試論數字化實驗技術在中學化學教學中的應用

張畫花 楊懷明

摘要：數字化實驗是指在傳統實驗的基礎上， 引入數字化實驗技術的實驗，它是信息技術與傳統實驗課程整合的重要載體。本文從理論上分析將數字實驗引入中學化學教學的可行性并輔以實際教學應用案例，利用手持技術通過測定溶液pH 的變化，探究鹽溶液濃度、溶液酸堿度的改變和溫度的高低等對鹽類水解程度大小的影響，以期對提高化學課堂教學的有效性起到促進作用。

關鍵詞：數字實驗? 手持技術? 中學化學? 教學應用

一、數字化實驗介紹

通俗地講，數字化實驗就是利用傳感器來完成的實驗。我們使用各種傳感器，如壓強傳感器、電導率傳感器、渾濁度傳感器等，將實驗中獲得的數據傳遞給數據采集器，并傳入電腦，并由電腦軟件實時分析數據并即時高效地呈現出分析結果。

二、數字化實驗技術在化學教學中的應用特點

數字化實驗實現了信息技術和中學化學實驗教學的深層次融合。從數字化實驗自身的優勢和化學學科的特點角度來說，數字化實驗的應用特點如下：

1.有利于從定量角度開展實驗

化學教學中有些實驗，如沉淀的轉化、弱電解質電離程度等，無論學生實驗還是教師演示實驗，都很難看到直觀的實驗現象，一些由實驗推導得到的結論也顯得較為蒼白。而利用數字化實驗，這些問題將迎刃而解。可利用渾濁度傳感器、pH傳感器等記錄信號，經數據采集器收集后，在電腦上直觀地呈現出來，學生通過對數據分析，自然而然地得出結論。原本只能定性開展的實驗變為定量實驗，學生從知識的被動接受者變為知識的主動探究者，改變了原有的學習方式。

2.有利于直觀地觀察瞬間變化

一些化學實驗進行得很迅速，重要的片段難以捕捉。如酸堿中和滴定中，pH變化的連續性，傳統實驗利用pH計測量滴定過程中的pH，取點連線畫成圖像。由于教學時間的限制，該實驗在課堂中很難完成。而數字實驗可以利用自身強大的數據處理功能，即時且高效地將數據反映成圖像來描述滴加過程中pH變化的規律，滴定過程中酸堿性在不斷變化，而每一次細微的變化都被記錄下來，pH變化曲線不再是由點連成的線，更能準確地表達滴定時pH的變化。

3.有利于學生理解抽象的原理知識

高中階段有些原理較為抽象，學生理解起來較為困難。例如2NO2N2O4這樣一個平衡體系，壓強影響平衡的移動，增大或減小壓強平衡體系如何變化，不少學生覺得很棘手。而利用數字化實驗，通過壓強傳感器測出壓強的變化，再由電腦軟件直觀地顯示，整個過程不需要過多的言語解釋，學生便可以清晰地看到實驗結果，從而將原本較難理解的原理快速地理解吸收，學生突破了學習的難點，教師突破了教學的重點。

4.有利于學生開展課內外探究

相對于一些比較復雜的傳統實驗，數字化實驗操作起來更加簡便、安全性也有保障。這為學生開展課外實驗提供了有力的保障，教師可以放手讓學生去探究。對一些在課堂內無法開展的實驗，引導學生提出相關假設，激發學生興趣，讓學生在興趣的驅動下進行拓展實驗，親自動手來驗證自己的假設和猜想。但教師需要為學生課外實驗提供技術和設備上的支持，如此讓數字實驗從課內走向課外，發揮更大的作用。

三、數字化實驗技術在化學教學中的應用實例

實驗名稱：探究影響鹽類水解的主要因素。

實驗目的：感受數字化實驗技術在化學實驗中的應用，學會利用手持技術探究影響鹽類水解的主要因素。

實驗儀器：數據采集器、pH 傳感器（包括pH電極）、溫度傳感器、磁力攪拌器、堿式滴定管、滴定管架、燒杯（150 mL）。

實驗藥品：CH3COONa溶液（0.001 mol/L、0.005 mol/L、0.025 mol/L、0.125 mol/L、0.625 mol/L、2.50 mol/L、 5.00 mol/L）、NaOH（0.0001 mol/L）、蒸餾水。

實驗裝置圖實驗步驟：

1.探究溶液濃度對水解效果的影響

（1）取約 80 mL 0.001 mol/L 醋酸鈉溶液倒入燒杯中，連接好pH傳感器及數據采集器， 如實驗裝置圖所示，開啟磁力攪拌器和數據采集器測定溶液pH，記錄實驗數據。

CH3COONa溶液濃度對其pH的影響 （2）重復操作上述步驟，分別測量濃度為0.005 mol/L、0.025 mol/L、0.125 mol/L、0.625 mol/L 醋酸鈉溶液的 pH。

2.探究溶液酸堿性對水解效果的影響

將0.5 mol/L的CH3COONa溶液1000 mL 倒入燒杯中，連接裝置，堿式滴定管中裝入0.0001 mol/L NaOH 溶液，開動磁力攪拌器和數據采集器測定溶液pH，記錄數據。

溶液酸堿度對CH3COONa溶液pH的影響3.探究溫度對水解效果的影響

1000 mL 0.250 mol/L的醋酸鈉溶液倒入燒杯中，連接裝置。將pH傳感器和感溫探頭插入溶液中，開動電磁攪拌器和數據采集器測定溶液 pH，記錄數據。

溫度對CH3COONa溶液pH的影響

四、數字化實驗技術在化學教學中的應用展望

從目前的研究來看，手持技術的應用范圍不夠廣，更多的研究資源有待開發。特別是在經濟較落后的地區，數字化實驗室建設還不完善，或者在使用上缺乏相應的培訓和技術支持。數字化實驗技術開創了實驗教學的新局面，在一線教學中如能找到更多的融合點，將會發揮更為強大的作用。

參考文獻：

[1]馬紅艷，白濤.手持技術在高中化學教學中的應用[J].教育科學論壇，2012（1）：20-22.

[2]李玉瑩，錢揚義.利用手持技術探究氫氧化鋁制備實驗電導率變化[J].化學教育，2012（9）：103-108.

[3]俸皇.淺談手持技術與化學實驗探究式教學的結合[J].基礎教育研究，2007（4）：37-38.