高中化學數字化實驗教學的初步探討

【摘 要】分析和討論化學數字化實驗的優勢與不足，提出高中化學數字化實驗的改良策略。

【關鍵詞】高中化學 數字化實驗

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2015）08B-0111-02

當今社會是信息化時代、數字化時代，高中課堂也應該數字化。在此，筆者將以化學課堂的實踐作為藍本，探討高中化學如何利用數字化技術，來講解實驗原理，使學生便捷地操作實驗。

一、高效直觀，數字化實驗的優點

（一）提升興趣，提高效率

新的課程標準對學生知識量的要求較之以往更加突出了，因此，一線教師和學生要以更快的速度教學知識點。利用數字化實驗在數據處理中可節省大量的時間，而且數字化實驗形象直觀，更能激發學生的學習興趣，學生和教師都樂于參加有數字化實驗的課堂。為此我們進行了一次調查，采用網絡推送問卷調查頁面形式進行，共收到300份樣本。受調查者既有教師，也有學生。其中支持采用數字化實驗教學的教師占80%，明顯表示不支持的占比15%。進一步分析顯示，這15%中絕大多數教師年齡在50歲左右。這可能的原因是這個群體對新事物的接受能力有限，也不想學。受調查的學生中支持數字化實驗的占96%。可見此種手段在學生中的受歡迎程度較高。學生興趣濃厚，課堂效率提高自然是情理之中。

（二）直觀形象，便于理解

化學的很多概念和原理比較抽象，學生不易理解，教師借助數字技術就可以較好地把抽象的理論形象地闡釋清楚。例如向學生解釋何為弱電解質，教師可以利用數字技術來模擬電解質的形成過程及其電離的強弱程度。我們知道，溶液導電能力的強弱是由溶液里自由移動離子的濃度的大小決定的。因此要測量某種溶液被電解的程度，只需要測量該溶液中的離子濃度，如果離子濃度小，則該物質為弱電解質。傳統的實驗只能讓學生理解導電性的差別，卻不能展示定量分析結果。采用數字化實驗后，可以定量分析弱電解質中的離子情況，讓學生從模擬實驗中感知容液中電離的情況，學生更容易理解了。

（三）改變方法，拓展教學內容

運用數字化實驗，學生在課堂中不需要密切關注如何操作儀器，只需要簡單選擇傳感器。如此，學生有更多的時間和精力思考化學原理，而不是協調、體能、視覺的訓練。因此，數字化實驗教學過程更加突出了學生在課堂教學過程中的主體地位，使學生成為主動探索知識的開拓者，而不是隨波逐流者。另外一方面，教師也可借助這一利器不斷鉆研業務，研究利用新的實驗手段解決某些用傳統實驗儀器難以完成的實驗。

除了學生角色和教師理念的轉變外，更明顯的優勢是實驗內容的擴大化。不斷面世的新的傳感器類型，增加了實驗種類。教學內容可以迅速擴容。

二、數字化實驗的瑕疵

雖然數字化實驗在教學上相比傳統實驗，在幫助學生理解知識、形成能力等方面都有很大的促進作用，但也不是十全十美的。

（一）儀器昂貴，不易推廣

目前市面上流行的數字化儀器價格比較昂貴，以致很多經濟欠發達地區的學校無條件購買。隨著使用時間的延長，儀器的精準度也會有所降低，一旦出現故障，維修成本比較高，這也使得很多學校對普及數字化實驗望而卻步。正因此，筆者所在的學校并沒有普及數字化實驗儀器。根據學校調查，普通的PH傳感器單價為1000元，使用壽命約為3年。而使用傳統實驗設備，3年的設備成本約為200元。這種成本區別是顯而易見的。相反，傳統實驗儀器一般價廉易得，使用壽命較長，維修成本低，有些實驗器材甚至可以直接使用生活廢品。

（二）學生計算能力退化

使用數字化傳感技術，可以采集完整數據，將計算機與手持技術儀器聯用，這樣，傳感器可以精確地測量與傳遞實驗中所測定的各種實驗參數，且所得實驗數據將通過數據采集器轉到計算機中，計算機經由配套軟件將數據以表格和圖像的形式呈現，并進行分析處理。這種依賴計算機自動計算的結果，會使學生的計算、處理數據的能力降低。而且，學生因為不了解數字化儀器具體操作方法，學生對知識原理的認可度和信服度也會降低。

（三）內容虛無縹緲，沒有真實感

化學實驗的本質是要通過親身操作，領悟生活現象，進而利用所學的理論指導生活實踐，并把它作為基礎知識，為深度研究提供先決條件。傳統化學實驗中，有很大一部分是直接將生活中的問題轉化成模型進入實驗室，實驗過程往往來源于生活，學生思考問題更能聯系實際，但數字化實驗在實驗過程中并沒有體現出與生活的緊密結合。傳統化學實驗貼近生活，化學思想清晰、嚴謹，可以培養學生觀察實驗現象的能力、動手能力、數據處理能力等，這些正是數字化實驗教學所欠缺的部分。

三、高中化學數字化實驗的改良策略

（一）傳統實驗和數字化實驗優勢互補，以培養學生推導計算能力

由于計算機軟件可以自動計算采集到的數據，而且這個運算結論通常是由既定的公式得出的。學生在觀測最后的結論時，容易理解實驗原理。但是忽略了運算公式和過程，造成計算能力退化。因此建議教師在數字化實驗課堂中，要結合傳統實驗，要求學生在觀測最后數據的同時，自己親身計算一次，比較自己得出的結論與儀器顯示結論是否有差別。如有差別，思考造成差別的原因。

例如，在氨的制取這一試驗中，NH4Cl和Ca（OH）2反應后，會生出氣體。而當儀器把對氣味的感知傳達給學生時，學生并不能感同身受，因此需要學生在真實的實驗中親身去聞。并且，因為氨氣易溶于水，所以需要加熱使氨氣溢出。在加熱這個過程，由學生觸覺感知更有體會。此外，要求學生必須寫出該反應的化學方程式：2NH4Cl+Ca（OH）2=CaCl2+2NH3+2H20。通過這一平衡過程的計算，使學生理解不同反應物和生成物的比例，然后在儀器檢測的指標中得到印證。

這一過程可以彌補數字化實驗造成學生計算能力和推導能力退化的缺陷，使得傳統實驗和數字化實驗優勢互補。

（二）整合資源，優化數字化實驗

首先加強硬件設施和應用軟件配置。2010年，我國發布《高中理科教學儀器配備標準》，其中提到的計算機數據采集處理系統包括開放式軟件系統，智能接口，在線系統或離線系統，可配套專用實驗儀器，溫度傳感器、pH 值傳感器、電流傳感器、壓強傳感器等；各學校選配高中化學多媒體教學軟件、化學藥品管理軟件。另外，電子白板和實物投影儀也是比較有用的硬件設施；多媒體實驗常用軟件有 Flash，PowerPoint 等；傳感器實驗常用的主要是數據處理軟件，如 DataStudio 數據處理軟件；仿真實驗軟件有多種，如美國 COREL 公司開發的虛擬化學實驗室 COREL Chemlab。

另外，實驗資料也必不可少。各學校可以根據具體需要選配教學投影片、中學化學投影拼版、高中化學教學光盤。教材中現成的數字化實驗案例比較少，而且，由于種種原因，很多學校都沒有開設《實驗化學（選修）》課程。 因此，還可以通過期刊，如《化學教學》《化學教育》等查找實驗資料。如果市場資料還不能滿足需要，可以自主開發實驗資料，根據教學實際，拍攝實驗圖片和視頻，制作實驗動畫和實驗課件。

實驗始終貫穿于整個化學學習中，但是傳統實驗的表現力是有限的。數字化實驗的引入，給我們的實驗教學帶來了新的生機，增加了可供探究的課題空間。因為它所呈現的結果是多維的，包括數據、圖像等，極大地豐富了化學教學。

但我們也要看到數字化實驗內在的缺陷。如削弱了對學生的觀察能力、動手能力、計算能力的培養。因此，如何采用適應數字化實驗的教學理念、教學方法，將數字化和傳統實體實驗有機結合起來，是每個教師應該思考的問題。本文提到的策略也只是拋磚引玉。擇其善者而從之，其不善者而改之，數字化實驗教學是大勢所趨。

【作者簡介】朱春紅（1984.12—），女，中學二級教師，本科學歷，畢業于廣西師范大學，現就職于玉林實驗中學。