數據處理軟件等智能信息處理系統的手持技術實驗，簡稱DIS。它不僅能獲得傳統實驗的現象，還能獲取相關實驗數據，從而使得實驗更加具有說服力和可靠性。高中化學教師應改變傳統的教學觀念，結合先進的科學技術，借助儀器和設備開展數字化實驗，以提高化學實驗數據的精確度，從而將化學實驗“透過現象看本質”的效果最大化。

一、數字化實驗的發展趨勢

研究表明，數字化實驗可以提高學生的信息采集、獲取和處理能力，能充分激發學生的學習興趣，增強學生之間的合作與溝通。數字化實驗以其強大的探究功能，在化學教學中得到了推廣與應用，并發揮了巨大的作用。

《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》中提出“推進信息技術與教學融合”的理念。《普通高中化學課程標準（2017年版）》中也指出要在實驗教學中積極探索現代信息技術與中學化學教學的深度融合。隨著經濟的發展，國家對教育的投入不斷增加，越來越多的學校配備了數字化實驗設備，同時數字化實驗的優勢也得到了一線教師的認可。隨著數字化實驗的普及，我們使用的教材中也開始加入一些利用手持技術進行探究的數字化實驗。

二、在高中化學教學中應用數字化實驗的優勢

（一）數字化實驗是時代的“弄潮兒”

近年來我國的科學技術發展迅猛，智能設備在教學領域更是不可或缺的角色?，F在的教室基本都配備了多媒體教學系統，給教師的教學和學生的學習帶來了許多便利，既豐富了教學方式，也極大地提高了教學效率。化學是一門以實驗為基礎的科學。傳統的化學實驗在化學教學中有著舉足輕重的作用，但在微觀層面的探究上就顯得“力不從心”。數字化實驗能夠很好地彌補傳統實驗在這方面的缺陷，可以從多個維度測量和探究多種數據，如溶液的電導率、溫度、溶解氧、pH值以及壓強等，將這些實驗過程中看不到的微觀變化通過傳感器等數字化實驗設備以曲線或數據的形式表征出來，從而讓學生更直觀地認識微觀層面的問題。例如，在教學離子反應時，為了讓學生更好地認識離子反應的本質，教師可以設計“測定硫酸與氫氧化鋇溶液反應的電導率和pH值”實驗。在滴有酚酞的氫氧化鋇溶液中滴加硫酸，用磁力攪拌器對溶液進行攪拌，利用手持技術測定反應過程中溶液的電導率和pH值，通過數字化實驗表征出來的曲線圖讓微觀的離子反應過程“看得見”。在實驗過程中，學生既能觀察到溶液的顏色變化，同時也能看到顏色變化過程中溶液的電導率和pH值的變化。

（二）數字化實驗是學習的“調味料”

化學作為一門自然科學，與生活有著密不可分的聯系，甚至可以毫不夸張地說，我們每時每刻都在享受著化學研究帶來的成果，所以學生對化學是具有親切感的。在目前信息技術環境的影響下，學生對數字化實驗教學的接受程度普遍較高。數字化實驗可以實現實驗數據的可視化、數據收集的自動化，這些能夠解決學生的實驗操作問題。數字化實驗與傳統的化學實驗有很大的區別，它更能吸引學生的注意力，提升學生的學習興趣。

（三）數字化實驗是安全的“保障書”

化學實驗多涉及化學反應，有些反應和實驗操作存在一定的安全隱患。如有些化學試劑具有一定的腐蝕性或毒性，部分化學實驗需要用到明火等。如果教師或學生操作失誤，就有可能遭受身體創傷，或造成財產損失。而合理使用數字化實驗，對相關實驗進行微型化創新改進，這些問題都能迎刃而解。因為數字化實驗在降低試劑的用量的同時，可以精確獲取相關實驗數據，既保證了實驗安全又節約了實驗試劑，從根源上阻斷了化學藥品的威脅。

三、在高中化學教學中應用數字化實驗的弊端

（一）學?！澳抑行邼?/p>

盡管我國格外重視教育投入，進行了多項政策保護，投入了大量資金支持，但仍有部分經濟發展水平落后的地區無法采購先進的數字化實驗設備。況且如今物價日增，主流的數字化實驗設備價格高昂，縱使學校躍躍欲試，奈何囊中羞澀，只能望而卻步。當然，根據相關調查報告數據顯示，我國購買數字化實驗設備的學校越來越多，但是這些信息化技術設備非但沒有成為“新寵”，反而成了“擺設”。究其原因在于一線教師習慣傳統的教學模式，教學觀念較難轉變，加之教師的信息技術水平不高、數字化實驗儀器操作經驗匱乏、相關教學資源較少等，使得數字化實驗的推廣進程緩慢。

（二）學生“偷工減料”

數字化實驗主要采用傳感技術獲取實驗數據，并通過相關配套軟件對數據進行分析處理，實驗過程中產生的所有數據都將通過電腦自動輸出，當實驗結束時，結果也會公之于眾，這就意味著學生全程都不需要對實驗數據進行記錄和運算。這雖然在一定程度上推動了實驗教學的進度，但是也使學生形成了投機取巧、偷工減料的懶惰心理。因為在可以直接得到實驗結果的情況下，很少有學生會去思考實驗數據代表的含義，這對于學生而言何嘗不是一種得不償失。要知道在新高考中，對學生數據分析處理能力的要求越來越高，因此在數字化實驗教學中一定要引導學生對實驗數據進行分析，否則將對學生的數據處理、判斷和計算等能力產生嚴重的不良影響。

四、在高中化學教學中應用數字化實驗的策略

（一）在儀器設備正常運行的前提下指導學生使用

數字化實驗，顧名思義就是需要借助信息化、數字化的儀器設備開展的實驗活動。但是無論是何等高端的儀器設備，都會在使用過程中有所磨損，一旦“大限將至”，設備將無法提供精確的數據和正確的結果。因此，教師想要充分發揮數字化實驗的作用，首要任務就是對數字化設備的保養、維護和更新加以重視，做好檢查工作，在發現設備精密度出現問題時及時進行修復和調整。其次，教師必須耐心向學生介紹設備的使用注意事項和操作規范。在傳統的實驗教學中，學生在實際操作時往往會出現各種各樣的問題，所以在數字化實驗教學中，教師更需要對學生的操作進行重點培訓，以提高學生的實驗探究能力。不僅如此，教師自身也需要“支棱”起來，在潛意識里形成規范地使用數字化實驗設備來完成實驗過程、觀察實驗現象和完善實驗細節的習慣，以身作則，引領學生進行更深層次的探索和創新。

例如，利用數字化實驗探究“催化劑對過氧化氫分解反應速率的影響”時，除了要提前制作實驗發生裝置，還要按照正確的順序將自制的實驗發生裝置與氧氣傳感器、數據采集器和計算機連接在一起，并設置好數據采集器的采集頻率等。同理，利用pH傳感器測定“食醋總酸含量”時，也需要事先向學生展示磁力攪拌器、pH傳感器等實驗儀器的使用方法，之后再讓學生進行數字化實驗操作。實驗結束后，要引導學生對實驗中使用的pH傳感器等儀器進行檢查，并按要求妥善保管。

（二）結合數字化實驗優化傳統實驗教學

數字化實驗的應用并非意味著傳統實驗的淘汰，相反二者相輔相成、缺一不可。傳統實驗教學內容主要包括實驗操作、觀察現象、分析結果和得出結論；數字化實驗教學內容則在傳統實驗教學內容的基礎上增加了實驗數據的獲取、數據分析等，從而更好地證明實驗結論。顯然它們各有優劣，如果將這兩種實驗教學相結合，先進與傳統、機械與人工相融合，將會產生怎樣的火花？在數字化實驗教學下，學生不僅能夠整合資源，還能夠演繹推理；在傳統實驗教學下，學生不僅能夠察“顏”觀“色”，還能夠真操實練。當學生通過二者完成實驗任務時，無論是動手實踐能力、觀察能力，還是數據的分析處理能力，都將得到巨大的提升。

例如，關于“氫氧化亞鐵沉淀的制備”實驗，在教學中教師與學生討論如何制備并共同設計實驗方案。最初將裝有NaOH溶液的長滴管伸入FeCl2溶液中，擠出NaOH溶液，并在溶液上方加入一層植物油進行液封，但實驗的效果并不理想，生成的沉淀很快就變色了。此時，教師引導學生分析并發現可能是溶液中溶解的氧帶來的影響。為了探究溶解氧是否對這個實驗產生影響，可以借助手持技術中的氧氣傳感器來測定溶液中溶解氧的含量。在傳統實驗中氧含量的測定一般使用的是碘量法，為了精確測定氧含量還必須配制相關的標準溶液來進行滴定，整個過程操作煩瑣，耗時較長，還可能因操作不當造成較大誤差。而利用手持技術，只需要一個小小的氧氣傳感器及相關儀器，就能夠快速、精確地獲取溶液中的氧含量，并且還可以測定實驗過程中溶解氧的含量變化，以判斷是否是溶解氧氧化了氫氧化亞鐵。這是傳統的化學實驗無法完成的。

（三）基于數字化實驗發展學生的學科核心素養

數字化實驗可以實現實驗過程中的數據表征成曲線，與實驗現象同步可視化，從而突破傳統實驗僅能從宏觀現象分析物質微觀層面變化的難題。借助數字化實驗數據曲線，學生會更加深刻地認識物質的微觀變化，從而更好地發展“宏觀辨析與微觀探析”化學學科核心素養。例如，在“電解質”概念教學中，為了更好地讓學生理解電解質的電離過程，教師設計了“測定乙醇、氯化鈉等物質在水中的電導率”實驗，利用這些物質逐步加入水中帶來的電導率變化所表征出來的曲線，再輔以動畫演示，讓學生對電離過程有一個更加深入的認識。

數字化實驗可以將實驗中的溫度、pH值、電導率或者氧氣濃度等的變化過程通過數值或者曲線表征出來，這種方式可以讓學生更好地認識到物質是運動和變化的。通過溫度傳感器測定化學反應過程中的溫度變化，學生可以認識到化學反應過程中不但有新物質生成，還會伴隨著能量的變化。不同的傳感器可以多維度動態地展示化學變化，借此能更好地發展學生“變化觀念與平衡思想”的化學學科核心素養。例如，在探究離子反應本質的教學中，通過測定氫氧化鈉溶液與鹽酸滴定過程中的電導率以及pH值，學生可以更好地認識到離子反應過程中離子濃度的變化，從而對離子反應的本質有一個深入的認識。

物質的研究必須建立在實驗的基礎之上，實驗探究是學習化學的重要途徑。基于數字化實驗的研究性學習，可以培養學生的探究意識、問題意識和創新意識，從而發展學生的“科學探究與創新意識”的化學學科核心素養。例如，關于分子間作用力這種看不見的力，如何幫助學生更好地認識不同分子的分子間作用力的大?。吭诮虒W中，教師可引導學生認識分子間作用力與物質蒸發過程中溫度變化的關系，并設計實驗，借助溫度傳感器測定物質蒸發過程中的溫度變化，進而得到不同物質的溫度變化與其分子間作用力大小的關系。在整個教學過程中，先引導學生發現并提出問題，再引導學生根據問題進行假設，借助數字化實驗設計實驗方案并實施，最后驗證假設從而解決問題。

綜上所述，隨著社會經濟和信息技術的發展，以及新課程改革的全面推進，作為一種先進的教學手段，數字化實驗的研究價值越來越受到一線教師的重視，數字化實驗也得到越來越多的推廣應用。對此，高中化學教師應改變教學觀念，借助先進的信息技術手段——數字化實驗優化課堂，提升實驗教學效果。目前，數字化實驗在實際應用過程中仍存在一些問題，或學?！澳抑行邼?，或學生“偷工減料”，正可謂“路漫漫其修遠兮”，需要教師堅持不懈地“上下求索”。如今，我國已經制定了明確的教育方針，同時擁有先進的信息技術，對于數字化實驗也有越來越多的經驗可以借鑒。因此，只要一線化學教師能夠在儀器設備正常運行的前提下指導學生使用、結合數字化實驗優化傳統實驗教學、基于數字化實驗發展學生的學科核心素養，所有的困擾都將迎刃而解，學生的化學學科核心素養也一定會在數字化實驗技術的加持下得到提升。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 徐鳳.高中化學數字化實驗教學的幾點思考［J］.中學課程輔導，2022（16）：15-17.

［2］? 伍娟，傅鐵軍.信息技術視域下高中化學數字化實驗的實施探究［J］.知識文庫，2022（5）：169-171.

［3］? 曾永裕.教育信息化背景下的高中化學數字化實驗教學［J］.中學教學參考，2021（29）：68-69.

［4］? 傅忠.高中化學數字化實驗教學研究［D］.濟南：山東師范大學，2012.

［5］? 裴傳友，馬善恒，楊芹.中學化學數字化實驗的發展與應用［J］.化學教學.2020（2）：56-60

［6］? 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

（責任編輯? ? 羅? ? 艷）