中學化學數字化實驗的發展與應用

裴傳友 馬善恒 楊芹

摘要： 通過查閱國內有關中學化學數字化實驗的文獻，從文件的出臺、教材的編寫、硬件的建設、專著的出版、活動的舉行和論文的發表等方面，介紹數字化實驗在中學化學教學中的應用與發展，論述數字化實驗在傳統實驗的改進、創新實驗的設計、疑難問題的辨析、課堂教學的融合、教學模式的探索和對學生認知的影響等方面取得的成果。

關鍵詞： 數字化實驗; 中學化學; 發展歷程; 應用

文章編號： 1005-6629（2020）02-0056-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

我國的數字化實驗起步晚于西方發達國家，但發展很快。近年來，數字化實驗在中學化學教學中的應用研究已經取得了較多的成就。從傳統實驗的改進和創新設計逐漸向基于數字化實驗的教學模式研究過渡，并在數字化實驗對教學效果和學生認知的影響方面取得了較多的理論成果。現就數字化實驗在中學化學教學中的發展歷程和應用研究進行論述，以供同行參考。

1? 數字化實驗在中學化學教學中的發展歷程

1.1? 文件的出臺

2003年教育部公布的《普通高中物理課程標準（實驗）》首次提出“了解常見傳感器及其應用，體會傳感器的應用給人們帶來的方便”的要求[1]。2004年公布的《上海市中學化學課程標準（試行稿）》要求中學化學教學“推行在化學實驗中使用圖形計算器或掌上電腦（掌上實驗室）和傳感器技術，并應用于中學化學課堂教學，特別是應用于研究性學習之中”[2]。2018年1月，《普通高中化學課程標準（2017年版）》正式頒布。該標準指出要在實驗教學中積極探索現代信息技術與中學化學教學的深度融合，在中學化學教材中引入數字化實驗[3]。

1.2? 教材的編寫

2005年，人民教育出版社出版的選修6《實驗化學》[4]中，編入了“利用數字化實驗研究酸堿中和滴定過程中溶液pH的變化曲線”的內容。山東科學技術出版社出版的選修6《實驗化學》[5]中，編入了“利用pH傳感器測定食醋的總酸度”“利用色度計測定食物中鐵元素含量”的數字化實驗內容。

1.3? 硬件的建設

2004年1月，首個中學化學數字化實驗室在天津市第一中學建成[6]，系該校與教育部教學儀器研究所共同研究建立的。2007年，學生化學數字化實驗室在南京市金陵中學建立，能在其中開展“中和滴定”等數字化實驗。2011年，西部地區也建立了數字化實驗室，如內蒙古包頭市固陽縣第一中學等。2016年，安徽省合肥市和馬鞍山市普通高中均配備了數字化實驗室。

1.4? 專著的出版

最早有關數字化實驗的兩本專著均為華南師范大學錢揚義教授所著，分別為2003年高等教育出版社出版的《手持技術在理科實驗中的應用研究》[7]與2006年科學出版社出版的《手持技術在研究性學習中的應用及其心理學基礎》[8]。2007年，北京師范大學王磊教授出版了《傳感技術——化學實驗探究手冊》[9]，以化學課程標準和教材為依托，對傳感技術在中學化學實驗中的應用開展了系統的研究。

1.5? 活動的推動

中國教育學會化學教學專業委員會和南京師范大學組織了一個重要的活動，即“威尼爾”杯數字化實驗創新設計大賽（以下簡稱“V賽杯”），現已更名為“全國化學數字化實驗教學應用成果交流與培訓”，舉辦者試圖以該活動調動廣大中學化學教師參與數字化實驗研究與應用的積極性，使數字化實驗走進中學課堂，發揮數字化實驗在化學教學中的優勢作用。2011年第一屆“V賽杯”到2019年共舉行了八屆，從第一屆的5個省市的幾十件作品和幾十人參加到第八屆的28個省市的幾百件作品和近千人參加，說明數字化實驗已經在全國得到推廣，而且正在逐步進入中學化學課堂，應該說“V賽杯”在推動數字化實驗的應用與研究方面發揮了較大的作用。

1.6? 論文的發表

從期刊論文發表的角度看，2018年底，筆者分別以“數字實驗”“手持技術”“傳感器”等為關鍵詞，在中國知網、萬方數字期刊網和中國科技期刊數據庫（重慶維普）進行檢索，再對所得相關文獻進行篩選，共獲取與中學化學數字化實驗相關的期刊文獻487篇（見表1）。

根據文獻檢索，從不同年份發表的數量統計可以看出，有關中學化學數字化實驗的期刊文獻從2003年開始出現，整體呈現增長的趨勢，2012年以后進入快速發展期（見圖1）。數字化實驗的快速發展主要來自兩個方面： 一方面是數字化實驗儀器廠商加大了宣傳力度和加強了與各校的合作力度;另一方面由于地區經濟的發展，增加了對教育的經費投入，同時數字化實驗的實時性、直觀性、便捷性等優點，自然引起教育研究者和一線教師的關注和應用。

2? 數字化實驗在中學化學教學中的應用

2.1? 傳統實驗的改進

數字化實驗具有數字化感知、測量準確和實時性記錄等特點，人們可以對傳統實驗進行技術上的改進，目的是讓實驗現象更明顯、更直觀，或者操作更加簡便等。例如“酸堿中和滴定”實驗中測定酸（堿）未知濃度，傳統實驗通過選擇酸堿指示劑判斷終點，目測消耗標準液（待測液）的體積，存在操作繁瑣、數據過多、誤差過大等缺點。運用pH傳感器和光電門傳感器測定滴定終點和標準液（待測液）的體積（如圖2所示），能夠簡化操作，提高準確性，有利于學生分析數據，探求其中內在的規律。再如，用pH傳感器和溫度傳感器測定中和熱;用pH傳感器和電導率傳感器揭示離子反應的實質;用壓強傳感器研究不同催化劑對過氧化氫分解的催化效率;用電流傳感器研究單液原電池與雙液原電池的優缺點等。

圖2? 鹽酸標準液滴定未知濃度氫氧化鈉溶液的pH變化曲線

2.2? 創新實驗的設計

創新實驗的設計主要指利用數字化實驗進行實驗設計的研究。在教學中，常常有一些化學概念比較抽象，學生缺少感性認識，而傳統實驗又無法提供較好的驗證方案。學生在學習這些知識時，常常難以理解，逐漸產生迷思概念，出現學習的疑難點。而數字化實驗能夠從多個角度呈現化學反應的信息，幫助學生從不同的角度分析和理解，而且各個信息之間相互印證，成為突破教學疑難點的利器[10]。

例如，用傳統實驗方法難以驗證“沉淀溶解平衡”的存在，可以用電導率傳感器測定氯化銀固體加入蒸餾水中溶液導電性的增大證明難溶物也是溶于水的，并且通過電導率變化的數值可以看出難溶物溶解度很小，再用氯離子傳感器檢測向溶液中加入少量的硝酸銀固體后氯離子濃度變化，證明“沉淀溶解平衡”的存在（如圖3和圖4所示）[11]。再如，用濕度傳感器檢測濃硫酸的吸水性;用溫度傳感器和氧氣傳感器探究鐵粉型暖寶寶的發熱原理和最佳配比;用氧化還原傳感器探究84消毒液的漂白原理及其影響因素等。

圖3? 稀釋AgCl懸濁液數據圖

圖4? 改變AgCl懸濁液中Ag+濃度數據圖

2.3? 疑難問題的辨析

疑難問題辨析主要是利用數字化實驗研究化學學科問題，對某些已有的結論辨析真偽，或對某些以前沒法研究的問題用實驗論證。這類研究在我國占有相當高的比例，這是我國數字化實驗研究的特色之一。

例如，在溶液導電性的研究中，向鹽酸中加入少量的固體氫氧化鈉，很多中學教師的答案是溶液的導電性不變，理由是溶液的體積幾乎不變，溶液中的H+雖然減少了，但是多了Na+，離子濃度不變，因此溶液的導電性不變。但是利用電導率傳感器測量該實驗過程中溶液導電性時，發現鹽酸中加入固體氫氧化鈉，開始時溶液的導電性減小，并不是不變的，如圖5所示。通過查閱文獻分析可知，在鹽酸溶液中加入氫氧化鈉固體，離子濃度基本不變，但是離子種類發生了改變，不同離子的摩爾電導率是不同的（298K時，在無限稀釋的水溶液中，H+的摩爾電導率為349.82×10-4S·m2·mol-1，而Na+的摩爾電導率為50.11×10-4S·m2·mol-1）[12]，導致溶液的導電性發生變化。

圖5? 固體氫氧化鈉與鹽酸反應的電導率變化

2.4? 課堂教學的應用

隨著數字化實驗的應用和推廣，這種課堂教學案例也逐漸得到人們的接受和重視。例如，“基于手持技術的‘離子反應及其發生條件教學設計”[13]一文中作者利用鈣離子與硝酸根離子傳感器實時監測反應中兩種離子濃度的變化，通過直觀的數字呈現、圖像變化，學生對離子反應“向著溶液中某些離子濃度減小的方向進行”的實質有了更為清楚的理解。再如，應用pH傳感器和溫度傳感器測量濃度、酸度和溫度對鹽類水解的影響，將傳統的定性實驗轉化為定量、直觀、更加科學的實驗，更有利于學生理解。“手持技術

在‘醋酸的電離平衡教學中的應用”[14]一文則應用pH傳感器測量溶液的pH，“看見”H+的存在并直接通過計算機呈現溶液的物質的量濃度，證實醋酸在水溶液中是部分電離的。同時，用溫度傳感器測溶液溫度，引導學生關注外界因素對電離平衡反應的影響，培養學生的變化觀念和平衡思想。

2.5? 教學模式的研究

2007年，鄧峰、錢揚義等在應用數字化實驗的教學模式做了深入研究，提出了基于手持技術的“激趣（Stimulate）”“引導（Steer）”“猜想（Suppose）”“演示（Show）”“探究（Seek）”“總結（Summarize）”的“6S”化學實驗探究教學模式的構建與特點，并分析該教學模式在幫助學生正確理解化學概念和培養學生科學探究與創新意識方面的作用[15]。

2011年，彭豪發表了“基于POE策略的高中化學四重表征概念教學研究”的成果[16]。提出了基于數字化實驗的“四重表征”教學設計，闡述了數字化實驗在化學概念教學中的具體應用。

2015年，林建芬、盛曉婧、錢揚義等發表了“化學‘四重表征教學模式的理論建構與實踐研究”[17]一文，回顧了15年來數字化實驗研究中對“四重表征”分析方法的論述，剖析了化學“四重表征”教學模式的研究背景、研究問題、研究思路及方法，從“四重表征”教學模式的理論創新、研究內容和應用案例三個方面進行討論分析，并且就如何培養學生的“四重表征”意識和思維，提出加強“提高教師自身的意識和轉換水平”“分析學生迷思概念的成因”和“積極開發優秀實驗案例”3點建議。

除了上述列舉的不同教學模式以外，還有采用小組合作的形式，或采用開放式的探究模式，或采用問題情境引入的模式，或采用與傳統實驗教學方式的對比等教學模式。可以看出，研究都是基于探究式的教學模式，這樣的研究促進了數字化實驗在教學中的應用，充分發揮了數字化實驗在化學教學中的優勢。

2.6? 對學生認知的影響

對學生認知影響研究需要進行教學實踐，采用實證研究設計并展開調查研究，對學生進行測試，收集數據，從中發現運用數字化教學前后學生認知、學習興趣或學習能力等的變化。一般過程是： 選題、研究設計、實施并收集資料、分析資料、得出結論。這樣的研究有實證和數據，具有很強的說服力，因而具有重要的意義。但是從文獻數目來看，國內研究并不多，這是當前我國數字化研究中比較薄弱的一部分。出現這種現象的原因之一是數字化實驗目前在我國還處于演示實驗和課外實驗狀態，還沒有普及為全班學生參與的學生實驗，真正參與的學生還比較少，對大部分研究者而言，研究數字化實驗對學生的影響缺乏前提。另一個原因是我國教學研究相比西方國家缺乏重視實證研究的傳統[18]。

我國關于數字化實驗對學生認知影響的研究文獻雖然少，但仍然有高水平的文獻可供借鑒。例如，王祖浩等的“基于手持技術的高中生化學概念學習認知研究”[19]，以高中二年級學生為研究對象，以“酸堿中和滴定”為教學內容開展研究。研究結果表明，手持技術對于學生化學概念的學習有一定的影響，尤其是對女性學困生和學中生的影響較為明顯。

再如王晶、鄭長龍等進行的“手持技術促進學生化學變化和化學實驗觀念轉變的實證研究”[20]，關于數字化實驗對學生影響的實證研究也很有借鑒價值。

3? 結束語

隨著信息技術的發展，人類進入了信息時代。化學數字化實驗是基于信息技術，利用計算機分析處理傳感器采集的信息，以數值、曲線或圖表等形式展示實驗現象、揭示化學規律的實驗系統。數字化實驗利用儀器代替人體感官，客觀地記錄實驗數據并做精確分析，可以避免因感覺的差異引起實驗現象感知的偏差，可以感知一些人體無法感知或不便感知的實驗現象，達到化學反應過程的實證化、動態化、定量化，反映了科學發展從宏觀到微觀、靜態到動態、定性到定量的趨勢。因此，數字化實驗在發展學生“宏觀辨識與微觀探析”“科學探究和創新意識”“證據推理與模型認知”等化學核心素養方面具有獨特的作用。

中學化學教學中運用數字化實驗，為科學探究提供了技術支撐，不僅可以促進學生發展認知水平、學會實驗探究、解決化學問題等化學學科素養的形成，還能提高學生的“四重表征”能力，進而促進學生科學素養的提高，數字化實驗在中學化學教學的價值將逐漸被體現出來，引起更多化學教育工作者的重視。

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