例析數字化實驗在初中化學課堂中的應用

周 潔

DIS數字化實驗（下稱“數字化實驗”）是以真實的實驗為基礎，通過各種傳感器將實驗數據采集以后，交由計算機分析處理，從而更加清晰明確地展示實驗現象、揭示實驗規律的實驗手段。數字化實驗實現了感官的延伸、表征的多元、數據的可靠、處理的科學以及觀念的更新，幫助中學化學教學搭上了信息時代的“高鐵”。隨著科學技術的發展，數字化實驗正在逐步普及。

我校幾位化學教師都進行了將數字化實驗運用于課堂教學的嘗試，并且收到了良好的效果，現例析如下：

案例一：在常州市的一次教研活動中，錢麗老師開設了公開課“再探氫氧化鈉和二氧化碳的反應”，課堂擬解決如何驗證氫氧化鈉和二氧化碳發生了化學反應。錢老師通過經典的傳統實驗——噴泉實驗、U型管實驗，一一對二氧化碳的消失進行了驗證。在課的最后，錢老師引入數字化實驗，用壓強傳感器連接抽濾瓶支口，將注射器中的氫氧化鈉注射入錐形瓶后，開始采集數據，同時電腦屏幕上出現了壓強隨時間變化的曲線圖（圖1）。

圖1

評析：氫氧化鈉溶液與二氧化碳的反應是初中化學教學的難點，因為二者之間的反應沒有明顯的現象，學生在學習這一反應時沒有感性認識，較難掌握知識點。傳統實驗用巧妙的設計，把二氧化碳減少所帶來的壓強變化以噴泉或者液面變化等直觀的現象表現出來，讓學生有了深刻的體會。而數字化實驗的登場，則把二氧化碳減少引起的壓強的變化數值，以圖像的形式直接呈現在學生面前，既驗證了實驗中現象的合理性，又科學地呈現了該體系中真實的壓強狀況，對學生來說更具說服力。此外，借助具體數據，還可以從定性到定量繼續深入挖掘該反應，拓展與高中銜接的知識，對學生核心素養的培養又添助力。此反應中，溫度和二氧化碳的含量也可以通過對應的傳感器來實現數據的采集。在原有基礎上，錢老師等人繼續進行課外研究，改進裝置，實現了壓強、溫度、二氧化碳含量三個數據圖像的同時繪制，為教師的教學研究提供了新的角度。

案例二：陳玲老師開設的區級公開課“專題復習：圖像題”，重點復習了數字化實驗繪制出的一類圖像題。陳老師在課上用數字化實驗進行了“暖寶寶”的研究，利用濕度傳感器、溫度傳感器和氧氣傳感器進行了數據采集和圖像繪制，幫助學生加深了對鐵生銹現象的理解。

評析：“暖寶寶”發熱的原理利用了鐵生銹這一緩慢氧化過程。借助數字化實驗，學生對書本上的鐵生銹實驗有了新的認識。鐵生銹消耗空氣中的氧氣和水，因此，用壓強傳感器可以得到一條由于氧氣減少而壓強變小的曲線（圖2-a）。另外，氧氣傳感器的使用，直觀地表現出裝置內氧氣含量的變化情況（圖2-b）。這一實驗現象也彌補了教學中的一個盲點。壓強的減小是由于裝置內氣壓的減小，說明鐵生銹需要消耗空氣中的某種氣體，但怎么確定這種氣體就是氧氣呢？以往的教學中，教師可以從元素守恒的角度出發，讓學生進行分析，而借助數字化實驗后，學生真正“看到了”消耗的氣體確實是氧氣。在濕度傳感器的幫助下，得出了一條截然相反的曲線（圖2-c），更是出乎學生的預料。在教師的引導下，學生進行資料查閱，發散思維，創造性地解答了這一實驗中的“異常”現象——吸水性樹脂補充了水分，保證了鐵生銹的持續發生。

圖2-a

圖2-b

圖2-c

案例三：在市級評優課“廚房中的化學”上，筆者帶領學生進行了對能源、材料和酸堿鹽相關知識的復習。筆者利用數字化實驗，借助溫度傳感器和pH傳感器完成了對醋酸與氫氧化鈉反應這一陌生情境化學反應的探究。

評析：醋酸作為一種有機酸，有著和書本第七章所學的無機酸類似的性質。筆者試圖借助這一陌生物質，實現學生對酸的性質的知識遷移，其中，酸與堿的中和反應又是重點。筆者先讓學生進行化學方程式的遷移，強化符號表征；然后提問學生該反應的微觀實質，滲透微觀表征；接下來提問該反應現象，引導學生注意其宏觀表征。然而，醋酸與氫氧化鈉的反應也是一個無明顯現象的化學反應，于是筆者設計了數字化實驗，引導學生關注圖像表征。實驗將分液漏斗中的醋酸加入燒杯中的氫氧化鈉溶液中，將傳感器置于盛有氫氧化鈉溶液的燒杯中，采集數據，繪制圖像（圖3）。從圖中，學生能清楚地看到中和反應所帶來的溫度變化和pH值變化，從而歸納出驗證無明顯現象反應發生的視角——生成物產生的視角、反應物減少的視角、能量變化的視角，實現了知識的深化和思維的提升。

圖3

數字化實驗融入化學教學，為教學方法的轉變注入了新的活力。當然，數字化實驗只是傳統實驗的補充、拓展和延伸，絕不能替代傳統實驗，但兩者的互相補充，必將讓化學實驗的教育功能實現更大化。因此，我們有理由相信，數字化實驗的普及有著廣闊的空間，這要求我們化學教師要不斷更新自己的觀念，掌握數字化實驗技能，以迎接更多的挑戰。