數字化實驗在高中化學教學中的實踐研究

林珍珍

［摘 要］數字化實驗在高中化學教學中發揮著至關重要的作用。文章以提升學生核心素養為目標，經由“融合技術→改進裝置→演繹數據→推理證據→認識本質”教學路徑，從改進教材實驗、解決教學疑難、探討異常現象三個方面進行基于數字化實驗的實驗創新實踐研究，提供數字化實驗探究范例。

［關鍵詞］數字化實驗；高中化學；教學路徑

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2024）05-0077-05

數字化實驗是數字化技術與現代教育相結合的產物，是一種由傳感器將檢測的實驗數據經數據線和數據采集器傳送至計算機，再由計算機相關軟件進行數據和圖形分析、處理，得到實驗結果的現代化實驗手段。數字化實驗具有定量化和可視化特點，可作為認知工具幫助學生克服化學概念學習中的認知難點，使他們在現有認知水平上科學感知并有效建構抽象化概念。人教版高中化學教材中的實驗和習題都有數字化實驗應用的相關舉例，新高考考題中頻繁出現以數字化實驗研究為背景的曲線分析、數據處理的題目，新課標也要求注重發揮現代信息技術的作用，積極探索現代信息技術與化學實驗的深度融合，合理運用計算機模擬實驗［1］。然而在實際教學中，由于設備不足、技術不到位、思想上不重視等原因，數字化實驗的開展收效甚微。

基于以上分析，并通過對數字化實驗應用于具體教學案例的深入研究，筆者探索出了以提升學生核心素養為目標的“融合技術→改進裝置→演繹數據→推理證據→認識本質”教學路徑（如圖1），從改進教材實驗、解決教學疑難、探討異常現象三個方面進行基于數字化實驗的實驗創新實踐研究。下面是具體的數字化實驗教學范例。

一、改進教材實驗

利用數字化實驗改進教材中的傳統實驗，可實現探究實驗的智能化。通過實驗過程直觀化、實驗數據采集實時化、數據處理自動化，可以讓學生獲得更加準確的實驗數據，凸顯實驗原理；還可以將相關數據以圖像的形式呈現，直觀反映兩個或多個物理量之間的關系，方便學生獲得更加豐富的實驗數據，調動他們多種感官參與實驗探究，促進他們多方位素養的培育和發展。

（一）演示實驗改進

人教版高中化學選擇性必修1第三章第一節通過比較等體積、等濃度鹽酸和醋酸的pH、導電能力以及與等量鎂條的反應情況，幫助學生認識鹽酸和醋酸的電離程度不同，進而引出強弱電解質的概念［2］。然而，教材上并未給出具體的操作步驟，因此給了教師和學生更大的探索空間。我們可以用pH傳感器測定溶液的pH，用電導率儀測定溶液的導電能力，用氫氣傳感器測定等濃度鹽酸和醋酸與鎂條反應產生H2的快慢情況，并用CO2氣體傳感器測定鹽酸和醋酸與碳酸氫鈉溶液反應的快慢來進一步比較鹽酸與醋酸的酸性強弱。實驗裝置如圖2所示，測定結果如表1所示。

（二）探究活動改進

人教版高中化學必修二第六章中的實驗活動利用Na2S2O3 + H2SO4＝Na2SO4 + SO2↑+ S↓+ H2O反應探究化學反應速率的影響因素。傳統實驗通過比較出現渾濁現象所需時間的長短來判斷反應進行的快慢［3］。為得到更準確和直觀的結論，我們嘗試利用數字化實驗進行改進：（1）為了避免肉眼觀察帶來的主觀性，我們通過測定不同條件下體系濁度隨時間變化的情況來判斷反應速率的大小；（2）反應生成SO2，而實驗中卻觀察不到有明顯的氣泡生成，我們嘗試使用更精密的SO2傳感器來測定體系中SO2的含量隨時間變化的情況，進而判斷不同條件下反應速率的大小。為了更易于檢測，實驗在一定溫度的水浴中進行。實驗裝置如圖3所示，實驗結果如表2所示。

二、解決教學疑難

教學疑難是化學教學中難以準確把握內涵、外延不清晰、易于混淆的知識，該部分內容抽象、深奧，不易被學生理解，或是由于學生思維水平的限制而不能準確掌握。高中化學教材中有不少疑難問題的簡單化處理，但大多是通過簡單的定性實驗或文字敘述來幫助學生突破難點，不利于學生思維的深度發展。利用數字化實驗為學生創設較為真實的化學實驗情境，將化學反應現象和結論以數形結合的形式定量呈現，有助于學生根據宏觀證據推出微觀規律，提升宏觀辨識與微觀探析核心素養。

（一）鋼鐵腐蝕實驗探究

人教版高中化學選擇性必修一第四章第三節采用傳統實驗通過觀察導管中水柱的變化驗證鐵的吸氧腐蝕，但實際操作中因氣密性等原因導致實驗現象不明顯，且根據壓強的變化推斷腐蝕的類型有一定的間接性。為直接檢測吸氧腐蝕中氧氣是否參與反應、析氫腐蝕中是否有氫氣產生，我們采用傳感器來改進實驗：向兩個錐形瓶中加入鐵粉和碳粉，其中一個錐形瓶加入飽和氯化鈉溶液，采用O2傳感器測定O2的含量；另一個錐形瓶加入稀鹽酸，采用H2傳感器測定H2的含量。實驗裝置圖如圖4所示，實驗結果如圖5所示。體系中氧氣的百分含量在不斷下降，說明氧氣參與了鐵的腐蝕，即吸氧腐蝕；氫氣的含量不斷升高，說明有氫氣產生，即析氫腐蝕。

（二）分子間作用力感知實驗探究

人教版高中化學選擇性必修2第二章第三節關于“影響物質熔沸點因素”的探究［4］，主要從分子間作用力和氫鍵兩方面入手，但是由于概念比較抽象，難以被直接感知，且在傳統教學中教師難以通過實驗啟發學生思考，學生對該概念的理解主要停留在定性規律的機械記憶上。為了讓學生能夠直觀地感受分子間作用力和氫鍵對物質熔沸點的影響，我們采用溫度傳感器測量醇類（甲醇、乙醇、正丁醇）在相同條件下蒸發時的溫度變化曲線，通過可視化實驗現象讓學生感知分子間作用力的存在。實驗裝置如圖6所示，具體操作為：將吸水紙包裹在溫度傳感器的感應處，分別滴加適量的甲醇、乙醇和正丁醇，測量三者揮發過程中的溫度變化。實驗結果如圖7所示。分析可知，在其他條件相同的情況下，蒸發時溫度下降越明顯，則該液體越易揮發，液體分子間的作用力越小。由此可得分子間作用力：正丁醇>乙醇>甲醇。

三、探討異常現象

在普通化學實驗中，常常會出現一些異常現象，這些現象有時會以探究題目的形式出現在各類習題或者考題中。教師可組織學生將傳統實驗和數字化實驗相結合進行實驗探究，鼓勵學生敢于質疑，大膽求證，并指導學生對異常現象進行分析，利用所學化學原理做出解釋。這有利于學生跳出固化的思維模式，更好地解答高考中出現的比較靈活的實驗題，并逐漸養成崇尚科學真理、不迷信書本和權威的科學態度。

（一）NaHCO3和Na2CO3與CaCl2反應比較探究

鑒別NaHCO3和Na2CO3的一種常用方法是：分別向兩溶液中滴加CaCl2或BaCl2溶液，若產生白色沉淀則為Na2CO3，若無白色沉淀產生則為NaHCO3。然而在課堂實驗上發現，向NaHCO3溶液中滴加CaCl2溶液也能觀察到產生白色沉淀的現象。因此，我們將傳統實驗和數字化實驗結合起來設計探究實驗，分別用CO2氣體傳感器和濁度計檢測不同濃度NaHCO3和Na2CO3與CaCl2溶液反應的情況。實驗裝置如圖8所示，實驗結果如表3所示。

總結規律 1. NaHCO3溶液濃度較大時（如1 mol/L和0.5 mol/L）能明顯看到CO2氣體的產生；2. 采用數字傳感器檢驗是否有CO2生成，可以鑒別0.02 mol/L及以上的兩種溶液；3. 利用濁度計測量體系的濁度，可以鑒別更低濃度（0.01 mol/L）的兩種溶液。 ]

（二）醋酸溶液稀釋過程中導電性變化探究

向弱電解質溶液中加水稀釋會促進電離平衡正向移動，同時由于溶液被稀釋，導電能力會下降；但是也有反常現象，例如向冰醋酸中加水稀釋的過程中，溶液的導電能力呈先升高后降低的趨勢，很多題目圍繞這一趨勢對學生進行考查。有學生質疑：“事實真是這樣嗎？”為了讓學生體驗這一反常現象的真實性，我們用電導率儀測定向V（冰醋酸） [∶] V（水）=1 [∶] 2的混合液中逐滴滴加水進行稀釋的過程中電導率的變化情況。實驗裝置如圖9所示，實驗結果如圖10所示。在實驗基礎上引導學生分析醋酸的電離平衡：CH3COOH + H2O ? CH3COO- + H3O+，最初由于加入的水量少，可以看成水的醋酸溶液，隨著加入水量的增大，水的濃度增大，平衡正移，自由移動離子濃度增加，所以導電性能先增大；繼續加入水，醋酸電離程度增大，但自由移動的離子濃度在減小，所以導電性能隨著水的加入而減小。通過以上實驗探究和理論分析，幫助學生更進一步理解離子濃度的變化規律。

四、小結

數字化實驗在實際教學中的應用，可減少高中化學教學中存在的規律總結文科化、基礎概念臉譜化、相對問題絕對化、實驗探究程式化、復雜問題簡單化、化學概念學科化等問題，能促使教師進一步深化教學理解，優化教學行為。

從課堂教學來看，將信息技術融入化學課堂教學，教學方法和模式具有一定創新性，能克服傳統課堂實驗以講代做、重宏觀輕微觀、強定性弱定量、以給出結論代替探究過程的弊端，同時將化學實驗教學與學生核心素養提升緊密結合，重視素養培育的過程性和方法性，促進素養目標落地生根。

從學生角度來看，以數字化實驗為技術手段，將抽象轉化為具體，有利于降低學生學習難度；數字化實驗的數字、曲線圖像的同步表征能力，可為學生學習提供更為直觀的證據來源，進而能有效幫助學生理解和掌握化學知識，建構化學概念，理解反應原理，發展學科思維，提升化學學科核心素養。

從教師角度來看，有助于提升教師實驗教學的整合力、創新力，增進教師對學科專業的理解，增強教師利用實驗、設計實驗、創新實驗能力的發展，促進教師的專業成長。

然而，目前傳統課堂中數字化實驗的應用實例還較少，基于數字化實驗的課堂教學路徑仍需要不斷修正和完善，因此更需要我們積極投入數字化實驗的開發、研究和各項培訓中，提升個人教育教學理論與實踐水平。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

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

［2］? 人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.普通高中教科書 化學 選擇性必修1［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］? 人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.普通高中教科書 化學 必修第二冊［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［4］? 人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.普通高中教科書 化學 選擇性必修2［M］.北京：人民教育出版社，2020.

（責任編輯 羅 艷）