探析數字化實驗在高中化學教學中的應用

張艷華

摘要：隨著新課程改革的全面推進，信息技術與化學教學的整合研究成為當前教學研究的熱點之一。手持技術是一種高科技、現代化的方法，是數字化實驗改革和發展的有效手段。其設備簡單，具有便捷、實時檢測、準確、直觀顯示、綜合測定等突出的優點。能夠改變傳統化學實驗中定性實驗多、定量實驗少，驗證實驗多、探究實驗少，實驗過程復雜，步驟繁瑣，時空局限性大的缺點。如何充分發揮數字化手持技術實驗的技術優勢，將其作為培養學生在高中化學學習期間強有力的工具，是一個值得深思與探討的問題。

關鍵詞：數字化實驗;課堂教學

1緒論

新課程背景下，如何轉變教學觀念，如何改變教學模式，適應現代化教學的需求是高中化學課堂教學特別關注的熱點問題。在高中化學課堂中大多數學生已習慣于在教室中“聽”化學實驗，通過自己的大腦來想或背誦化學實驗，在題海里學習化學實驗。在高中化學課堂教學過程中，要重視實驗教學，更要重視實驗的課堂教學，新課程改革的目標與要求之一是教育信息化，教育信息化從本質上講是使教學方式、學習方式、教學模式、信息的獲取方式、教學內容體系、學校管理模式等發生根本的變化，以達到在信息化環境中的新平衡。數字化實驗即數字化信息系統實驗（簡稱DIS），又稱手持技術實驗，是由“傳感器+數據采集器+計算機（含配套使用的通用和專用軟件）”構成的能夠采集化學實驗數據，并以圖表的形式呈現出來的現代化的實驗技術手段。科學實驗與技術的發展和進步是密切相關的，數字化實驗作為一種現代化的新型教育手段，具有實時性、準確性、便攜性、直觀性和綜合性的特點，已成為當今科學實驗探究與課堂教學最有力的教學工具。

2數字化實驗教學融入課堂教學的優勢

2.1新課導入中的應用

為了有效地激發學生的實驗潛能，充分發揮實驗教學趣味性、新穎性和價值性等作用，目前教師主要是從新課導入環節入手，引入數字化手持技術實驗，讓學生感受到高科技儀器對學好化學的幫助，進一步點燃學生的學習熱情，在鞏固舊知識的同時掌握新知，確保化學實驗課程高效展開。例如：在“化學反應速率”學習中，學生對外界影響因素和反應速率的表示方法已經有了基本的認知和了解。但是，對“反應速率的測量”這一知識點卻難以掌握。為此，教師可通過數字化手持技術實驗進行新課導入。首先，教師在授課前通過小組實驗，利用抽濾瓶、數據采集器、手持遙控器、計算機聯機接收器、壓強傳感器等數字化技術，測量硫酸與鋅粒反應瞬時速率的實時變化，觀察反應時壓強曲線的變化;然后，將壓強變化曲線和走向趨勢進行定量分析，通過分段標記，將宏觀現象、主要微粒、趨勢特點和符號表征進行分析和概括;最后，引導學生利用原有圖像，制作成新的化學變化圖像，從中發現反應速率在15秒之后開始逐漸減小，并得出結論：硫酸在實驗中逐漸消耗，降低了H+的濃度，因此減慢了反應速率。

2.2探究性實驗中的應用

探究學習方式是課標提出的一個重要理念，目前教師在實驗教學中，主要的目的是為學生提供合作與探究的學習空間，促進彼此間的交流與探討，實現學習方式的有效轉變。如：在影響鹽類水解的因素探究中，教師可應用數字化手持技術實驗，借助色度傳感器與數據采集器等探測工具進行實時測量生成物的濃度，通過采取到的具體數據，對實驗變化過程進行分析，在確保實驗數據有效性、真實性和價值性的同時，培養探究思維、圖表分析能力和科學的探究能力。具體實驗操作方法：首先，準備色度傳感器、比色皿、數據采集器、恒溫水浴鍋、溫度計等，并配置0.5mol/L的FeCl3溶液，將其加入比色皿中，之后放入色度傳感器進行數據采集并記錄，同時設置20℃的初始溫度，并逐漸加熱至60℃，將不同溫度的FeCl3溶液放置到不同燒杯中，并滴入5滴鹽酸溶液。其次，通過數據采集器進行數據觀察，觀察發現：溶液吸光度不受時間的影響，但隨著鹽酸加入量的不斷增多，吸光度逐漸降低。最后，得出結論：加入鹽酸后，溶液中Fe（OH）3濃度降低了，說明水解平衡發生了逆向移動，證明了鹽酸對于FeCl3溶液水解具有抑制作用。

3數字化實驗教學融入課堂教學的策略分析

3.1強化傳統實驗與數字化實驗的有機融合

在數字化實驗過程中，學生可以借助信息技術的輔助完成數據的采集和計算工作，不再需要自己動手參與分析和運算，這種情況勢必會影響學生綜合能力的進一步發展和提升。基于此，在日常化學實驗教學中，教師應當理性看待數字化實驗的應用，不能完全用數字化實驗代替傳統實驗。相反地，為了進一步提升學生的化學綜合素質，充分發揮數字化實驗的應用優勢，教師應當將傳統實驗和數字化實驗進行有機融合，確保兩種實驗的教學優勢可以互補，切實提升化學實驗教學質量。例如，在酸堿中和滴定實驗教學中，教師可以指導學生將數字化實驗作為一種驗證實驗結果的措施，先由學生自主完成實驗過程，并根據自己的實驗數據進行相應的分析和計算，再通過數字化實驗對實驗和運算結果進行驗證。對于驗證的結果，如果存在誤差，教師可以進一步指導學生分析實驗數據存在誤差的原因，讓學生在實驗探究中明確自身學習中存在的問題。通過這樣的形式，不但可以提升學生實踐操作的能力及糾錯能力，還可以促進學生化學學科核心素養的發展。

3.2立足教學目標科學設計數字化實驗流程

化學實驗教學不同于單一課本知識的教學，其對學生的教育和影響作用是多元化的。在高中化學實驗教學中，既要求學生能夠通過實驗過程學會操作和深入理解化學知識，也需要學生在實驗學習的過程中逐步形成化學思維，培養自主探究學習能力。因此，在數字化實驗的應用過程中，教師要善于圍繞教學目標和學生實際發展需求靈活設計數字化實驗流程。一方面，教師要立足課本教學的實際需要，設計不同的數字化實驗過程。例如，在化學知識拓展教學的實驗中，教師可以將數字化實驗設計為展示性實驗，即通過簡單的實驗操作指引為學生提供更多的化學實驗專業技能呈現，豐富學生的學習視野。另一方面，在強調規范化實驗的教學中，由于需要學生深入了解實驗數據和反應現象，教師在設計實驗流程的過程中要突出真實的化學實驗操作流程和細節，強化學生在數字化實驗過程中對規范化操作的掌握程度，同時通過自主實踐探究掌握必備的實驗知識與技能。基于此，在數字化實驗教學實踐中，教師要根據不同的教學需要靈活設計數字化實驗教學的流程，使數字化教學的作用和價值最大化，為學生化學課程的學習創造良好的條件。

3.3借助數字化實驗引導學生自主探究

在以往的化學實驗教學中，教師大多是按照課本中既定的實驗流程，按部就班地再現實驗過程。由于學生對實驗結果都已提前知曉，在參與實驗的過程中缺乏探究學習動力，不能積極地參與到實驗學習過程中，化學實驗也難以發揮出應有的作用。基于此，教師可以借助數字化實驗為學生拓展相關的實驗內容，引導學生積極地參與探究學習的過程，提高學生自主分析和探究學習的能力。例如，對于碳酸鈉溶液中滴入鹽酸的反應，學生常常不能準確地理解CO32-與H+的反應情況，這時教師可以引導學生利用pH傳感器和CO2傳感器進行實驗設計并探究有關反應情況。通過教師的指導和點撥，學生從反應方程式、實驗數據等多個層面進行分析和探究，既能夠熟練地掌握CO32-與H+的反應情況，又可以鍛煉自身的自主探究能力。

4結語

信息技術與學科課程整合已經成為當前國際基礎教育改革的趨勢與潮流。數字化傳感技術作為一種新型的教學實驗工具，具有便攜性、實時性、準確性、綜合性、直觀性等特點，這些特點決定了它會對科學教育產生重大的影響和幫助。在化學教學過程中，數字化傳感技術不僅僅是一種單一的技術手段，而應該成為教學創新的支點。基于數字化傳感實驗的探究學習過程可以增加學生合作交流的機會，學生利用傳感實驗得到的定量數據，可以自我建構對化學理論的理解。在大數據時代，我們需要不斷地更新教育理念，依托新的教育技術來進行教育改革。

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本文系2021年鶴壁市教科研課題“數字化實驗在高中化學教學中的應用研究”之成果，課題批準號：2021-JKLX-107