淺談數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

孫毅男

摘要：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬褜?shí)驗(yàn)結(jié)果以數(shù)據(jù)形式顯示出來(lái)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更直觀、精確。本文介紹了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的界定及其構(gòu)成、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用舉例，分析了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的意義，以期更好地提升學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：中學(xué)化學(xué)? 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)? 大數(shù)據(jù)

當(dāng)今時(shí)代是一個(gè)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)加速發(fā)展的時(shí)代，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滲透到生活方方面面的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)。從海量數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的數(shù)據(jù)并有效利用，使其作為人們分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的重要依據(jù)。大數(shù)據(jù)正在改變著我們的生活，教育領(lǐng)域也同樣離不開大數(shù)據(jù)。化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，當(dāng)大數(shù)據(jù)的信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)相融合時(shí)，傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)生了新的變革，這其中脫穎而出的便是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的界定及其構(gòu)成

數(shù)字化（Digital Information System）實(shí)驗(yàn)，也稱傳感器實(shí)驗(yàn)、DIS實(shí)驗(yàn)、手持技術(shù)等，其主要構(gòu)成為傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)及處理軟件等。物理量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)被采集器處理后傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)及軟件對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、記錄和圖像的呈現(xiàn)。

常見的傳感器有壓強(qiáng)傳感器、溫度傳感器、pH值傳感器、電導(dǎo)率傳感器、離子傳感器、二氧化碳等氣體傳感器、滴數(shù)傳感器等。傳感器能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地測(cè)量壓強(qiáng)、溫度等物理量，且同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中可多個(gè)傳感器聯(lián)用。尤其在復(fù)雜實(shí)驗(yàn)中，可同時(shí)得到幾組數(shù)據(jù)，有效提高了實(shí)驗(yàn)效率。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)操作手段簡(jiǎn)單，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程并采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件處理將采集的大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖表等可視化的形式。其先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可對(duì)數(shù)據(jù)和圖表進(jìn)行深層次分析，有助于深入探索和挖掘?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象背后的本質(zhì)。

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用舉例

在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)占有極為重要的地位。化學(xué)實(shí)驗(yàn)有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助其理解化學(xué)知識(shí)，啟發(fā)科學(xué)思維，鍛煉自主學(xué)習(xí)和動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)。新課程標(biāo)準(zhǔn)中明確提出，教材中應(yīng)適當(dāng)增加微型實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)等探究活動(dòng)，鼓勵(lì)教師將大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)引入到化學(xué)教學(xué)中，推動(dòng)現(xiàn)代信息技術(shù)與中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度融合。

借助傳感器能夠多個(gè)聯(lián)用的特點(diǎn)，在許多實(shí)驗(yàn)中，可同時(shí)使用幾種類型的傳感器來(lái)獲得幾組數(shù)據(jù)。接下來(lái)將從“同一實(shí)驗(yàn)，多個(gè)傳感器”“一個(gè)傳感器，多個(gè)實(shí)驗(yàn)”兩個(gè)維度闡述數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

（一）同一實(shí)驗(yàn)，多個(gè)傳感器

1.空氣中氧氣含量的測(cè)定——紅磷燃燒實(shí)驗(yàn)

九年級(jí)化學(xué)“空氣中氧氣含量測(cè)定”在進(jìn)行紅磷燃燒的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，常常不能準(zhǔn)確收集到五分之一集氣瓶的水，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果不夠精確，氣體壓強(qiáng)變化的反應(yīng)原理也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。

李凱等利用壓強(qiáng)傳感器測(cè)得紅磷燃燒前后集氣瓶?jī)?nèi)的壓強(qiáng)變化情況，進(jìn)而計(jì)算出空氣中氧氣的含量。當(dāng)氧氣含量降到一定值時(shí)，燃燒的紅磷會(huì)熄滅，因此可聯(lián)用氧氣傳感器測(cè)定集氣瓶中的氧氣剩余量。手持技術(shù)的引入，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率和精確度，得到的數(shù)據(jù)曲線讓實(shí)驗(yàn)過(guò)程變得可視化，幫助學(xué)生更好地理解反應(yīng)原理。

2.酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)

高中化學(xué)中的酸堿中和滴定終點(diǎn)的判定，一般只介紹指示劑滴定的方法。利用觀察指示劑變色的方法來(lái)判定滴定終點(diǎn)，不僅誤差較大，而且無(wú)法觀察反應(yīng)過(guò)程中pH值的變化，學(xué)生對(duì)滴定終點(diǎn)的認(rèn)識(shí)可能僅停留在表面。

由于化學(xué)反應(yīng)不僅在物質(zhì)上發(fā)生變化，能量上亦發(fā)生改變，因此除了采用pH值傳感器確定滴定終點(diǎn)的方法外，還可利用其他傳感器。李新義等借助溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器、滴數(shù)傳感器來(lái)確定滴定終點(diǎn)。一方面，由溫度變化曲線上最高溫度所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)液的體積，能夠找到滴定終點(diǎn)。另一方面，反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生了離子種類的變化，溶液的電導(dǎo)率也發(fā)生變化，故采用電導(dǎo)滴定法找到曲線上電導(dǎo)率的最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)液的體積，也是確定滴定終點(diǎn)的一種方法。

3.影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素——過(guò)氧化氫分解實(shí)驗(yàn)

過(guò)氧化氫分解實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)階段重要的實(shí)驗(yàn)之一。在初中學(xué)段，作為常見的制取氧氣的方法之一，該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能為認(rèn)識(shí)催化劑及分解反應(yīng)的特點(diǎn)，高中學(xué)段則利用該實(shí)驗(yàn)探究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素及開展一些探究實(shí)驗(yàn)。

龐玉璽等將溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器分別插入到三頸燒瓶的瓶口，裝有過(guò)氧化氫的恒壓漏斗放置在另一瓶口。在同一水浴溫度下，逐滴滴入不同濃度的過(guò)氧化氫。以傳感器測(cè)定反應(yīng)過(guò)程中溫度、壓強(qiáng)的變化，來(lái)說(shuō)明濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。

（二）一種傳感器，多個(gè)實(shí)驗(yàn)

1.溫度傳感器

比如探究火焰的溫度、晶體的熔點(diǎn)等實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)未能精確獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用高溫傳感器就可以直接解決這一問(wèn)題。此外，像金屬的氧化反應(yīng)、酸堿中和反應(yīng)等常見放熱反應(yīng)，傳統(tǒng)教學(xué)中常常通過(guò)讓學(xué)生觸摸或溫度計(jì)測(cè)量的方式來(lái)了解反應(yīng)溫度變化，但這種方式往往無(wú)法照顧到全體學(xué)生，弱化了部分學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。將手持技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，用溫度傳感器測(cè)定反應(yīng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)溫度，再讓學(xué)生觸摸反應(yīng)容器。這種教學(xué)方法放大了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得到的溫度曲線使反應(yīng)溫度變化更加直觀形象，也便于對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量研究。

2.壓強(qiáng)傳感器

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中凡涉及以壓強(qiáng)變化來(lái)反映實(shí)驗(yàn)本質(zhì)的，一般都可以引入壓強(qiáng)傳感器。如上文提到的紅磷燃燒實(shí)驗(yàn)，以壓強(qiáng)傳感器測(cè)定集氣瓶反應(yīng)前后的壓強(qiáng)變化;過(guò)氧化氫分解反應(yīng)通過(guò)聯(lián)用壓強(qiáng)傳感器與溫度傳感器，說(shuō)明濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響;光照條件下CH4和Cl2的混合氣體倒扣在食鹽水中，采用壓強(qiáng)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)取代反應(yīng)的發(fā)生;通過(guò)對(duì)比壓強(qiáng)傳感器采集的數(shù)據(jù)曲線，比較Na2CO3和NaHCO3與鹽酸反應(yīng)的速率;等等。

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的意義

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)融合的新途徑，具有測(cè)量呈現(xiàn)實(shí)時(shí)化、實(shí)驗(yàn)手段數(shù)字化、現(xiàn)象規(guī)律可視化等特點(diǎn)。將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，有助于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)手段，改進(jìn)教學(xué)方法，提升教學(xué)效果。

對(duì)教師而言，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與化學(xué)教學(xué)的融合，使教學(xué)模式更加多樣化，也拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度與廣度。在大數(shù)據(jù)背景下，教師將新穎先進(jìn)的信息化元素應(yīng)用在教學(xué)中，在促進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)向智慧化教學(xué)轉(zhuǎn)變的同時(shí)，也能夠促進(jìn)教師的信息化素養(yǎng)和教科研能力的發(fā)展。

對(duì)學(xué)生而言，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軐⒛切┗瘜W(xué)反應(yīng)中細(xì)微的、不易觀察的變化通過(guò)對(duì)圖像及數(shù)據(jù)的曲線擬合、對(duì)比及分析處理，更加直觀地呈現(xiàn)，進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)做更深層次的挖掘，最終使原本難以理解的化學(xué)知識(shí)變得不再抽象，使定性實(shí)驗(yàn)向定量實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化。對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)圖像的分析和處理等環(huán)節(jié)，也增強(qiáng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的引入，不僅豐富了學(xué)生的課程體驗(yàn)，還有利于開發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維能力，培養(yǎng)他們的核心素養(yǎng)。

結(jié)語(yǔ)

大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，現(xiàn)代化的信息技術(shù)正逐漸融入教育教學(xué)中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為中學(xué)化學(xué)教學(xué)提供了一種新的模式，如何有效地利用數(shù)字化技術(shù)優(yōu)化課堂教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，最終達(dá)到育人目的，值得我們今后思考和探索。

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