數(shù)字化實驗在高中化學教學中的應用探究

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗教學在高中化學教學中占據(jù)著至關重要的地位。傳統(tǒng)的化學實驗主要依賴于常規(guī)實驗儀器，如試管、燒杯、滴定管等，雖然能夠幫助學生直觀地觀察化學現(xiàn)象，但在數(shù)據(jù)采集和分析方面存在一定的局限性。數(shù)字化實驗則是利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機軟件等數(shù)字化設備，對化學實驗過程中的各種物理量（如溫度、壓強、pH值、電導率等）進行實時采集、分析和處理。它具有數(shù)據(jù)采集精確、實時性強、直觀性好等優(yōu)點，能夠彌補傳統(tǒng)實驗的不足。將數(shù)字化實驗引入高中化學教學，不僅可以豐富實驗教學的手段，提升教學效果，還能培養(yǎng)學生的信息素養(yǎng)和科學探究能力，適應現(xiàn)代教育發(fā)展的需求。

一、數(shù)字化實驗的特點

（一）數(shù)據(jù)采集精確

數(shù)字化實驗使用的傳感器能夠精確測量各種物理量，如溫度傳感器可以精確到 0.1^°C 甚至更高精度，pH傳感器能夠精確測量溶液的酸堿度，誤差極小。相比傳統(tǒng)實驗中依靠人工讀數(shù)和估算，數(shù)字化實驗極大地提高了數(shù)據(jù)的準確性。

（二）實時性強

數(shù)字化實驗能夠實時采集實驗數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)采集器迅速傳輸?shù)接嬎銠C上進行處理和顯示。學生可以在實驗過程中實時觀察數(shù)據(jù)的變化趨勢，如在探究化學反應過程中的能量變化時，能夠即時看到溫度隨時間變化的曲線，有助于學生更好地理解化學反應的本質。

（三）直觀性好

數(shù)字化實驗將實驗數(shù)據(jù)以圖表、曲線等直觀的形式呈現(xiàn)出來，使學生能夠更清晰地觀察到實驗現(xiàn)象背后的規(guī)律。例如，在研究物質的溶解度隨溫

度變化時，通過溶解度曲線，學生可以一目了然地看出溶解度與溫度之間的定量關系[1]。

（四）拓展實驗內容

借助數(shù)字化實驗設備，一些傳統(tǒng)實驗難以完成或無法開展的實驗得以實現(xiàn)。如對一些快速反應或微量反應的研究，數(shù)字化實驗能夠精準捕捉瞬間變化的數(shù)據(jù)，為學生提供更廣闊的實驗探究空間。

二、數(shù)字化實驗在高中化學教學中的應用案列分析

（一）案例背景

在高中化學必修課程體系里，“酸堿中和反應”實驗占據(jù)著重要的基礎地位。傳統(tǒng)的實驗操作主要依賴指示劑的顏色變化來判斷中和反應的終點，這種方法雖然能讓學生對反應的完成有一個直觀的認識，但存在明顯的局限性。在實際教學過程中，學生只能觀察到反應結束時的瞬間現(xiàn)象，對于反應過程中溶液pH值的動態(tài)變化以及熱量變化等關鍵信息，難以進行精確的測定和深入的分析。由于缺乏對反應過程中這些重要參數(shù)變化的了解，學生往往只能停留在對酸堿中和反應表面現(xiàn)象的認識，而無法深入理解反應的本質，不利于培養(yǎng)學生的科學探究能力和對化學學科的深入理解。為了彌補傳統(tǒng)實驗的不足，讓學生更全面、更深入地掌握酸堿中和反應的知識，在教學中引入了數(shù)字化實驗，借助先進的傳感器技術和數(shù)據(jù)采集設備，對反應過程進行實時、精確的監(jiān)測，為學生提供更豐富、更準確的實驗數(shù)據(jù)，幫助他們更好地理解反應的本質和規(guī)律。

（二）實驗目的

本次實驗主要有三個方面的目的。第一，利用pH傳感器和溫度傳感器這兩種先進的測量工具，精確測定酸堿中和反應過程中溶液pH值和溫度的變化情況。通過實時采集這些數(shù)據(jù)，能夠直觀地呈現(xiàn)出反應過程中溶液酸堿度和熱量的動態(tài)變化趨勢，讓學生清晰地看到隨著酸堿的不斷混合，溶液的pH值如何從酸性或堿性逐漸向中性靠近，以及反應過程中熱量的釋放情況，深入探究酸堿中和反應的實質，理解氫離子和氫氧根離子結合生成水的過程中所伴隨的各種物理和化學變化。第二，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析和處理，培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)處理能力和科學探究精神。在實驗過程中，學生需要學會使用數(shù)據(jù)采集器和計算機等設備來收集數(shù)據(jù)，并運用相關的軟件和方法對數(shù)據(jù)進行整理、分析和歸納。例如，通過繪制pH值一滴加溶液體積曲線和溫度—滴加溶液體積曲線，學生可以從中提取有用的信息，如反應的終點、反應的熱效應等。在這個過程中，學生需要不斷地思考、分析和總結，提高他們的數(shù)據(jù)處理能力和科學思維能力，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W探究精神。第三，對比傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗，讓學生體會數(shù)字化實驗在化學研究中的優(yōu)勢。傳統(tǒng)實驗雖然簡單易行，但存在測量精度低、數(shù)據(jù)采集不全面等缺點。而數(shù)字化實驗則具有測量精確、數(shù)據(jù)實時采集、操作簡便等優(yōu)點，能夠為學生提供更準確、更豐富的實驗數(shù)據(jù)，幫助他們更好地理解化學現(xiàn)象和規(guī)律。通過對比兩種實驗方法，學生可以深刻體會到數(shù)字化實驗在化學研究中的重要性和優(yōu)勢，激發(fā)他們對化學實驗的興趣和熱情，培養(yǎng)他們運用現(xiàn)代技術進行科學研究的意識和能力。

（三）實驗儀器與試劑

在實驗儀器方面，教師使用了pH傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、磁力攪拌器、酸式滴定管、堿式滴定管和錐形瓶等。其中，pH傳感器和溫度傳感器是數(shù)字化實驗的核心設備，它們能夠實時監(jiān)測溶液的pH值和溫度，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器中。數(shù)據(jù)采集器再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上，通過專門的軟件進行顯示和處理。磁力攪拌器則用于攪拌溶液，使酸堿充分混合，確保反應的均勻性。酸式滴定管和堿式滴定管用于準確量取和滴加鹽酸溶液和氫氧化鈉溶液，錐形瓶則作為反應容器。

在試劑方面，教師準備了0.1mol/L鹽酸溶液、0.1mol/L氫氧化鈉溶液和酚酞指示劑。鹽酸溶液和氫氧化鈉溶液是進行酸堿中和反應的主要試劑，酚酞指示劑則用于傳統(tǒng)實驗中判斷反應的終點，在數(shù)字化實驗中可以作為對比，讓學生更直觀地看到兩種實驗方法的差異。通過使用這些儀器和試劑，教師可以順利地進行數(shù)字化實驗，精確測定酸堿中和反應過程中溶液pH值和溫度的變化，實現(xiàn)了實驗的教學目的。

（四）實驗設計

實驗裝置搭建：首先完成儀器的連接工作，將pH傳感器和溫度傳感器分別接入數(shù)據(jù)采集器，再將數(shù)據(jù)采集器與計算機端口穩(wěn)定連接，確保信號傳輸暢通。取 250mL 錐形瓶，用量筒準確量取50.00mL 濃度為0.1mol/L的鹽酸溶液注入其中。小心將pH傳感器和溫度傳感器的探頭垂直插入溶液，注意避免觸碰瓶底和瓶壁，隨后將錐形瓶平穩(wěn)放置于磁力攪拌器中央位置[2]。調節(jié)攪拌子至合適高度，確保攪拌過程中溶液均勻混合且無飛濺風險。

數(shù)據(jù)采集與處理流程：采用堿式滴定管盛裝0.1mol/L的氫氧化鈉溶液，滴定前需仔細排出尖嘴處氣泡并調整液面至零刻度線。開啟磁力攪拌器，設置轉速為 200r/min 使溶液保持勻速攪拌狀態(tài)，同步啟動數(shù)據(jù)采集器，以每秒1次的頻率實時采集溶液的pH值和溫度數(shù)據(jù)。滴定過程中，以每秒2一3滴的速度緩慢滴加氫氧化鈉溶液，密切觀察計算機軟件界面上的數(shù)據(jù)變化趨勢[3]。當溶液pH值出現(xiàn)明顯突躍時，減緩滴加速度至半滴加入，直至pH值趨于穩(wěn)定。數(shù)據(jù)采集軟件自動生成pH-V曲線和T-V曲線，完整記錄滴定過程中溶液酸堿度和溫度的動態(tài)變化。實驗結束后，對采集數(shù)據(jù)進行平滑處理，剔除因操作誤差導致的異常點，利用軟件內置功能計算反應的中和熱及終點時的pH突變范圍。

傳統(tǒng)實驗對比驗證：在完成數(shù)字化實驗后，平行開展傳統(tǒng)酸堿中和滴定實驗。選用酚酞作為指示劑，向相同體積的鹽酸溶液中滴加2一3滴指示劑，溶液呈無色。使用同一規(guī)格的堿式滴定管進行滴定，當溶液出現(xiàn)淺紅色且30秒內不褪色時，判定為反應終點。對比兩種實驗方法的終點判定差異。

（五）實驗實施過程

實驗課上，學生以4人小組為單位開展活動，教師提前通過課堂觀察和學情分析進行異質分組，確保每組包含1名操作能力較強的學生、1名數(shù)據(jù)記錄細致的學生、1名善于軟件操作的學生和1名思維活躍的學生。具體分工如下：

操作員（1人）：負責組裝實驗裝置，規(guī)范使用滴定管和磁力攪拌器，嚴格控制滴加速率；

數(shù)據(jù)員（1人）：實時記錄傳感器傳輸?shù)膒H值、溫度值及對應的滴定體積，精確到小數(shù)點后兩位；

觀察員（1人）：專注觀察溶液顏色變化（傳統(tǒng)實驗階段）和計算機曲線動態(tài)，及時提醒小組成員關鍵節(jié)點（如pH值接近7時）；

分析師（1人）：負責操作數(shù)據(jù)處理軟件，繪制曲線并進行初步數(shù)據(jù)分析，整理實驗結論。分工明確后，教師發(fā)放《實驗分工記錄單》，要求每組在完成階段任務后由組長簽字確認，確保每位學生都有具體的參與感，避免出現(xiàn)“一人操作、三人旁觀”的現(xiàn)象。

當操作員將 20.00mL 鹽酸溶液注入錐形瓶并固定在磁力攪拌器上后，數(shù)據(jù)員同步在Excel表格中建立三列數(shù)據(jù)區(qū)：滴定體積（V/mL）、pH值、溫度 (T/^°C ）。隨著第一滴氫氧化鈉溶液（約0.1mL）滴入，溶液開始勻速攪拌，觀察員緊盯屏幕上的兩條曲線—pH曲線從1.0開始緩慢上升，溫度曲線則從室溫（ 25.0^°C ）微微上揚?！白⒁?，pH值到6.0了！”當觀察員發(fā)出提醒，操作員立即將滴加速率從 0.5mL/ 分鐘調至逐滴加入，數(shù)據(jù)員的手指在鍵盤上快速敲擊，確保每個數(shù)據(jù)點都準確記錄[4]。

當pH值達到6.8時，曲線斜率明顯增大，溫度上升至 28.5^°C ，分析師突然發(fā)現(xiàn)溫度曲線出現(xiàn)一個小平臺：“這里溫度沒變化，是不是攪拌子卡住了？”操作員暫停滴加，俯身觀察錐形瓶，發(fā)現(xiàn)攪拌子確實貼在瓶壁靜止，調整磁力攪拌器位置后重新啟動，溫度曲線繼續(xù)上升。這個突發(fā)狀況成為小組討論的焦點，他們在實驗報告中特別標注：“攪拌均勻是保證反應充分的關鍵，局部濃度不均會導致溫度數(shù)據(jù)異常?！?/p>

隨著pH值突破7.0，曲線出現(xiàn)陡峭的突躍（2秒內pH從7.0升至10.0），溫度達到峰值30.2^°C ，數(shù)據(jù)員迅速記錄下突躍區(qū)間對應的滴定體積（ 19.80～20.20mL ），分析師在軟件中自動標注突躍中點（ 20.00mL ）[5]。按照實驗設計，操作員繼續(xù)滴加5mL氫氧化鈉溶液，確保獲取完整的反應后數(shù)據(jù)，此時pH值穩(wěn)定在13.0左右，溫度回落至 29.5^°C ，觀察員在現(xiàn)象記錄本上畫下曲線草圖，標注“突躍點清晰，溫度先升后降”。

完成數(shù)字化實驗后，進行傳統(tǒng)實驗。學生在鹽酸溶液中滴加酚酞指示劑，溶液無色，隨著氫氧化鈉溶液的滴加，溶液逐漸變?yōu)闇\紅色，且半分鐘內不褪色，視為反應終點，記錄消耗氫氧化鈉溶液的體積。

（六）實驗結果分析

pH-V曲線分析：從繪制的pH-V曲線可以清晰地看到，在酸堿中和反應過程中，pH值隨著氫氧化鈉溶液的滴加逐漸升高。在接近中和反應終點時，pH值出現(xiàn)急劇上升的突躍，這與理論上酸堿中和反應的pH變化規(guī)律一致。通過精確的pH值數(shù)據(jù)，學生能夠更準確地理解中和反應過程中溶液酸堿度的變化情況，以及指示劑變色范圍與反應終點的關系。

T-V曲線分析：T-V曲線顯示，隨著中和反應的進行，溶液溫度逐漸升高，達到最高點后略有下降。溫度升高表明酸堿中和反應是放熱反應，在反應終點附近溫度達到最高，之后由于溶液的稀釋等因素，溫度略有降低。這讓學生直觀地感受到了化學反應過程中的能量變化，加深了對中和熱概念的理解。

傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗對比分析：傳統(tǒng)實驗通過指示劑顏色變化判斷反應終點，操作相對簡單，但只能得到一個大致的反應終點范圍，無法精確測定反應過程中的pH值和溫度變化。而數(shù)字化實驗能夠實時、精確地采集數(shù)據(jù)，并以直觀的曲線形式呈現(xiàn)，使學生對酸堿中和反應的理解更加深入全面。同時，數(shù)字化實驗過程中，學生積極參與數(shù)據(jù)采集和分析，提高了學習的主動性和積極性。

（七）教學效果

激發(fā)學生學習興趣：數(shù)字化實驗的新奇性和直觀性吸引了學生的注意力，激發(fā)了學生對化學實驗的濃厚興趣。學生積極參與實驗操作，主動思考實驗過程中的問題，課堂氛圍活躍。

培養(yǎng)學生的科學探究能力：在實驗過程中，學生需要自己設計實驗步驟、采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并得出結論，這一過程鍛煉了學生的科學探究能力。通過對實驗數(shù)據(jù)的深入分析，學生學會了從數(shù)據(jù)中挖掘信息，培養(yǎng)了批判性思維能力和創(chuàng)新性思維能力。

結束語

總而言之，數(shù)字化實驗作為一種新興的實驗教學手段，為高中化學教學帶來了新的活力和機遇。通過本文的案例分析可以看出，數(shù)字化實驗在高中化學教學中具有顯著的優(yōu)勢，能夠增強實驗的直觀性與準確性，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的科學探究能力和創(chuàng)新思維能力。然而，數(shù)字化實驗在高中化學教學中的應用仍處于探索階段，需要教師不斷加強學習，提高自身的數(shù)字化教學能力，合理設計和實施數(shù)字化實驗教學，充分發(fā)揮數(shù)字化實驗的優(yōu)勢，為學生的化學學習和全面發(fā)展提供有力支持。

參考文獻

[1]王仲莉.數(shù)字化實驗應用于化學實驗教學的思索[].云南化工，2024，51(9):164-167.

[2]姚增鳳.數(shù)字化實驗在高中化學教學中的應用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2024(16):36-37.

[3]解志勇，張林沖.基于高階思維培養(yǎng)的高中化學數(shù)字化實驗教學實踐研究Ⅲ].教師教育論壇，2024，37(8):55-57.

[4]張敏.數(shù)字化教學平臺助力高中化學教學轉型實踐研究[J].中國新通信，2024，26(13):218-220，96.

[5]覃宏.數(shù)字化實驗在高中化學教學中的應用研究[].中學教學參考，2024(32):75-77.