中學化學的數字化實驗探索

數字化實驗是將傳感器、數據采集器和計算機依次相連，采集真實實驗過程中的各種物理量（如溫度、壓強、濃度、電導率、pH、相對濕度等）并記錄、分析和呈現，以獲得實驗結論。與傳統實驗相比，數字化實驗具有設備攜帶方便、測量操作簡單等特性，是實現信息技術與學科教學深度融合的有效手段。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》明確提出要適當增加數字化實驗，讓學生在實踐探究活動中學習科學方法。2010年，襄陽市化學學科數字化實驗開始起步。十年來，項目組對數字化實驗在中學化學教學中的應用進行了積極探索，促進了學生學科素養的提升。2020年，李茂熾主持的省級重點課題“數字化實驗在中學化學教學中的實施策略研究”順利立項，在課題組但世輝、方向東、段云麗、黃紹維等教師的共同努力下，多項子課題結題，多篇論文發表，課題于2022年順利結題。依托該課題，項目組開展了一系列成果推廣和項目研究活動，有力推進了襄陽市化學學科數字化實驗的開展。

構建“析實驗”應用推廣模式

歷經10余年的探索和實踐，項目組在襄陽市90多所中學的實驗室引入了數字化實驗設備，培養了200多名能使用數字化實驗設備的“種子教師”，凝練了“析實驗”的教學主張，即從傳統實驗只觀察瓶瓶罐罐中的化學實驗現象的單一實驗教學模式，提升到實驗數據即時、可視化的教學模式，有助于幫助學生探究微觀世界，促進學生認知理解抽象概念，提高學生學習興趣和信息技術能力，在培養學生“微觀探析、變化觀念、證據推理、科學探究與創新意識”等核心素養上具有獨特優勢。

項目組依托襄陽市教育科學研究院，每學期至少安排1次數字化實驗教學展示或操作技能培訓；在各類化學教學競賽中，將數字化實驗技能作為加分項；建立適宜推廣的教學案例庫，打磨52項優質的數字化實驗設計和教學案例，匯編成校本教材《數字化實驗操作手冊》，讓數字化實驗的推廣應用更有針對性。為教師搭建教學探索和展示的平臺，培養了一批能熟練操作、演示數字化實驗的“種子教師”，引領帶動更多的教師參與數字化實驗，逐步營造了推廣、應用數字化實驗的良好氛圍。

同時，項目組采用實驗研究法，對照分析數字化實驗在學生解題能力上的適用程度差異：在教學中使用數字化實驗的班級，學生解題能力明顯高于其他未使用的同類班級。這證明了數字化實驗可以幫助學生更好地理解物質變化的規律和各類圖表、數據、曲線的化學意義，更有利于學生提升解決問題的能力，進而讓教師和學校管理者更加認可和支持開展數字化實驗，這是數字化實驗得以順利推廣的根本動力。

學校的支持力度是推動數字化實驗廣泛應用的最重要因素。項目組依托襄陽市教育科學研究院，組織校長、學科帶頭人外出學習，強化對教育信息化的認識。“種子教師”不斷探索利用簡易設備和常見軟件完成一般數字化實驗的方法，使更多學校、教師克服畏難情緒，積極參與和使用數字化實驗。隨著數字化實驗對學生核心素養提升的成效逐步顯現，各級各類學校開始加大投入，鼓勵教師應用數字化實驗提高教學效率和教學質量。在此基礎上，項目組構建了“析實驗”教學主張的應用推廣模式，形成了“析實驗”教學主張在中學化學教學中應用和推廣的理論體系。

完善“析實驗”化學教學體系

在常規教學中，教師大多是按照課本中既定的實驗流程，按部就班地再現實驗過程。由于學生已提前知曉實驗結果，在參與實驗的過程中缺乏探究動力，無法積極參與實驗探究過程，化學實驗也難以發揮出應有的作用。基于此，項目組借助數字化實驗為學生拓展相關的實驗內容，引導學生積極參與探究學習的過程，提高學生自主分析和探究學習的能力。例如，對于碳酸鈉溶液中滴入鹽酸的反應，學生常常不能準確地理解CO32-與H+的分步反應情況，項目組教師引導學生利用pH傳感器和CO2傳感器進行實驗設計并測量pH值和CO2濃度變化。通過教師的指導和分析，學生從反應方程式、實驗數據等多個層面進行分析和探究，既能夠深刻理解CO32-與H+的反應情況，又可以提升自主探究能力。

在數字化實驗推廣實施的應用過程中，項目組通過前期研究發現，教師要善于圍繞教學目標和學生實際發展需求靈活設計數字化實驗流程。一方面，教師要立足課本教學的實際需要，設計不同的數字化實驗過程。例如，在化學知識拓展教學的實驗中，教師可以將數字化實驗設計為展示性實驗，即通過簡單的實驗操作指引為學生提供更多的化學實驗專業技能呈現，拓寬學生的學習視野。另一方面，在強調規范化實驗的教學中，由于需要學生深入了解實驗數據和反應現象，教師在設計實驗流程的過程中要突出真實的化學實驗操作流程和細節，強化學生在數字化實驗過程中對規范化操作的掌握程度，同時通過自主實踐探究掌握必備的實驗知識與技能。基于此，在數字化實驗教學實踐中，教師要根據不同的教學需要靈活設計數字化實驗的教學流程，使數字化實驗應用于化學實驗教學的作用和價值最大化，更有利于數字化實驗在中學化學教學一線得到更好地推廣。

此外，項目組借助各級培訓項目邀請專家進行有關數字化實驗應用的專項培訓，提升教師對數字化實驗的認可度和了解程度，借助學校集體備課和教研活動，鼓勵教師進行相關案例展示；建議學校加強專職實驗員配備，保障日常實驗教學的順利開展；鼓勵學校改進課程設置，在課程中固定安排實驗課，保障學生的實驗動手機會。

形成富有成效的“襄陽經驗”

自推廣實踐“析實驗”教學主張以來，襄陽市中學化學學科教科研水平和教學質量不斷提高。

教師科研成果愈發豐碩。襄陽市化學教師在化學實驗和數字化實驗的學科活動中榮獲省級及以上獎項70余次，在省級以上刊物發表論文100余篇，受邀講學20余場。《湖北教育》2023年第9期專文刊登項目組“析實驗”的教學成果，引起同行熱烈反響。“析實驗”的相關研究成果還獲得了首屆“襄陽好教研”一等獎和首屆“湖北好教研”二等獎。

學生學科核心素養不斷提升。從高考數據來看，襄陽市學生在數字化實驗相關試題的得分能力上有了顯著提升。從化學奧賽來看，學生榮獲國獎的質量和數量也在不斷提升。這些都得益于“析實驗”教學主張對教師教學行為的改變，教師更愿意主動使用數字化實驗技能來優化實驗教學，幫助學生從傳統實驗單一觀察模式上升到數字化實驗定量分析模式，通過分析各類圖表、數據、曲線的化學含義，更好地理解化學反應的本質。

數字化實驗設備不斷豐富完善。目前，大多數學校購置了數字化實驗設備，多所學校具有功能完備的數字化實驗室，這些硬件的提升，為教師開展數字化實驗教學提供了直接支持。

得到了化學同行及專家的認可。依托“析實驗”教學主張，項目組成功申報了湖北省教育科學規劃2021年度重點課題“數字化實驗在中學化學教學中的實施策略研究”和中國教育裝備行業協會2022年度教育裝備科研一般課題“手持技術在內陸欠發達地區中學化學教學中的實施策略研究”。省級重點課題的順利結題得到了華中師范大學國家重點實驗室主任楊光富、湖北省教育科學研究院李友玉、孫旭等專家的關心和指導。專家組一致認為，“析實驗”研究項目效果明顯，對學校發展和教學教研有積極推動作用，對其他學校也有很好的借鑒意義，形成了一系列富有成效的“襄陽經驗”。

未來，在“析實驗”教學主張的研究中，項目組會在襄陽進行更加廣泛和深入的推廣和應用，提煉總結“襄陽經驗”，并期待將“襄陽經驗”輻射到湖北省甚至全國其他一些數字化實驗應用水平較為滯后的地區，讓更多教師掌握數字化實驗技能，讓更多學生的學科核心素養得到培養與提升。

（作者單位：李茂熾，襄陽市教育科學研究院；但世輝，襄陽市教育科學研究院；段云麗，襄陽市第四中學義務教育部；余建勇，襄陽市第四中學高中部）

責任編輯/曹小飛