初中化學數字化實驗教學策略探討

摘? ?要：采用傳感器技術的數字化實驗作為一種新型的實驗方法，是常規實驗手段的重要補充和拓展。在初中化學教學中引入數字化實驗，有助于化學基本概念和原理的教學，能夠培養學生的實驗探究能力和團隊合作能力。初中化學數字化實驗，豐富了研究性學習和綜合實踐活動的實驗手段。如何有效地進行初中化學數字化實驗教學是化學教學與現代教育技術融合的有益探索。

關鍵詞：數字化實驗;初中化學;教學策略

作者簡介：楊銀分，湖北省武漢市光谷實驗中學教師，中學高級教師，武漢市學科帶頭人。（湖北? 武漢? 430223）

中圖分類號：G633.8? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1671-0568（2019）25-0106-02

數字化實驗，又稱手持技術，是指在掌上就可以操作的技術，是一種常用的傳感器技術。數字化實驗儀器由數據采集器、傳感器、配套的軟件和計算機組成。數據采集器由常規儀器組合而成。傳感器和配套的軟件可以定量地采集各種數據。將數據采集器、傳感器與計算機等電子設備連接，能準確記錄相關數據并保存下來。

數字化實驗系統采用了不同的傳感器，可以采集包括電流、電壓、光強度、溫度、氣壓、pH、溶解氧、二氧化碳濃度、離子濃度、相對濕度等數據。數字化實驗儀器便于攜帶，適合幫助學生開展研究性學習。數字化實驗可以用數據記錄和呈現某些不易觀察的現象，可用于對某些常規化學實驗進行改進和創新。數字化實驗采用定量方法研究物質的變化及變化規律，比傳統實驗方法更先進、便捷、實時、準確、綜合、直觀。目前很多學校都在嘗試將數字化實驗技術引入化學教學。大多數高校已經建立完備的手持技術實驗室，部分中小學也先后配備了數字化實驗儀器。

研究表明，采用手持技術的實驗教學可以進一步激發學生的學習興趣和探究熱情，加深學生對某些化學概念的理解，提高學生對圖像的認知能力，增強學生的團隊合作意識，為中學化學實驗教學提供一種良好的、可供選擇的教育手段。數字化實驗可以豐富研究性學習和綜合實踐活動，如何有效進行初中化學數字化實驗教學是化學教學與現代教育技術融合的有益探索。

一、選擇時機，統籌安排，優勢互補

初中化學教學應合理統籌安排傳統實驗與數字化實驗，把握數字化實驗教學時機，實現優勢互補。初中化學傳統實驗和數字化實驗各有優勢，數字化實驗完全取代化學傳統實驗并不可取。教學中，教師應根據實際教學實驗內容將兩者有機結合起來，以傳統化學實驗為主，以數字化實驗為輔。

初中化學傳統實驗主要是定性實驗，著眼于培養學生規范使用儀器，熟悉實驗基本操作，引導學生關注物質性質、物質變化、物質變化過程以及對結果的解釋和討論。初中化學數字化實驗都是定量實驗，通過電子設備采集、記錄數據，并用表格或圖像的方式呈現出來，著眼于培養學生對數據的分析和處理能力。在初中化學教學中引入數字化實驗，可以培養學生獲取信息、讀表識圖能力，為學生化學核心素養的培養打下堅實的基礎。

初中化學教學引進數字化實驗最好安排在學完第二單元之后。初中化學是一個啟蒙學科，學習需要有一個建模的過程，學生只有在初步熟悉常用儀器的規范使用、化學實驗基本操作以及接觸一些化學反應后，才能初步理解數字化實驗的原理，規范完成數字化實驗。教學中，教師要處理好傳統化學實驗和師生互動教學的關系。傳統化學實驗要與傳統的教學方法相配套，即以教師講述、演示實驗為主，以學生分組實驗為輔。而中學化學數字化實驗的課堂教學則是以學生為主體，教師為主導，突出表現為師生、生生互動。數字化實驗作為一項先進的技術引入課堂教學并廣泛應用，是一個長期的過程，不能操之過急。探究性實驗作為對傳統實驗的有效補充和引領，需要引入數字化實驗，并更新方法。中學化學數字化實驗不能完全代替傳統化學實驗，它與傳統化學實驗優勢互補、相得益彰。

二、分階段實施，加強實驗互動探究，培養綜合素質

初中化學數字化實驗教學不能操之過急，實施過程大體可分為三個階段：

1.“教師拉著學生走”教師強化示范為主，學生領悟模仿為輔。這一階段主要是教師演示、學生觀摩然后模仿教師完成實驗。學完第二單元后，學生已經具備基本的實驗操作能力，教師可以補充性地進行某些數字化實驗，彌補常規實驗中的不足。教師可以選取教材中合適的實驗素材加以改編，然后給學生演示，學生模仿教師的操作設計并進行實驗。

【案例1】用壓強傳感器探究空氣中氧氣的體積含量

圖1所示裝置可用于測定空氣中氧氣的含量，其中與集氣瓶相連的壓強傳感器等電子設備能將集氣瓶內氣體壓強精確地記錄并保存下來。圖2是用該裝置測量紅磷在集氣瓶中燃燒的壓強—時間關系圖（該裝置氣密性良好，p0是集氣瓶內初始氣壓，p是反應結束后恢復到室溫時集氣瓶內的氣壓）。

學完第二單元后，教師可以運用數字化實驗儀器測量紅磷燃燒過程中集氣瓶內氣壓的變化，分析空氣中氧氣含量。然后學生模仿教師的操作，測量木炭燃燒過程中集氣瓶內氣壓的變化，得到如圖3曲線。通過分析曲線，學生可以進一步理解測定空氣中氧氣含量應該用紅磷或白磷，而不能用木炭，這是因為木炭燃燒后會生成新的氣體。

學生通過模仿數字化實驗，練習傳統實驗的基本實驗操作，熟悉傳感器的使用，可以進一步明確用燃燒法測定空氣中氧氣的體積分數的原理和要求，學會對圖標數據進行分析。在這個過程中，學生可以獲得成就感，進而增強學習化學的興趣和動力。

2.“教師引著學生走”學生設計和實驗為主，教師引導和幫助為輔。本階段教師可以根據學生關注點，選擇合適的問題，引導學生通過查閱資料和小組討論，設計實驗方案。然后教師進行指導，優化實驗方案，小組學生按照優化的實驗方案進行實驗。在這個過程中，學生可能會經歷困惑失敗，教師要適時給予指導和糾正，引導學生分析實驗數據，最終得出實驗結論。同時，教師可以讓學生對實驗過程進行評價和反思，進一步優化實驗方案，集結實驗探究案例。

【案例2】用相對濕度傳感器驗證氫氧化鈉的吸水性

問題的提出：氫氧化鈉在空氣中，表面潮解變濕，是因為氫氧化鈉吸收了空氣中的水蒸氣。怎樣用數字化實驗驗證氫氧化鈉的吸水性呢？

教師指導學生在集氣瓶中加入氫氧化鈉固體，然后測量相對濕度來驗證氫氧化鈉的吸水性，引導學生完成如下實驗。

實驗步驟：連接裝置，檢查裝置氣密性后加入氫氧化鈉固體，連接相對濕度傳感器;觀察數據，記錄數據（如圖4）。

實驗結論：通過分析實驗數據可知，密閉裝置中相對濕度減少，說明裝置內的水蒸氣不斷被吸收;最后相對濕度為零，此時裝置內為干燥的空氣，從而得出結論：氫氧化鈉固體具有吸水性。

學生在教師的引導下進行自主探究，親身體驗實驗過程，這不僅鍛煉了學生的探究性思維，而且培養了學生實事求是和認真反思的科學態度和精神，提高了學生的創新意識和實踐探究能力。

3.“學生摸著石頭走” 學生獨立設計和實驗為主，教師鼓勵和評價為輔。本階段教師根據教材和課標提供不同的實驗主題，小組同學根據自己的興趣選擇相應的主題，然后進行小組討論設計實驗方案。小組根據自己的實驗方案進行實驗，如果失敗，則進一步優化或改進實驗方案，重新進行實驗。接下來學生根據教師和其他小組同學的評價進行反思和總結。最后，小組學生提出具有探究價值的實驗課題，進行新一輪的實驗探究。

【案例3】教師可以設置以下問題：如何運用離子濃度傳感器（或溫度傳感器、PH傳感器）驗證中和反應的發生？如何讓運用二氧化碳、氧氣傳感器、相對濕度傳感器比較人體吸入的空氣和呼出氣體的成分？如何設計實驗驗證濃硫酸的吸水性？如何設計實驗探究硝酸銨、氫氧化鈉、氯化鈉溶于水時的溫度變化？

這個階段學生會遇到困難、挫折，甚至會因得出錯誤的結論而氣餒灰心，教師要適時地進行鼓勵和評價。只有經歷了這個階段，學生才具有獨立探究的能力，才能獨自面對學習、生活中的困難與挫折。學生在這個過程中會獲得極大的科學成就感、體驗感和滿足感，有利于激發學生的創新動力。

在初中化學教學中引入數字化實驗，能有效幫助學生理解化學基本概念和原理。在初中化學教學中，教師合理運用數字化實驗和傳統化學實驗，并親身示范，合理引導學生，不僅能豐富研究性學習和綜合實踐活動的實驗手段，還能最大限度地培養學生的實驗探究能力和團隊合作能力。

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