數字實驗對初中化學教與學的影響

劉亮榮

摘要：傳統實驗在學生獲取直觀的感性知識、激發興趣、培養實驗技能方面有著不可替代的作用。但教師在傳統實驗教學實踐中經常遇到一些問題。數字化技術和虛擬實驗應用于初中化學課堂教學中，能把深奧的理科知識以直觀的數據和圖像的形式表達出來，變抽象為具體，化靜態為動態。它的使用能有效地縮短學習時間，提高教學質量和教學效率，實現最優化的教學目標。

關鍵詞：數字實驗?化學教學?實驗案例?教學影響

隨著科學技術的不斷發展和現代教育技術和多媒體的應用，大量CAI（計算機輔助教學）課件進入課堂，教育信息化成為教育改革的必由之路。作為學校教育重要組成部分的化學教育，必然要適應新形勢，教師需要研究如何將現代教育技術有機地整合到中學化學教學中，采取豐富多彩的教學方式，以發揮現代教育技術的巨大優越性。

基礎教育課程改革制定的全日制義務教育化學課程標準，從學生整體發展的角度出發提出了“面向全體學生、提高學生科學素養、倡導探究性學習”三個理念。如何在教學實踐中引導學生在主動參與中學習，在探究科學問題的過程中獲取知識，模仿科學家的思維方法，學會科學研究的各種技能，培養科學觀念和科學精神，是值得積極實踐和研究的。

一、傳統初中化學實驗的不足

化學是一門以實驗為基礎的學科，教師通過實驗（演示實驗、課外小實驗、學生探究實驗等）教學來幫助學生了解實驗現象，掌握實驗規律及事物發展變化過程。傳統實驗在培養學生獲取直觀的感性認識、激發興趣、培養實驗技能方面有不可替代的作用。但教師在教學實踐中經常遇到一些問題：一是不能讓每個學生都能準確地觀察到實驗現象;二是有些實驗現象往往稍縱即逝，可重復性差，學生不能抓住其特點和要點;三是實驗所觀察到的現象往往只是一些宏觀的、表面的現象，而實驗過程中的微觀變化無法看到，學生難以根據實驗現象掌握實驗原理和規律，“原理—實驗—（新的）原理”實踐過程難以有效開展。

二、現代實驗技術優勢明顯

現代實驗技術主要包括虛擬實驗和數字實驗兩類。數字實驗是以計算機為主的實驗手段，包括“數據采集系統”和“手持系統”等，這些研究主要側重于數字化技術在課堂教學和科學探究活動中的應用。虛擬實驗和數字實驗應用于初中化學課堂教學中，能把深奧的理科知識以直觀的數據和圖像的形式表達出來，變抽象為具體，化靜態為動態，逼真地模擬實驗過程中宏觀變化中的微觀變化，變微觀為宏觀，讓學生觀察、體驗、感受事物發展過程中的微觀變化。同時，現代實驗技術具有較好的重復性，能夠把實驗教學中難以描述、難以突破的難點、重點等生動形象地表現出來，激發學生的學習興趣，調動學生的學習積極性，強化學生對實驗知識的記憶和理解;可以有效地突破學生學習的時間和空間的限制，幫助學生理解科學概念，提高科學探究能力，還能讓學生體驗到現代前沿科技的魅力，激發學生科學探究的興趣。它的使用能有效地縮短學習時間，提高教學質量和教學效率，實現最優化的教學目標。

三、生動、完美的數字曲線，讓抽象化學實驗更加直觀

【案例】“燒不著的火柴頭”的探究。

【問題的提出】將剪斷的火柴頭置于酒精燈燈芯上，點燃酒精燈，發現燈芯上的火柴頭居然沒燒著！這是什么原因呢？

【猜想與假設】按照之前所學的物質燃燒的條件，物質燃燒必須同時具備三個條件：①可燃物;②溫度達到著火點;③氧氣。因此，可以提出以下兩種猜想：①燈芯與焰心交界處溫度低于火柴頭的著火點;②燈芯與焰心交界處氧氣濃度太低，不支持火柴頭的燃燒。那么火柴頭燒不著的原因究竟是什么呢？傳統化學實驗根本無法解決此問題，這時就要用到數字實驗。

【查閱資料】①火柴頭主要由氧化劑（KClO3）、易燃物（如硫等）和黏合劑等組成，火柴頭的著火點應該在250 ℃左右。②火柴頭在氧氣濃度低于10%的氣體中不能燃燒。

【實驗驗證1】為了驗證猜想①，利用高溫傳感器測定酒精燈燈芯和焰心交界處的溫度（如圖1所示），得到的數據如下：

【實驗驗證2】為了驗證猜想②，用注射器抽取酒精燈燈芯和焰心交界處的氣體（如圖2所示），并利用氧氣傳感器測量氧氣的體積分數（如圖3所示），得到的數據如下：

【結論2】燈芯與焰心交界處氧氣濃度太低，不足以支持火柴頭燃燒。

由此可見，傳統實驗無法得到明確結論的實驗探究，通過數字實驗測定出的準確數據，讓結果一目了然，這就是數字實驗不可替代的優勢。

四、數字實驗對教與學的影響

（一）數字實驗對“教”的影響

1.化學老師教學中的教研意識明顯增強

我校化學老師三年來利用各種傳感器和數據采集器進行數字實驗探索，積累了很多實驗案例，通過數字實驗的開展對傳統實驗存在的不足進行了剖析，讓學生更全面地理解化學實驗的實質。教研組內部定期進行現代實驗技術的學習與培訓，間周的教研活動都要開展現代實驗技術應用心得交流，組內教研氛圍明顯活躍，教師的教研意識明顯增強。

2.全面提升教師素質，促進教師專業化成長

數字實驗的實踐和探索有效提升了教師學習能力、課堂教學能力、反思能力和指導學生開展課外科學探究的能力等綜合素養，大家不僅學會了材料收集、電子文檔分類整理、材料整理編輯的方法，還結集編印了數字實驗的教學反思校本教材和論文等。

（二）數字實驗對“學”的影響

1.數字實驗的圖像顯示功能、過程回放功能促進了學生對實驗過程的深度理解

在實驗中，實時、動態、直觀的數據圖像向學生顯示了翔實的實驗進程，化隱為顯、由點到過程，“曲線宏觀微觀符號思維表征”輔助他們進行觀察、思考。數字實驗強大的存儲功能，可以長時間記錄實驗數據，回放功能給學生提供了回顧實驗過程、反思實驗現象的機會。在學生進行數字實驗的過程中，學生的認知活動從完成基本實驗操作開始，而隨著實驗圖像的生成，學生的思考逐漸由淺層次走向深層次。

2.數字實驗能夠提高學生的學習積極性

通過課堂觀察和對視頻、音頻文件的分析可以看出，在數字實驗活動中學生的思維非常活躍，參與積極性非常高。探究學習方式很大程度上依賴于學生對圖形數據的分析和處理，隨著實驗的進行，學生的圖形推理能力得到了很大的提高。當預測曲線與手持技術實時呈現的曲線不一致時，這會給學生帶來一定的認知沖突，當現有的概念無法解決這個認知沖突時，學生產生了對已有知識結構的不滿，并迫切需要構建新的知識結構。

3.數字實驗能夠推動學生多方面發展，化學科學素養提升與價值觀初步形成

現代實驗技術的應用，開闊了學生的視野，使學生分析問題、解決問題的能力得到了提高。在充滿科技性、探究性的教學活動中，學生學習興趣明顯提高，快速學會探究性學習的一般環節、過程和方法，在通過一個個問題的探究分析、歸納和總結來構建知識的過程中，學會了自己去學習、去觀察、去實驗、去創新。這為今后學生步入社會后解決具體問題的能力打下重要基礎，培養了科學探索精神。

五、對培養學生實驗認知能力的啟示

通過課堂觀察，對音頻、視頻文件進行分析，以及訪談等手段，我們了解到學生實驗認知的一些基本情況，加深了對實驗認知能力影響因素的認識，發現了學生實驗過程中存在的一些問題。這些研究結果對于改進理科實驗教學，提高初中理科實驗教學的質量有一定的幫助，同時在提升理科老師對初中化學實驗教學的認識方面也起到了一定的推動作用。

在傳統的實驗活動及教學中，教師一貫偏重對書本知識的直觀驗證而很少給學生提供實驗的機會，讓他們自己完成實驗;過分強調基本實驗操作的訓練，忽略了這些基本實驗操作在實際實驗中的應用;過分強調實驗過程的給定性和實驗結果的確定性，忽略了實驗過程的動態多樣性、結果的開放性以及實驗作為一種探究活動和研究方法的基本性質。

在傳統的實驗課上，學生沒有機會也沒有必要進行實驗設計，所做的實驗幾乎都是無障礙實驗，所以學生的實驗認知能力得不到開發。學生在實驗過程中發現問題、分析問題、提出新的實驗方案的能力得不到鍛煉和提高，更談不上提高實驗認知能力。

鑒于以上討論，研究者認為應該讓學生的實驗認知能力在真實的實驗活動過程中得到鍛煉和發展。這是提高學生實驗認知能力的最佳途徑之一。實踐證明，這也是深受學生喜歡和歡迎的。為了提高學生的實驗認知能力，應重視培養學生分析問題的能力、實驗設計的能力，同時也應該培養學生的科學精神和科學態度。認真思考和對待上述問題，積極進行改革和探索，從改變教與學的方式入手，真正改善中學化學實驗教學的現狀。

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