數(shù)字化實驗系統(tǒng)在中學化學教學中的應用

潘景微

摘 要：從數(shù)字化實驗在中學化學教學中的必要性、優(yōu)越性及可操作性等三個方面提出中學化學課程教學的一些改革建議，為教師更好地將數(shù)字化實驗系統(tǒng)運用于化學教學，并為提高學生自主思考能力和高考解題水平提供幫助。

關鍵詞： 數(shù)字化實驗；化學實驗探究；傳感器；中學化學教學

數(shù)字化實驗系統(tǒng)（DIS）是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和配套軟件組成，能與計算機連接并進行定量采集和處理數(shù)據(jù)的實驗技術系統(tǒng) [1 ]。中學化學教學中引入數(shù)字化實驗室，不僅能彌補傳統(tǒng)實驗工具的缺陷，還能促進學生了解先進的科學技術，獲得科學的學習方法，培養(yǎng)思維能力，提高探究水平。

多數(shù)省市已將數(shù)字化探究實驗室列入基礎教育裝備標準，但存在利用率低的問題，究其原因主要存在三個方面問題：首先，任課教師對數(shù)字化實驗在提高中學化學教學水平上認識不足，高考考綱上沒有傳感器的使用要求，教師便認為數(shù)字化實驗與高考無關，開展數(shù)字化實驗會擠占傳統(tǒng)化學實驗的有限課時，弱化常規(guī)實驗過程的操作規(guī)范及實驗現(xiàn)象的細致觀察，影響高考的卷面成績；其次，數(shù)字化實驗室資源不足，多數(shù)學校也剛裝備起來，成熟的操作方案、教學案例不多；最后，教師操作數(shù)字化實驗儀器的技能較差，有畏難的情緒，也影響了數(shù)字化實驗的開展。本文針對存在的這些問題，從數(shù)字化實驗在中學化學教學中的必要性、對提高中學化學教學效率的優(yōu)勢、可操作性以及存在的困難等4個方面提出一些改革措施，供同行參考。

一、數(shù)字化實驗在中學化學教學中的必要性

在中學化學新課程改革中，特別強調(diào)的“研究性學習”大多都與實驗密切相關。但是，很多實驗隨著研究的深入，會顯得“力不從心”，例如，有關定量、微觀現(xiàn)象的實驗操作，大都難以開展。而DIS傳感器可以為研究性學習提供工具支持，借助DIS傳感器，可以使在中學階段難以開展的實驗變得直觀、簡單且容易被認知，DIS傳感器會自動顯示清晰的實驗結果。另一方面，數(shù)字化實驗教室的分組設置，同時具有互聯(lián)網(wǎng)、多媒體功能，為探究性學習提供了很好的平臺。有些探究實驗必須引入DIS，才可以精確地完成實驗。

在傳統(tǒng)的中學化學教學中，一些難理解的科學概念和原理，通過傳統(tǒng)實驗不容易讓學生理解，也需借助于數(shù)字化傳感技術的直觀演示、準確的數(shù)據(jù)分析和圖表展示，達到快速突破教學難點、優(yōu)化教學過程及提高教學效率的目的。例如，講解離子反應、離子濃度時，通過電導率DIS實驗，引入DIS技術后，就能實現(xiàn)微觀“可視化”，很好地反映溶液中的離子濃度變化情況。

近年高考，呈現(xiàn)出“對化學知識的考查難度降低，讀圖能力要求提高”的趨勢。如圖1，2012福建理綜12題，涉及的化學知識點和計算不難，但要能從圖像中讀出pH=2時，曲線下降越快，說明溶液的酸性越強，降解速率越大。要注意到縱坐標的數(shù)量級，pH=2、pH=7曲線最后重疊，到最后為零說明是完全降解，正確解讀這些信息是解題的關鍵。2013福建理綜12題（圖2），涉及的原理和計算也不難。但此題挑戰(zhàn)性強、區(qū)分度高，即使拔尖考生也未必知其所以然。關鍵就在這個曲線圖上：b、c兩點對應的反應時間都是65s，有些考生就認為b、c兩點對應反應速率相等；曲線在40℃時向上折，相信將絕大多數(shù)考生難住了，這里呈現(xiàn)負增長，考生要從中得出淀粉不再適合做指示劑這個信息。我們常規(guī)實驗很難涉及到這些方面。數(shù)字化實驗結果，是由某些自變量（如：濃度、溫度、壓強、催化劑、表面積等）變化引起的因變量（如：pH數(shù)值、導電率、反應速度、轉化率、體積分數(shù)、沉淀量等）變化，以坐標圖表示的曲線 [2 ]，正好對應現(xiàn)在高考題中的“曲線表征題”。這是基于這類題型能夠定量和全面地考查考生學習、分析和應用能力而設置的，能客觀地評價學生認知水平、思維能力。今年高考的12題也一如既往的考出曲線圖表題（如圖3），如果能從表中所給數(shù)據(jù)得出：單位時間內(nèi)c（N2O）的變化量是定值。認真分析不同坐標所表示的曲線變化，很容易得出正確的答案。這些高考題都能在平時數(shù)字化實驗教學所得的曲線中找到影子 [3 ]。所以，重視數(shù)字化實驗，加強培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)圖表分析能力，將會大大提高學生這方面的解題能力，適應這一高考命題趨勢。

二、數(shù)字化實驗在中學化學教學中的優(yōu)越性

數(shù)字化實驗技術可以提高中學化學教學的效率。以往我們在講解影響電離平衡、水解平衡因素這類問題時，花的課時不少，實驗也沒少做，但效果不好。現(xiàn)在采用數(shù)字化實驗教學，應用DIS傳感器，改變平衡的影響因素，在電腦屏幕上能很直觀地反映出平衡移動及各離子濃度情況，使抽象知識可視化。

牽涉到微觀粒子的知識、平衡等問題，對學生來講，都是難以理解的 [4 ]。數(shù)字化實驗技術可以有效突破許多化學教學的難點。例如：利用稀硫酸與氫氧化鋇溶液的反應，設計數(shù)字化實驗。利用pH傳感器，得到pH變化曲線（圖4）。學生的注意點集中在隨著稀硫酸不斷地滴加，剛開始pH變化不大，中間有一個突變。定量地展現(xiàn)了酸堿中和滴定過程中的pH變化，幫助學生理解滴定中“突躍”這個概念。利用電導率傳感器，得到電導率的變化曲線（圖5），實時體現(xiàn)溶液中離子的導電情況，直接反映溶液離子情況，學生直觀地體會出溶液中離子“量”的問題。簡單的工作曲線就能比較直觀地說明抽象的知識點，即溶液的導電能力與離子濃度有關。這樣就能有效突破這個教學難點。同時再將這兩個曲線聯(lián)系起來，比較pH=7時，與電導率最低處的關系。強調(diào)pH曲線，反映的是氫離子濃度，電導率反映的是所有導電離子總的離子濃度情況。通過對這些曲線的講解、分析，使學生從不同層次、不同角度來理解溶液離子反應。如果增加溫度傳感器，還能很好地同時體現(xiàn)出酸堿反應是熱效應。數(shù)字化實驗的“自動化”、 “實時化”、 “并行化”、 “定量化”是傳統(tǒng)常規(guī)實驗無法比擬的。

還有，利用各種傳感器很容易獲取常規(guī)實驗無法得到的結果。如：酒精燈內(nèi)外焰不同的溫度，氣體中氧氣、二氧化碳的濃度，溶液溫度、離子濃度的實時變化數(shù)據(jù)等等，從而讓學生體會科學實驗探究的樂趣。同時數(shù)字化探究實驗室為我們提供了多媒體教學系統(tǒng)、交互式電子白板、小組合作學習環(huán)境、網(wǎng)絡化信息查詢和豐富的學習資源等優(yōu)越的條件，不僅極大地豐富與方便了教師的教學活動，也為學生的合作、交流和展示提供了許多有利條件。DIS為探究實驗的開展提供了優(yōu)越的工具和環(huán)境。

三、數(shù)字化實驗在中學化學教學中的可操作性

在進行數(shù)字化探究實驗中，課前先將各種儀器裝好、校好，上課時由班上化學興趣小組成員協(xié)助完成。整個過程占用課時不多，學生有時間思考每種因素是如何影響的，影響的后果是怎樣的。平時授課中，數(shù)字化實驗室不但提供了各種數(shù)字傳感器，同時還是一個多媒體、網(wǎng)絡化的教學載體，很容易實現(xiàn)教學的錄制、轉播，實時的互動。為了縮短實驗時間，可采用教師演示前半部分，后面播放事先錄好的內(nèi)容。同時利用教師機的轉播功能，將事先存儲的實驗數(shù)據(jù)、圖像轉播到學生機上。克服了傳統(tǒng)實驗中，老師演示，多數(shù)學生看不清楚；學生分組實驗，不好控制，出現(xiàn)較多干擾因素，過多時間花在操作上，造成實驗過程中的問題得不到充分探索和討論。

特別是學生在專題復習課上，充分利用多媒體技術、信息通信技術，在電腦中清晰看到過程和結果，既簡化了傳統(tǒng)實驗的操作，又提高了課堂效率。這次高三有些專題課中采用了這種辦法，效果很好，從幾次的質(zhì)檢結果來看，識圖能力有較大提高，曲線題得分率明顯提高。

四、數(shù)字化實驗開展初期存在的困難及對策

數(shù)字化探究實驗對于多數(shù)老教師來說是陌生的。我們在高一、高二開展化學研究性學習，主要吸收化學科特長生，全體化學老師都參與。從每個傳感器的使用開始，師生互動，教學相長。學生不多，又不象正規(guī)的上課，每個教師參與度都很高。全體化學教師數(shù)字化實驗操作能力有了很大的提高。在實驗室建設初期的半年，利用開展化學興趣小組活動的方式，完成了老師、化學特長學生數(shù)字化探究實驗的熟練運用。

由于數(shù)字化實驗設備數(shù)據(jù)的采集是采用了很多光電原理來轉換，在其他學科不一定都跟進時，在化學課上花較多的時間解釋這些原理，本身是不實際，也沒有必要。特別是在數(shù)字化實驗建設初期，學生儀器總共使用14套，各儀器的安裝、校準、清洗，就不一定要全體學生參與，充分利用班上化學興趣小組成員課前先將各儀器裝好、校好，并協(xié)助完成實驗。這樣可以減少部分學生對技術的恐懼，同時減少學生在實驗中過度關注技術和設備，學生關注的焦點應該是通過屏幕反映出來的數(shù)據(jù)的變化原因，思考圖形變化的背后有什么規(guī)律。克服了多數(shù)學生不熟悉數(shù)字化實驗設備，和占用課時多的缺點。

綜上所述，數(shù)字化實驗開創(chuàng)了一種嶄新的實驗教學模式，學生對這些儀器充滿新鮮感，而實驗過程的新穎、獨特，也有極大的吸引力，很大程度激發(fā)了學生的探究欲望。相信依托傳感技術、信息技術、多媒體技術、網(wǎng)絡技術，高效、靈活的數(shù)字化實驗。將會越來越受到重視，并將與傳統(tǒng)實驗有機結合在一起，兩者互相補充，將共同在化學教學中發(fā)揮良好的作用。

參考文獻：

[1]田長明.尋求突破——讓傳感技術改變化學課堂[J].中學化學教學參考，2013（9）：361.

[2]洪杰. “曲線表征”類化學試題的命制特點與解析[J].化學教學，2012（8）：304.

[3]趙宇.淺談2011年高考涉及手持技術的化學試題[J].化學教學，2012（2）：298.

[4]彭豪.基于POE策略的高中化學“四重表征”概念教學研究[J].化學教學，2011（10）：294.