初中數字化化學實驗設計、實踐與辨析

楊云

[摘 ? 要]探析數字化實驗在初中化學教學中的運用，實現從定性到定量、從表象到本質、從質疑到探究的實驗改進，并對數字化實驗教學與傳統實驗教學的融合問題進行反思，旨在讓化學實驗更具科學性和說服力，加快新課程改革的步伐。

[關鍵詞]初中化學;數字化實驗;設計;實踐;辨析

[中圖分類號] ? ?G633.8 ? ? ? ?[文獻標識碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號] ? ?1674-6058（2020）26-0064-02

大數據時代的今天，數據與自然資源、人力資源一樣已成為重要的戰略資源，在當前社會發展中發揮著重要的作用。對化學教師而言，已經不需要再去討論數字化是否要引入實驗教學，而是去探索如何更好地讓數字化為化學實驗教學服務。本文探索數字化化學實驗教學模式，嘗試將九年級教材中的一些實驗改為數字化實驗，并進行一些反思，旨在讓化學實驗更具科學性和說服力，為新課程改革貢獻綿薄之力。

一、更新設計，數字化下的教學模式

數字化化學實驗的一次教學升級，它不僅僅是儀器和操作方法的改變，更是本質上的變革，將新課程、新理念融入其中，建立一個傳統與創新并舉的課堂模式。鑒于這一點，筆者所在教研組對傳統實驗與數字化實驗進行了對比，通過集體討論和反復實踐，建立了如圖1所示的數字化實驗教學模式。

在傳統的教學模式中，化學實驗具有操作簡單、現象清楚的優點，但對于較為復雜的化學實驗，學生很難觀測到快速變化的過程，并進行及時的讀數和記錄。而數字化實驗教學，借用信息技術、傳感技術實現了自動化測量，且能夠高速度、高精度地進行數據采集，準確記錄每一個實驗細節，有利于學生對動態的實驗數據信息進行綜合、多維的分析和討論。數字化實驗教學模式并不是完全將傳統的化學實驗教學模式擯棄掉，而是傳統與創新相結合，在學生感性認知與理性認知之間搭建一座橋梁，為學生提供更多的數據支持，帶給學生的不僅僅是“驗證”更是“推理”，最大限度地挖掘與推進學生的潛能和思維。這樣的教學模式，開拓了師生視野，培養了學生的研究意識與創新精神，激發了學生更大的學習動力。

二、實驗嘗試，數字化下的課堂實踐

實效決定了改革的成敗。數字化實驗在初中化學教學中的運用是一項實戰性技術，要經得起課堂實踐的檢驗，就要進行系統的研究，在教學細節上出新、出彩。下面結合教學實踐，從三個方面進行討論研究。

1.定性到定量，有利于實驗定量處理

直觀、清晰的圖像能夠更好地反映實驗的本質，而圖像需要數據作為支撐。傳統實驗主要靠觀察實驗現象來推導結論，很難對實驗進行定量化處理。數字化實驗引入了數字傳感技術，可以采集到實驗過程中的所有數據，并由計算機將這些數據進行記錄并以表格和圖像的形式呈現出來，使學生能夠方便快捷地進行定量分析。

例如，在學習“空氣的成分”時，有這樣一道思考題：請你設計實驗驗證呼吸作用確實產生了二氧化碳氣體。結合課本知識，空氣中的二氧化碳約占0.03%;通過查閱相關資料，人體呼出的氣體中二氧化碳約占0.4%。結合這兩組數據，學生設計了一組對比實驗。

實驗方案：取兩支試管，分別倒入少量的澄清石灰水。用洗耳球在第一支試管中鼓入空氣，觀察實驗現象;在第二支試管中直接吹入呼出的氣體，觀察實現現象。如果第二支試管中的澄清石灰水變渾濁，則說明呼出的氣體中含有二氧化碳氣體較多。

這個實驗雖然解決了問題，但卻無法知道具體的數據。而引入數字化技術，就可以對此實驗進行提升和改進，幫助學生從定性分析過渡到定量分析。將數據采集器連接到電腦上，設置“以時間為基準”，將傳感器分別插入盛有空氣、呼出氣體的保鮮袋中，對空氣和呼出氣體中的二氧化碳進行測量，得出相關的曲線圖，并進行對比分析。兩條不同的曲線圖，讓學生清楚地看到了空氣與呼出氣體中二氧化碳含量的差異。這樣的教學方式，實現了傳統定性實驗的定量化改造。

2.表象到本質，有利于實驗原理研究

數據的說服力是最有效的，也是最能揭示化學本質的。在傳統的教學中，有些科學概念和原理單從表象進行解釋，學生很難對其進行想象和理解。數字化實驗融合了學生在實驗操作中的觀察體驗，借助DIS直觀演示和數據分析技術，將各個階段的化學變化數據進行了展示和分析，科學、客觀地再現了化學本質，將學生順利從表象感知推向本質學習，促進了學生對實驗原理的深層次研究。

例如，在學習“溶液導電性”的相關知識時，有這樣一個實驗探究：通過實驗來驗證鹽酸、硫酸、氫氧化鈉溶液、蒸餾水和乙醇的導電性強弱。

傳統實驗：取五個燒杯，分別倒入鹽酸、硫酸、氫氧化鈉溶液、蒸餾水和乙醇，其中鹽酸、硫酸、氫氧化鈉溶液的體積、濃度相等。分別連接相同電壓的電源和相同規格的燈泡，觀察燈泡的明亮程度。

燈泡的明亮程度雖然在一定程度上說明了上述液體的導電性強弱，但有時微弱的區別會影響學生的觀察，甚至還會出現與理論相違背的實驗現象。而在此基礎上將其升級為數字化實驗，就可以借用低壓電源（安全）和靈敏電流表來實現數據的顯示和記錄收集。數字化改進，巧妙地將“燈泡明暗程度”的表象轉變成了“真真切切的數據”本質，避免了學生通過主觀現象來理解知識的經驗主義傾向，使學生從感性的經驗主義泥沼中跳了出來，更進一步地推進了學生對知識的理解辨析，使化學本質的探究更為客觀、科學，具有說服力。

3.質疑到探究，有利于實驗問題解決

“疑是思之始，思是行之端。”質疑能力的培養需要有一個釋疑、解疑的探究過程，這一過程的建立才是課堂落實的關鍵。然而在傳統化學實驗中，當出現實驗結果與實驗預期不同的狀況時，由于實驗條件的限制而無法繼續深入探究，這無疑會打擊學生的積極性，不利于學生創新能力和實踐能力的培養。而數字化實驗就可以進行定量的、細致的操作分析，讓數據說話，讓事實說話，讓課堂質疑的“意外資源”有一個更好的探究平臺，把新課程理念和目標落到實處。

例如，在質量守恒定律的探究實驗中，要求對“白磷燃燒前后的總質量”進行測定。

傳統實驗：如圖2所示，連接好裝置。（1）在錐形瓶的底部鋪一層細沙，作用是;（2）燃燒前錐形瓶的總質量是;（3）白磷在燃燒過程中的現象是 ;（4）白磷燃燒過程中，托盤天平指針的偏轉情況： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ;（5）白磷燃燒? ? ? ? ?（“遵循”或“不遵循”）質量守恒定律，理由是? ? ? ? ? ? 。

實驗中應用的是托盤天平，靈敏度比較低，使得部分學生得出“白磷燃燒不遵循質量守恒定律”的結論。教師若對此進行口頭解釋，只會顯得蒼白無力，讓人難以信服。而數字化實驗就可以對此進行改進，將托盤天平換成電子天平，利用先進的科學技術使質量測量更為精確，同時也有效避免了人為讀數造成的影響。通過這樣的改進，讓質疑擁有了生長的土壤，實現了對化學知識的精細化學習，推進了學生追求卓越的精神。

三、反思歸納，數字化下的問題辨析

1.數字化實驗應用被傳統實驗教學拒絕的問題

數字化實驗教學的出現，勢必會對傳統實驗教學造成一定的沖擊。在數字化實驗教學的發展中，中考實驗還停留在傳統的實驗框架中，較大的實驗設備投入、傳統的實驗習慣和自我學習的惰性，都是教師排斥和拒絕數字化實驗教學的理由。其實，這是對數字化實驗教學認識不夠的體現，缺乏一定的前瞻性。在聯合國教科文組織提出的“學會求知、學會做事、學會合作、學會生存”的四大教育支柱之下，數字化實驗教學已經不可拒絕。

2.數字化實驗教學全盤替代傳統實驗教學的問題

改革并不是一種顛覆，而是一種創新性繼承。數字化實驗教學實質上是對傳統實驗的一種改良、優化與完善，數字化實驗是學習化學、理解化學的工具，為學生提供一個圖文并茂、人機交互、即時反饋的學習環境，旨在為師生、課堂提供更為廣闊的平臺，解放師生的思維，特別是要讓學生的思想得到實踐與深化。如果用數字化實驗教學全盤替代傳統實驗教學，勢必會讓教師成為演示員，學生成為觀察員，缺少了師生、生生之間的情感交流與互動合作，圖像、數據就會是過眼云煙，失去了思維應有的生命力。故數字化實驗教學要與傳統實驗教學并存，相互取長補短、相得益彰。

3.數字化實驗教學與傳統實驗教學的融合問題

融合不是簡單的加法，更不是簡單的混合展示。傳統實驗教學大多是對化學概念、原理做一個定性的分析，更側重于實驗儀器的使用、操作的規范、現象的觀察;數字化實驗教學主要對實驗數據進行分析，依據數據的變化趨勢推導實驗結論，側重于對實驗過程的探究和學生思維能力的培養。兩者之間并非是矛盾和排他的，而是實驗演進和優化的不同階段。只要能夠根據學生的需求適時選用，相互融合，就能達到最理想的實驗教學狀態，真正實現教與學的和諧統一。

總之，數字化化學實驗是體現化學學科特點的必然要求，是信息技術與化學教學深度融合的重要途徑，是發展學生化學學科核心素養的需要。廣大化學教師應適應課程改革的需要，創造性地開發、設計和運用數字化實驗，積極參加各級各類化學數字化實驗成果交流，通過教育資源的有效共享促進自身專業成長。

（責任編輯 羅 ? 艷）