數(shù)字化實驗在高中化學教學中的應用研究

摘 要：隨著時代的進步和科技的不斷發(fā)展，數(shù)字化實驗儀器及系統(tǒng)在高中化學教學中得到了越來越廣泛的應用.將數(shù)字化實驗引入高中化學教學教研活動中，不僅有助于激發(fā)學生參與實驗研究的熱情，而且促進了教師和學生思維方式的轉(zhuǎn)變，提高了教師和學生解決問題的能力.數(shù)字化儀器的應用，大大提高了實驗教學的精度，為精準教學、提高教學實效提供了保證.

關(guān)鍵詞：數(shù)字化儀器；實驗教學；應用途徑；高中化學

中圖分類號：G632? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1008-0333（2023）27-0089-03

收稿日期：2023-06-25

作者簡介：徐海波（1980.2-），男，湖北省紅安人，中學高級教師，從事化學教學研究.

基金項目：2021年湖北省教育科學規(guī)劃一般課題“新課程背景下數(shù)字化實驗在高中化學教學中的應用研究”研究成果（課題編號：2021JB283）

自使用新教材以來，數(shù)字化實驗越來越多地在教材中得到體現(xiàn).如人教版高中化學必修第一冊第45頁“驗證次氯酸光照分解產(chǎn)物的數(shù)字化實驗”中，首次明確了使用數(shù)字化儀器進行化學實驗.其中學生新接觸的儀器有：pH傳感器、氯離子傳感器、氧氣傳感器.利用傳感器和信息處理終端進行實驗數(shù)據(jù)的采集和分析，讓學生分析最終實驗結(jié)果，得出結(jié)論.該節(jié)實驗課的開設，開拓了學生理論知識學習的新方式，加強了概念理解過程中的證據(jù)推理過程，同時正式明確了數(shù)字化實驗教學在高中化學教學中的地位.

我校自建立數(shù)字實驗室以來，全體化學教師均全面系統(tǒng)地參與了數(shù)字化儀器的使用培訓，并積極將數(shù)字化實驗應用在課堂以及日常教研和各類優(yōu)課競賽中，均取得了不錯的效果.數(shù)字化實驗教學的開展，也將教師和學生從重點關(guān)注實驗現(xiàn)象引入到關(guān)注實驗過程與原理，將化學實驗帶入到準科學探究的階段.教師也逐漸在改變實驗教學方式，從“直接性、強制背記”的方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙龑浴⑿蜗蠡睘槔碚撘罁?jù)，進行證據(jù)推理，促進學生必備能力的形成和素養(yǎng)的發(fā)展.下面就數(shù)字化實驗對高中化學教學帶來的影響進行簡單的探討.

1 有助于加強學生對概念的理解，強化理論知識的學習? 高中化學教學中，概念的學習是基礎環(huán)節(jié)，但同時也是教師教學的難點.學生往往就是因為對概念理解不透徹和表達不完整，導致在后續(xù)學習中無法系統(tǒng)地掌握知識體系.而部分理論知識的學習，因為教師教學缺乏證據(jù)支撐，導致學生只能“死記硬背”，學生也在學習過程中逐漸喪失學習樂趣，缺乏應用知識的能力[1].化學中的離子反應、弱電解質(zhì)的電離、分子間作用力、化學平衡等概念教學，都可以通過數(shù)字化實驗教學來加強學生對概念的理解.像我校青年教師在參加全市“高中化學素養(yǎng)課堂”教學競賽中，“水的電離和溶液的pH”一課就應用了數(shù)字化實驗探究溫度對水的電離平衡的影響.

數(shù)字化實驗應用部分：

【微觀探析】測定不同溫度時蒸餾水的電導率

實驗儀器及用品：溫度傳感器、電導率傳感器、磁力加熱攪拌器、燒杯等.

已備知識：水的電離程度越大，離子濃度越大，水的電導率越大.

實驗現(xiàn)象：隨著溫度的升高，蒸餾水的電導率呈增大趨勢.

實驗結(jié)論：升高溫度，水的電離平衡正向移動.

設計意圖：（1）結(jié)合前面所學弱電解質(zhì)相關(guān)知識推導影響水電離平衡的因素，培養(yǎng)證據(jù)推理意識，注重前后知識銜接和學生由淺入深的認知特點；（2）數(shù)字化實驗儀器可以測得實驗中的某些細微變化，將不易觀察的實驗現(xiàn)象呈現(xiàn)成數(shù)據(jù)，進而得出結(jié)論.提高學生總結(jié)實驗現(xiàn)象、歸納實驗結(jié)論的能力，培養(yǎng)證據(jù)意識；（3）通過實驗具體操作提高學生實驗操作能力，規(guī)范學生實驗操作技能，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析提高學生分析實驗數(shù)據(jù)并總結(jié)規(guī)律的能力.

本堂課數(shù)字化實驗的應用，對實驗探究有如下影響：一是方便了證據(jù)的收集.電導率傳感器的使用，可以更快更準確地獲得可連續(xù)的監(jiān)測和采集實驗數(shù)據(jù)，讓學生將更多的精力投入到其他更有創(chuàng)造性的方面，而非像傳統(tǒng)實驗一樣需要緊盯實驗現(xiàn)象.另外，設備測出來的數(shù)據(jù)和證據(jù)以圖表和數(shù)字為主，更為直觀.二是解釋和結(jié)論更加直觀有效.根據(jù)實驗現(xiàn)象，隨著溫度的升高，蒸餾水的電導率呈增大趨勢，可以直觀地得出實驗結(jié)論，培養(yǎng)了學生證據(jù)意識.

2 有助于拓展探究問題的深度和廣度，豐富學生知識體系? 探究式教學在日常教學中廣被教師應用，但如果探究的問題枯燥和平淡，學生將會失去探究的樂趣.數(shù)字化實驗可以將有些原來學生只能“意會”的問題數(shù)字化、外顯化，讓學生通過觀察實驗數(shù)據(jù)，拓展探究問題的深度和廣度，進而豐富知識體系.我校另一名青年教師在參加省“高中化學素養(yǎng)課堂”競賽時，“CaCl2溶液和NaHCO3溶液的反應原理及應用”一課選擇使用數(shù)字化實驗來探討其反應原理中是否有二氧化碳氣體生成.

數(shù)字化實驗應用部分教學設計：

【微觀探析】測定0.20 mol/L的CaCl2和NaHCO3溶液混合后有無CO2氣體產(chǎn)生

實驗儀器及用品：二氧化碳傳感器、燒杯等.

【已有結(jié)論】根據(jù)實驗現(xiàn)象可知，0.20 mol/L的CaCl2和NaHCO3溶液混合后，溶液變渾濁，有CaCO3沉淀生成.……

【創(chuàng)設情境】CaCO3沉淀的生成，會促進HCO-3的電離，使溶液中c（H+）會增大.H+和CaCO3沉淀為何不反應？

【學生回答】H+可能和溶液中的HCO-3結(jié)合生成水和二氧化碳氣體.

【教師追問】剛才的實驗中大家有沒有觀察到氣泡？

【學生回答】沒有.

【核心提示】沒有氣泡，可能是二氧化碳的生成速率很慢或者二氧化碳生成量很少.

【教師示范】我們用二氧化碳傳感器來檢測實驗中究竟是否有二氧化碳生成.

【核心提示】曲線表明，二氧化碳的濃度在增大，說明該反應中確實有二氧化碳生成.

【任務驅(qū)動】請同學們寫出兩者反應的化學方程式.

本堂課數(shù)字化實驗的應用，對實驗探究有如下影響：一是拓展了問題的深度和廣度.在學生已有知識中，會認為CaCl2溶液和NaHCO3溶液是不會發(fā)生化學反應的，因為這兩種物質(zhì)不符合復分解反應發(fā)生的條件.而本節(jié)課，通過實驗設計，將不同濃度的兩種溶液混合，然后通過數(shù)字化實驗儀器對產(chǎn)物進行測定，通過所觀察到的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，學生可以得出結(jié)論，CaCl2溶液和NaHCO3溶液在一定濃度下可以發(fā)生反應產(chǎn)生碳酸鈣沉淀和二氧化碳氣體.學生還可以進一步思考和分析這兩種物質(zhì)發(fā)生反應的本質(zhì)，因為在溶液中HCO-3可以電離出CO2-3和H+，當溶液中c（Ca2+）c（CO2-3）>Ksp（CaCO3）時便會有沉淀產(chǎn)生.二氧化碳傳感器的應用，證明了二氧化碳產(chǎn)生的事實，學生也達到了本節(jié)課的學習目標.二是知識的遷移應用更有方向性和指導性.根據(jù)以上實驗現(xiàn)象結(jié)論，學生可以推導出Ba2+、Fe2+、Mn2+等在一定條件下也可以與HCO-3發(fā)生反應產(chǎn)生沉淀和氣體，并且可以進一步用數(shù)字化實驗進行驗證該結(jié)論，達到豐富知識體系的目的.

3 有助于創(chuàng)設不同的導入情景，激發(fā)學生學習的熱情? 情景的創(chuàng)設是否精彩是一節(jié)課成功與否的重要基礎.教師常采用化學史科普、真實情境、科學視野等來創(chuàng)設新課導入情景，達到激發(fā)學生學習熱情的目的.如果能將數(shù)字化實驗作為一節(jié)課的情景導入，也可以進一步點燃學生的學習熱情[2].比如在學習新課“有關(guān)化學反應速率的測定實驗”時，我校青年教師通過帶領(lǐng)學生對教材實驗設計進行質(zhì)疑，然后開展了“運用數(shù)字化儀器對化學反應速率測定實驗的改進”一課，效果優(yōu)秀，學生反應激烈.

數(shù)字化實驗應用部分：

【微觀探析】測定濃度（鋅與不同濃度硫酸反應）對化學反應速率的影響

實驗儀器及用品：溫度傳感器和氣體壓強傳感器、電子天平、1 000 mL抽濾瓶、250 mL容量瓶、量筒、燒杯、玻璃棒等.

改進后的實驗裝置如圖1所示.

數(shù)字化實驗結(jié)果如圖2所示.

【實驗創(chuàng)新要點】

（1）選取適量的鋅粒和合適濃度的硫酸溶液，在抗壓能力較大的抽濾瓶中進行反應；

（2）使用數(shù)字化儀器，將不易直接觀察的物理量直觀可視化，同時提高了實驗的準確性；

（3）解決了在非標準狀況下，通過氣體的體積計算化學反應速率的問題；

（4）通過一次實驗完成了測定不同濃度下硫酸與鋅的反應速率，更好的為下一節(jié)“影響化學反應速率的因素”做鋪墊.

本堂課數(shù)字化實驗的應用，對新授課有幾個影響.一是完善了實驗設計的準確性.課本實驗是通過測定活潑金屬與酸反應產(chǎn)生相同體積氣體時所需要的時間來達到測量化學反應速率的目的，但是忽略了反應過程中金屬與酸反應溫度的變化等因素.而利用數(shù)字化儀器采集數(shù)據(jù)，提高了實驗的準確性，解決了在非標準狀況下，有氣體參與時，化學反應速率的計算問題，得出更準確的結(jié)論.二是反思和評價更加客觀有效.數(shù)字化實驗儀器的引入讓探究活動過程記錄更細致更完整，使分析、質(zhì)疑、反思和評價時有了更客觀的依據(jù).該實驗設計同樣存在著不足，在課堂上有學生質(zhì)疑反應體系溫度不均勻，溫度傳感器局限于測定反應體系的局部溫度，整個實驗還存在一定誤差.所以數(shù)字化實驗的開展能使評價更為客觀和更具備發(fā)展性，有利于學生的成長，能培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和辯證思維.

參考文獻：

［1］ 陳琛，董熊輜，姚如富，等.數(shù)字化實驗在化學教學中的應用[J].合肥師范學院學報，2018（5）：78-81.

[2] 裴傳友，馬善恒，楊芹.中學化學數(shù)字化實驗的發(fā)展與應用[J].化學教學，2020，42（2）：56-58.

［責任編輯：季春陽］