全國首屆化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗創(chuàng)新設(shè)計大賽的“數(shù)字化”解讀

賴 軍

（江蘇省南通市天星湖中學(xué) 江蘇 南通 226010）

全國首屆化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗創(chuàng)新設(shè)計大賽的“數(shù)字化”解讀

賴 軍

（江蘇省南通市天星湖中學(xué) 江蘇 南通 226010）

2011年3月12日，由中國教育學(xué)會化學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會和南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院主辦、江蘇省教育學(xué)會化學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會承辦的“全國首屆‘威尼爾’杯化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗創(chuàng)新設(shè)計大賽”在南京師范大學(xué)化科院的數(shù)字化實(shí)驗室進(jìn)行了數(shù)字化實(shí)驗教學(xué)的展示評比。共有來自全國的40余位選手參加了比賽，其中25位選手參加了復(fù)賽。

本次大賽是化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗教學(xué)方面的首次全國性大賽，既為各地的骨干教師提供了展示和交流的平臺，同時也將對數(shù)字化實(shí)驗在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

筆者作為參賽選手，參與并觀摩了大賽的全過程，對參賽選手和參賽實(shí)驗進(jìn)行了分析，以數(shù)字形式做歸納，為數(shù)字化實(shí)驗在化學(xué)中的應(yīng)用作參考。

一、地區(qū)差異明顯，發(fā)展極不平衡

參加復(fù)賽的25位選手分別來自5個省市，其中江蘇最多，共有21位，占到了參賽選手總數(shù)的84%。上海、廣東、杭州、安徽各有1名選手參賽。參賽選手基本都來自東南沿海地區(qū)，中西部地區(qū)基本沒有派出選手參賽，且江蘇選手也以南京、蘇州、無錫、常州等蘇南經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)為主，地區(qū)差異非常明顯。其原因主要是數(shù)字化設(shè)備比較昂貴，這也是造成參賽省市較少的主要原因。希望數(shù)字化實(shí)驗的技術(shù)能更加成熟和電腦、手機(jī)等其他電子產(chǎn)品一樣能夠有一個絕大多數(shù)中學(xué)可以接受的價格，讓數(shù)字化實(shí)驗?zāi)軌蚱占啊?/p>

二、傳感器使用頻率不均衡

25個實(shí)驗中，有21個實(shí)驗使用了單個傳感器，占參賽總數(shù)的84%，使用2、3、4、6個傳感器的實(shí)驗各一個，實(shí)驗的綜合程度還有待加強(qiáng)。對于一些多因素影響的實(shí)驗，參賽者考慮還不是很周全。

從不同的傳感器使用頻率來看，9個實(shí)驗使用了溫度傳感器，7個實(shí)驗使用了pH傳感器，其他傳感器使用次數(shù)在2～4次，CO2傳感器使用了一次。溫度和pH對實(shí)驗的影響較為廣泛，這兩種傳感器的使用也比較簡單和成熟。這是大多數(shù)選手選擇這兩種傳感器的主要原因，而其他的傳感器應(yīng)用的范圍和使用頻率就相對要小一些。開發(fā)這些傳感器的用途，是實(shí)驗創(chuàng)新的一個方向。

三、數(shù)字化實(shí)驗在化學(xué)中的三個應(yīng)用

1.激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

興趣是最好的老師，它是人們力求認(rèn)識某種事物或愛好某種活動的傾向。它又是一種情感因素，對人們的智力活動和其他的實(shí)踐活動有著積極的功能。

化學(xué)是一門以實(shí)驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗過程中的變化本身就能引起學(xué)生的興趣，而數(shù)字化實(shí)驗更是以特殊的實(shí)驗儀器與電腦的關(guān)聯(lián)，曲線的自動繪制等新穎的東西吸引學(xué)生的關(guān)注。通過引導(dǎo)，遷移到對實(shí)驗本身的關(guān)注。在學(xué)校裝配數(shù)字化實(shí)驗設(shè)備初期能夠起到很好的教學(xué)效果。但隨著學(xué)生新鮮感的淡化，就需要教師能從其他角度對學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性進(jìn)行引導(dǎo)。在參賽的25個實(shí)驗中，只有一位參賽者介紹了剛購進(jìn)設(shè)備時通過用它來吸引學(xué)生的注意。所有的參賽者都沒有停留在這一層次。

2.輔助課堂教學(xué)

教育要現(xiàn)代化，信息技術(shù)與學(xué)科的整合是一條重要的途徑。數(shù)字化實(shí)驗具有“可視化”的優(yōu)點(diǎn)，能將實(shí)驗中肉眼看不見的分子、離子等的壓強(qiáng)、濃度、色度、pH、導(dǎo)電率等性質(zhì)通過傳感器轉(zhuǎn)化為電訊號，然后通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)入電腦。將實(shí)驗過程用數(shù)字、點(diǎn)、曲線等形式直觀展現(xiàn)在學(xué)生的面前，將圍觀的離子通過“數(shù)字化”進(jìn)行放大。參賽的25個實(shí)驗中有18個可以直接用于輔助中學(xué)化學(xué)教學(xué)。例如：“碳酸鈉與碳酸氫鈉溶解過程中溫度變化的比較”可以通過溫度傳感器方便地測量鹽溶解過程的熱效應(yīng)；“磷酸突躍曲線”可以利用pH傳感器清晰地觀察到磷酸滴定過程中的三個突躍；濁度傳感器可以將Fe（OH）3膠體和FeCl3溶液中分散質(zhì)粒子的大小直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前。色度傳感器可以 敏銳地捕捉到Fe（SCN）3溶液血紅色深淺的變化。使傳統(tǒng)實(shí)驗不能解決的一些難點(diǎn)得到了突破。

3.進(jìn)行探究活動

探究活動包括兩層含義，一是作為參賽者自己的研究，二是作為教師組織學(xué)生進(jìn)行的探究活動。

數(shù)字化實(shí)驗具有“自動化”的特點(diǎn)，系統(tǒng)連續(xù)采樣頻率可以按照實(shí)驗要求設(shè)置。最高采集頻率可達(dá)5000－10000Hz，采集的速度高的可到每秒一萬個數(shù)據(jù)，低的可到幾分鐘甚至幾小時一個數(shù)據(jù)，因而可以適應(yīng)各種不同類型實(shí)驗的需要。有文獻(xiàn)稱雙氧水電池具有較穩(wěn)定的電壓輸出，“微型雙氧水電池設(shè)計與探究”就按文獻(xiàn)中的方法組裝雙設(shè)氧水電池，選用電壓傳感器測量其輸出電壓，得到了一條和橫軸平行的直線，從而驗證了雙氧水電池電壓的穩(wěn)定性。“堿與酚酞平衡移動”、“氣體摩爾體積測定”、“尿素摩爾質(zhì)量的測定”等實(shí)驗都不是中學(xué)要求的范圍。在校研究生、本科生可以開展相應(yīng)的研究，中學(xué)教師也可以通過對實(shí)驗的研究，重溫大學(xué)知識，提高自己的綜合能力。

教師可以利用數(shù)字化實(shí)驗組織學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)。一類和體系的某些性質(zhì)（包括變化）與反應(yīng)條件間的定量或半定量的關(guān)系相關(guān)的內(nèi)容可以用來進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)［1］。數(shù)字化實(shí)驗的優(yōu)勢就在于定量、半定量。掌握了數(shù)字化傳感器的操作后，學(xué)生能夠較快地運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗開展和量有關(guān)的研究性學(xué)習(xí)。“探究鋼鐵的電化學(xué)腐蝕”利用氧氣傳感器，將電化學(xué)腐蝕中消耗氧氣的用量數(shù)字化，使學(xué)生更易接受吸氧腐蝕中氧氣得電子的事實(shí)。“鎂鋁氫氧化物沉淀反應(yīng)習(xí)題科學(xué)性的研究”中，利用電導(dǎo)率傳感器，證實(shí)了我們沿用了多年的鎂鋁離子混合物中加入過量強(qiáng)堿的圖像是錯誤的。利用它可以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的精神，敢于先權(quán)威挑戰(zhàn)。

本次化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗設(shè)計大賽取得了圓滿成功，評委們表示，參賽選手們在本次大賽中體現(xiàn)出了較高的教學(xué)設(shè)計和數(shù)字化實(shí)驗開發(fā)水平，課堂教學(xué)綜合素質(zhì)也很優(yōu)秀。希望借助這一次展評活動促進(jìn)數(shù)字化實(shí)驗的發(fā)展，有更多的數(shù)字化實(shí)驗進(jìn)入中學(xué)的課堂。

［1］宋心琦，黃儒蘭，胡美玲.關(guān)于中學(xué)化學(xué)施行探究性學(xué)習(xí)的思考［J］.化學(xué)教育，2002，（3）

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