化學實驗教學與現代技術

劉海民

（赤峰二中 內蒙古赤峰 024000）

化學是在微觀層面上研究物質的組成、結構、性質、變化及合成規律的，以實驗為基礎的自然科學。化學核心素養中“宏觀辨識與微觀探析”，“變化觀念與平衡思想”是化學學科思維方式和化學學科思想。高考新評價體系“一體四層四翼”，具體到化學學科能力包括“接收、吸收、整合化學信息的能力”，其中具體內容有：“通過對自然界、社會、生產、生活中的化學現象的觀察，以及對實驗現象、實物、模型的觀察，對圖形、圖表的閱讀，獲取有關的感性知識和印象，并進行初步加工、吸收、有序存儲。”“從提供的新信息中，準確地提取實質性內容，并與已知知識整合，重組為新知識塊。”對教材中實驗現象不直觀，不明顯，學生印象不深刻，如：速度較快的反應、有危險性的實驗、現有條件難以實現的實驗、涉及微觀粒子的反應原理的解釋等，在教學上如果應用DIS技術、VR和AR技術、手持技術、計算機模擬技術等可以幫助學生進行宏觀辯識，進而理解微觀本質。[1]

Na與水反應中鈉塊在水面上升又下降的過程是很快完成的。一般常規實驗演示不利觀察。在電子實驗室學生利用高拍儀將其過程錄制然后在班級觸控一體機上播放可以放慢速度，反復觀察，學生自己制做視頻興趣高，觀察分析到位，理解深刻。[2]

電是科學研究中非常重要的一種現象，19世紀，人們還沒有掌握先進的技術手段，當時的電學手段及其引發的導電實驗的分析方法帶領早期化學家們深入到了微觀世界的研究。法拉第以及阿累尼烏斯之所以都提出了自己富有創造性的離子觀，都是因為他們借助了以導電實驗為核心的方法體系，借助于導電實驗的一系列對比分析及邏輯推理一步步深入到物質構成和物質反應的微觀世界。導電的實驗手段與發明于20世紀80年代的掃描隧道顯微鏡對人們研究物質微觀世界的功用甚至是同等重要的。中學化學教學中，我們無法利用掃描隧道顯微鏡，但我們完全有可能借助導電實驗的分析方法引導學生開展豐富的想象，從而進入微觀世界的分析。如電解質導電及強弱一節的教學，為了讓學生直觀感受，可以用電流表對不同電解質溶液進行導電檢測（電流表（A），選用量程：0—0.6A）并將測量結果直接連結到觸控一體機上，然后再讓學生從微觀上進行辨析，畫出微觀示意圖，即把溶液中微粒種類和數目關系采用畫圖的方式，用化學符號及不同的形狀，甚至不同的顏色來表示各種微粒，在表示不同微粒數目關系時象征性的畫出微粒數目，有利于學生從微觀角度理清水溶液中微粒的行為，進一步發展學生對于“微粒觀”不同維度的認識。

《化學反應原理》教材中鐵的吸氧腐蝕通過壓強變化來說明反應發生了，這個實驗現象不明顯，而利用DIS壓強傳感器，能夠迅速地測定試管中壓強的變化。在大試管內壁套一層濾紙，并用 0.1mol/L 的 NaCl 溶液潤濕，撒上 1g 鐵粉，再撒上 2g 炭粉（這樣配比反應快），然后用壓強傳感器得到數據圖，進而得出結論：在氯化鈉溶液存在下，鋼鐵發生了吸氧腐蝕，使大試管內壓強下降。也可用DIS 傳感器測定試管中 O2濃度變化或檢測電流產生來得出結論。

在壓強對化學平衡移動的影響教學中，將裝有 20mLNO2氣體的針筒在t1時迅速壓縮至 10mL 處并保持不動，先讓學生分析畫出的 p-t 圖。然后給出用DIS 傳感技術繪制的圖像：

引導學生與該圖進行對比和探究，最后以“小尖角蘊含大文章”的科學精神對學生進行鼓勵。這樣學生對壓縮二氧化氮后氣體的顏色變化描述再不會出錯誤了。

DIS傳感技術在化學實驗中的應用具有廣闊前景，測電導率、測酸堿中和時pH的變化，在實驗現象不明顯時，借助技術將實驗結果呈現出來，對學生分析和理解起到事半功倍的作用。

當下，虛擬現實、人工智能和機器學習無疑是最為火熱的主題得到社會各界的認可，并引起教育界高度重視。以VR/AR為代表的“沉浸體驗式教育研究”已經成為未來教育和體驗式學習的新范式。為此我們讓學生用VR、AR技術感受霧霾，直觀感受環境污染給人們帶來的害處，進而分析形成原因，解決方案，形成項目學習，在學習中樹立科學精神和社會責任。

手持技術在化學實驗中也被越來越多的使用，在烴的化學性質學習中，甲烷和氯氣在光照下的取代非常重要，但這個實驗條件要求高，有一定危險性，我們用類比的方法，并考慮到苯和液溴反應的條件現象很明顯，在課堂教學中將其改為煤油和液溴的分小組實驗：課前將裝有煤油和液溴等化學用品微型實驗盒，分發給每個小組的學生，實驗時用針筒吸10mL液溴到盛有煤油的燒杯中，由于液溴密度大于煤油，所以沉入底部，很壯觀，用手機電筒做光源，放在燒杯底部照射，用高拍儀拍下反應的現象。學生合作進行實驗探究、觀察、記錄實驗現象，發展學生的實驗探究能力，然后進行交流討論、小組匯報、驗證產物，得出結論，書寫化學方程式，發展學生基于證據推理物質化學性質的能力，學生學習興趣激增，最后進一步進行拓展，介紹烷烴取代反應的應用，關注化學前沿。

由于微型化學實驗儀器具有小巧便攜、不易破碎、液體試劑在多用滴管中不易流出等優點為改革化學課堂教學提供了方便與可能。

利用3DMAX軟件對烷烴的自由取代基，烯烴的親電加成，鹵代烴的親核取代及消除，羰基的親核加成，羧酸衍生物的親核加成及消除等主要的有機化學反應機理均可進行動態模擬，能生動、直觀地表現有機反應中化學鍵的斷裂和生成，結構的變化以及中間體的生成等，可加深學生對學習內容的理解，具有很好的教學效果。