數字化實驗助力培養高中生探究創新能力

劉景國 孫慧娟

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確指出，化學實驗是科學探究的一種重要途徑?；瘜W實驗教學不僅可以鍛煉學生正確使用儀器設備的能力，而且可以提高學生優化實驗的能力，進而提升學生設計實驗方案的能力。從更深層次上講，它有助于學生深刻理解理論知識，進而達到在實驗教學過程中培養學生的科學探究思維和創新能力的目標。但在實際教學中，化學實驗往往受諸多因素限制，導致學生對實驗的必要性感知被沖淡，極大地制約學生科學探究思維和創新能力的發展。隨著教育信息化的深入推進，越來越多的信息技術被應用到實驗教學中，教師如果能在教學中將傳統實驗和數字化實驗相融合，不僅能幫助學生深入理解實驗過程中物質的微觀變化，而且能引導學生自主實驗，提高學生科學探究和創新能力。下面以人教版高中《化學》必修一第一章第二節“離子反應”教學中有效融合數字化實驗的案例設計加以闡明。

一、案例設計目標

一是通過數字化實驗對硫酸和氫氧化鋇離子反應的探究，培養學生敢于質疑、批判的創新精神，發展宏觀辨識與微觀探析的科學素養。

二是通過對硫酸和氫氧化鋇離子反應的探究，體驗探究實驗的一般模式——發現問題、提出假設、設計實驗、實驗驗證、得出結論，培養學生崇尚真理、嚴謹求實的科學態度，實現深度學習。

二、案例設計

（一）項目式學習培養學生綜合能力

本案例中，我們給學生創設了“除了有白色沉淀生成這個宏觀現象外，還有哪些證據能夠證明Ba（OH）2和H2SO4能夠反應”的真實問題情境，設置四大項目任務引導學生主動探究：任務一——探究Ba（OH）2和H2SO4反應過程中溶液中c（OH-）的變化；任務二——探究Ba（OH）2和H2SO4反應過程中溶液溫度的變化；任務三——探究H2SO4和Ba（OH）2反應過程中溶液中離子濃度的變化；項目作業——利用比色計設計實驗證明Ba（OH）2和H2SO4的反應確實能夠發生。學生要想順利完成四大項目任務，必須借助于數字化實驗儀器。本案例中我們以“材料”的形式對數字化儀器的作用和使用方法進行介紹，以便于學生使用數字化儀器完成相關實驗。在完成四大項目任務的過程中，鍛煉學生的創造力，提高學生的團隊合作和領導力、動手能力、計劃以及執行項目的能力。

（二）數字化實驗助力化學研究

1. pH傳感器助力探究離子反應

學生通過Ba（OH）2和H2SO4離子方程式的書寫，能夠分析推理出c（OH-）減少，但缺少準確測量c（OH-）的儀器，無法獲得測量數據作為證據證明。本案例中，學生借助于pH傳感器和數據處理軟件，就能直觀地觀察到每一滴稀硫酸滴入后溶液的pH數據——pH由滴定開始時的12.72，減小到恰好完全反應時的7.00，到最后的1.22，以及隨著稀硫酸的不斷滴入，整個反應過程中溶液的pH變化曲線（如圖1）。

2. 溫度傳感器助力探究離子反應

學生借助“材料——酸堿中和反應都是放熱反應，生成水越多，放熱越多 ” 能夠推理出Ba（OH）2和H2SO4反應放熱，但由于該反應放熱較少，普通溫度計測量的溫度變化不明顯，難以作為證據。本案例中學生借助于溫度傳感器和數據處理軟件實現了溶液溫度的精確測量，實驗中學生能直觀地觀察到隨著稀硫酸的不斷滴入，溶液溫度由開始時的23.8℃，逐漸升高到恰好完全反應時的26.1℃，以及整個反應過程中溶液溫度變化曲線（如圖2）。

3. 電導率傳感器助力探究離子反應

學生根據Ba（OH）2和H2SO4反應過程中有沉淀生成和對該反應的離子方程式的分析，能夠推理出該反應過程中溶液中離子濃度減小，溶液的導電能力減弱，但常規實驗儀器無法直觀展現出溶液中微粒濃度的變化。本案例中學生借助于電導率傳感器和數據處理軟件，能夠直觀地觀察到隨著稀硫酸的不斷滴入，溶液的導電能力先逐漸減小，二者恰好完成反應時，溶液的導電能力約為0，稀硫酸過量后，溶液的導電能力又逐漸增大的整個過程（如圖3）。

可以說數字化實驗能夠極大地激發學生的探究興趣和求知欲望，提高課堂效率，讓學生在獲取知識、提高動手能力的同時，感受先進實驗儀器設備對科學研究的作用，領略科技發展的價值。

（三）問題組引導學生深度思考

問題組能夠有效引導學生深度思考，達到對知識更深層次的理解，進而提高學習效率。本案例中學生在完成三項任務的過程中均采用了問題組探究形式，如學生在完成“任務一”時，教師由淺入深地提出了三個問題：（1）向Ba（OH）2 溶液中滴加稀硫酸，哪些實驗現象能夠證明該反應確實能夠發生？（2）我們可以通過哪些方法測量溶液中c（OH-）的變化？（3）借助于【材料1】“pH傳感器：用來檢測被測物中氫離子濃度并轉換成相應數值的傳感器；pH越大，c（OH-） 越大，c（H+）越小?！贝蠹夷芊裨O計一個實驗比較準確定量地測量溶液中c（OH-） 的變化？

三、案例效果評價

（一）實際教學效果

本案例中，教師通過問題組引領學生全程參與完成“任務一”后，引導學生歸納出了探究實驗的一般模式：發現問題—提出假設—設計實驗—實驗驗證—得出結論。在后續的項目任務中，學生都能主動將探究實驗的一般模式進行應用，自主設計、科學探究，圓滿地完成了“任務二”和“任務三”。從學生的學習反饋、實驗活動、問題展示看，學生對知識的掌握都很到位。探究性實驗的基本模式，酸堿中和滴定的操作、步驟以及三種數字化實驗儀器的使用方法，學生都能輕松、愉快地掌握并應用，為后續學習打下了堅實的基礎。通過本節課的學習，學生提升了思維品質，培養了遷移與創新能力，提高了科學探究與創新意識，促進了深度學習。

（二）數字化實驗推廣實用價值

本案例中，通過數字化實驗儀器的使用，隨著每一滴稀硫酸的滴入，學生能夠直觀地觀察到溶液的pH、溫度和電導率數據，以及整個反應的pH變化曲線、溫度變化曲線和電導率變化曲線。借助先進化學設備以及信息化技術，用數據作為證據解決學生學習中的疑難點，彌補了常規化學物質結構教學中看不見摸不著的缺陷。數字化實驗能夠實現抽象知識的具體化和直觀化，為化學課堂增添了魅力，降低了學生學習難度，開闊了學生的視野，激發了學生學習興趣，促進了學生主動學習。隨著化學傳感器、數據采集器等數字化實驗儀器的日益小型化、精細化以及信息技術的飛速發展，化學實驗逐漸由傳統感官實驗、手工繪圖向精密定量測定實驗過渡，數字化實驗所占的比重會進一步增大。教師只有在原有課程教學的基礎上，進一步探索，才能讓更多的先進儀器、技術走進實驗室，走進教室，把先進科學技術和科學理念帶入教學實踐當中，進一步提升教育教學質量。

（ 作者單位：山東省淄博第四中學）