數字化實驗與化學教學研究

一、課題的提出

新的基礎教育課程體系倡導學生主動參與，交流、合作、探究等多種學習活動，改進學習方式，使學生真正成為學習的主人;強調培養學生的創新精神、實踐能力，收集、處理、使用信息的能力;發現、分析和解決實際問題的能力，形成科學態度，學會科學方法;具有獨立思考、自主探究的精神與求實創新的意識。

我校始終堅持科研帶動、課業改革推動、信息技術拉動的“三動戰略”，致力提高學生的學習能力、思維能力、實踐能力、創新能力，大力培養學習型、研究型、創新型學生。我校累計投資近千萬元，建成了國家一類標準物理實驗室8個，化學實驗室8個，生物實驗室6個。2006年投資17萬元，建成了數字化實驗室3個。我校在落實傳統實驗教學的基礎上，大膽探索數字化實驗教學，課堂教學模式和學生學習方式實現了較大轉變，教學質量全面提升。

二、數字化實驗室簡介

數字化實驗室由計算機、計算機網絡、數字化實驗系統、多媒體設備等組成。

數字化實驗系統是根據高中新課程改革而開放的新的實驗設備，主要由傳感器、數據采集器、計算機和數字化實驗系統軟件構成。不同的傳感器檢測到的不同實驗過程中產生的數據，經數據采集器采集到的數據，經過A/D轉換后輸入計算機，再由計算機經過相應的軟件平臺進行數據和圖形的分析、處理、給出物質運動的規律。用傳感器和計算機代替人工處理，簡化了實驗數據的處理過程，能生動、形象地反映物理規律，使學生的精力更集中于對數據背后隱藏的科學規律的探究，提高實驗效率。

三、案例分析

酸堿中和滴定

(一)實驗目的

1.通過實驗，獲得強度不同的酸堿中和時的滴定曲線;

2.學習使用pH傳感器和相關數字化設備;

3.讓學生了解中和時的pH與酸堿強弱的關系，并對普通滴定實驗中指示劑的選用有一個正確的理解。

(二)實驗原理

我們通常用酸堿中和時pH變化曲線圖，分析酸堿中和滴定時的pH變化，通常有4種不同的滴定曲線:強酸滴定強堿曲線、弱酸滴定強堿曲線、弱堿滴定強酸曲線及弱堿滴定弱酸曲線。實驗開始時我們首先正確聯接實驗裝置，并把pH傳感器放入酸中，當堿從滴定管中緩慢下滴時，我們會在計算機屏幕上發現pH的變化。當酸堿物質的量相等時，我們把這一點稱為酸堿中和反應等當點。在等當點附近，會出現pH突躍。在此實驗中，計算機實際紀錄的是pH相對時間的變化，但由于滴定速度前后變化不大，我們在此假定滴定速度一致，這樣我們就能通過計算，獲得每個單位時間消耗的堿的體積。

(三)實驗設備及試劑

計算機及相關軟件、pH傳感器、數據采集器、電磁攪拌器(或用玻璃棒攪拌代替)、燒杯(250mL)、50mL酸式滴定管、50mL堿式滴定管、鐵架臺、鐵夾(2個)、洗瓶。0.1mol/L氫氧化鈉、0.1mol/L氨水、0.1mol/L鹽酸、0.1mol/L乙酸。

(四)實驗過程

1.根據設備要求連接好設備。

2.用0.1mol/L的NaOH清洗完堿式滴定管后裝滿液體，然后用酸式滴定管放25mL鹽酸于250mL燒杯中。

3.按照要求在酸中放入pH傳感器。

4.開啟設備，記錄pH變化。

5.重復上述步驟1—4，進行實驗2—4，NaOH滴定乙酸溶液實驗，鹽酸滴定氨水實驗，乙酸滴定氨水實驗。

(五)實驗數據采集及其處理

經過實驗，學生可以獲得一連串的pH變化相對時間的數據(測試時間間隔可由實驗者自行設置)。

然后，我們把這些數據用計算機處理，并用圖像表示出來。應用同一實驗裝置，我們再分別進行實驗2至實驗4，分別為氫氧化鈉滴定乙酸、鹽酸滴定氨水、乙酸滴定氨水的實驗，對應的圖像，這些圖像無疑生動地表示出了4個實驗的相同點和不同點。學生經過對比可獲得一個理性的認識，加深書本上獲得的已有知識。

四、數字化實驗的反思

傳統實驗所呈現的往往是單一的，而數字化實驗的引入，則給我們的實驗帶來了生動和具體，增加了探究性，因為它所呈現的是多維的，數據和圖像可以同時動態地表現，更快更好地完成化學實驗。

(一)數字化實驗對實驗過程的影響

在觀察環節，數字化手段可以極大地擴展實驗的可視性和可重復性，以往用肉眼觀察非常困難的化學現象，現在可以借助數字技術在時間和空間上的擴展可以清楚地采集下來。

在數據采集環節上，利用計算機和傳感器數字手段，可以更快更準地得到實驗數據。從而節省寶貴的教學時間，把更多的時間用于討論問題之中。

在數據分析環節上，利用計算機的強大數據處理能力，可將學生從簡單、機械、繁瑣的數據處理過程中解脫出來，讓他們的時間和精力用在更有創造力的方面。

(二)數字化實驗對化學實驗教學產生的影響

從總體上講，數字化實驗是以計算機及傳感器為核心器件的實驗體系，而與傳統實驗有較大區別，從而使實驗教學的設計思想、學生的操作過程和實驗中間環節將發生很大變化。

在這種情況下，實驗教學將使一些層面相對簡化，而使另一些層面更深入。比如，在數據處理上，有明確的處理形式的機械性工作，可以交給計算機來自動完成，使處理數據層面上工作簡單化;這樣做的目的是否意味我們對數據的關注可以減少呢?答案是否定的。因為我們要求學生轉而關注數據之間的化學原理和數據背后更深入層次上的分析，就是說可以引導學生把精力從簡單層面上轉移到較深入的地方。

數字化實驗功能全面增強，為化學實驗教學在實驗內容上調整帶來機遇。很多在傳統中學化學實驗中不能做或沒有條件做的實驗，在數字化設備下就可以成功地完成。這樣，我們可以設計出各種探究型實驗，以適應高中化學課程標準中“化學實驗專題”選修模塊的需要。

數字化實驗將打破傳統實驗教學的固有模式，使中學化學實驗具有高度的自主性、開放性和探索性。一方面，學生可以比較方便地根據不同的目的設計實驗，如可以設計某個實驗專門為了仔細深入地觀察某一過程，研究一些物理量之間的關系，等等。另一方面，對于同一個實驗，不同學生之間在學習目的上可以互不相同。實驗既可以探究性的，又可以是驗證性的，由于數字化實驗設備具有便于使用的模塊，學生可以更自由設計某個實驗來驗證他們的想法，為學生大膽創造提供實驗平臺。

(三)數字化實驗對學生的影響

數字化實驗設備在很大程度上提高了學生學習的積極性，他們自覺地利用課余時間做化學實驗。由于數字化設備操作方便，一些原本對化學不感興趣的學生也積極參加進來，例如，在酸堿中和滴定中，當獲得了一個很漂亮的曲線時，他們就顯得很興奮。