基于數字化實驗創設的研究性學習實踐

胡艷麗

摘要：數字化實驗利用傳感器和計算機，將實驗數據通過圖表和圖像進行展示增加實驗結果的可視性。利用數字化實驗研究鎂與稀鹽酸反應過程，可直觀反映溫度、濃度等因素在不同階段對化學反應速率的影響。通過讓學生提出問題、動手操作、發現問題、改進創新這一系列研究性學習過程，真正落實化學學科核心素養。

關鍵詞：數字化實驗；可視性；研究性學習；核心素養

文章編號：1008-0546（2023）09-0094-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2023.09.019

數字化實驗是一種新興的信息技術，也是一種現代化的教學實驗手段，具有直觀、綜合、實時、準確、便攜、定量的特點，將對化學教育產生非常大的幫助和影響。[1]新課標（2017版）中首次提出了要重視化學教材的信息化發展，提倡在教學中培養學生運用化學軟件處理信息的能力。[2]要充分體現數字化實驗的教育功能，教師需要將其“融”人到具體的學科知識教學中，重視學生的主體地位，重視學科課程的重要地位，尋找充分發揮數字化實驗教學功能的途徑和策略。數字化實驗是傳統實驗的補充與完善，是優化化學教學的需要。[3]

數字化實驗改變了學生對傳統實驗的認知，信息技術與實驗相互融合，加強了學生的思維鍛煉，提高了學生的實驗水平。[4]將傳統實驗用數字化實驗的方式向學生展示，結果會更直觀，更能反映問題的本質，學生也更容易接受。數字化實驗在一定程度上改變了學生的學習方式，變被動為主動，從而提高了學生的實驗操作能力和學科思維能力。[5]

一、問題提出

在人教版化學必修第二冊第六章第一節實驗6—1中，學生通過實驗知道鎂與稀鹽酸反應是放熱反應；在該章第二節學生學習了化學反應速率之后，知道化學反應速率不僅可以用快慢定性描述，還可以通過單位時間內反應物濃度的減少或者是生成物濃度的增加來定量描述；在該節教材的練習與應用中，更是通過數字化實驗對鎂與稀鹽酸反應進行更深入的定量分析。人教版化學必修第二冊第50頁第9題：

某課外實驗小組利用壓強傳感器、數據采集器和計算機等數字化實驗設備，探究鎂與不同濃度鹽酸的反應速率，兩組實驗所用藥品如表1所示。

實驗的結果如圖1所示。學生需回答以下兩個問題：（1）試說明該圖中曲線的含義。（2）結合實驗條件，分析兩條曲線的區別。

在以往很多題目中我們接觸過很多速率時間圖，學生知道可以從pH、溫度、濃度等角度來分析曲線變化的原因，但是學生沒有嘗試過利用數字化實驗自己親手將這些曲線繪制出來。數字化實驗與傳統實驗相比更直觀，更準確地描述了在不同階段化學反應速率的影響因素，在本節引入數字化實驗，不光讓學生體會到化學研究從定性分析到定量分析的深入，更能熟悉采用只改變某一個因素，控制其他因素不變的變量控制研究方法，熟練進行“數形轉換”。

因此，我們以此題為契機，在實驗室利用壓強傳感器、溫度傳感器、pH傳感器完成對應實驗，繪制壓強與時間、溫度與時間、pH與時間的曲線。通過比較單位時間內壓強的變化來比較反應速率，同時通過溫度與時間、pH與時間的變化曲線，讓學生分析影響化學反應的因素以及不同階段的主導因素，變學生的被動吸收為主動探索。學生在探究中除了完成該題中的操作，還將實驗內容進一步深化與改進，完成了一系列探究，最終得出結論。這種安排拓展了實驗的深度，既鍛煉了學生的動手操作能力，又通過定量化數據圖像分析，對學生進行思維訓練，實現深度學習。

二、實驗原理

鎂與稀鹽酸反應的化學方程式為：Mg+2HCl=MgC12+H2↑。之所以選擇這個反應體系，一是因為它們反應時有明顯的實驗現象，產生氣泡，反應放熱，溫度變化明顯；二是反應快慢適中，便于觀察和記錄；三是因為該實驗藥品是實驗室常用藥品，容易獲得，為學生接觸數字化實驗提供了可行性。

三、實驗用品

藥品：鎂條、鹽酸（ 1.0 moI.L-1， 0.5 moI.L-1）、蒸餾水。

儀器：量筒、膠頭滴管、試管、燒杯、壓強傳感器、溫度傳感器、pH傳感器、數據采集器、電腦。

四、實驗過程

該數字化實驗過程主要分為4步：

1．將壓強傳感器前端測量管在橡皮塞的圓孔中插緊并檢查裝置氣密性，將數據采集器與傳感器連接，并與電腦相連，如圖2所示。

2．用量筒量取2 mL 1.0 moI.L-1的稀鹽酸，倒人試管后固定好裝置，打開電腦軟件，取0.01 g鎂條置于試管中，并連接好壓強傳感器，塞緊橡膠塞，采集數據。待數據穩定后，停止采集。

3．用量筒量取2 mL l.0 moI.L-1的稀鹽酸，倒人試管固定好裝置，打開電腦軟件，取0.01 g 條置于試管中，并連接好溫度傳感器，采集數據。待數據穩定后，停止采集。

4．用量筒量取2 mL 1.0 moI.L-I的稀鹽酸，倒人試管后固定好裝置，打開電腦軟件，取0.01 g鎂條置于試管中，并連接好pH傳感器，采集數據。待數據穩定后，停止采集。

五、數據分析及結論

1．壓強與時間曲線

學生共分成六組完成實驗，壓強與時間圖像繪制出來以后，讓各組學生交流自己圖像。其中有三組與圖1基本相似，例如：從圖3（a）可以看出0-100 s內斜率比較大，100 s后壓強變化不大。有三組圖像曲線明顯不同，學生通過分析討論后找出各組實驗過程中可能出現的問題：圖3（b）沒有按照實驗所需的藥品用量來進行，圖3（c）可能是實驗過程中橡皮塞沒有塞緊，壓強增大后沖出導致氣密性不好，圖3（d）用了氫氣傳感器，并且實驗中塞塞子的速度太慢了。

學生通過這組實驗分析馬上意識到數字化實驗的嚴謹性，普通實驗室中簡單實驗在這里必需要操作規范，否則不能得出正確的圖像結果，任何一個操作細節都可以從圖像上反映出來，實驗時必須全身心投入，實事求是地做實驗。后面幾組實驗中學生不敢怠慢，準確率有了顯著提高。

2．溫度與時間曲線

溫度時間圖基本都能做出來，通過圖4可以看出溫度在0-80 s升高得最快，整體趨勢表現為先升高后降低，這是由于該反應是放熱反應，隨著反應的發生溫度明顯升高，升高的溫度對反應速率也產生了影響，使反應速率在升溫階段快速提高。

3．pH與時間曲線

從圖5可以看出0-10 s氫離子濃度大對應pH小，隨著反應的發生溶液中氫離子濃度不斷減少，對應圖像的pH不斷增大，其中10- 70 s內pH變化幅度最大。整體來看曲線變化幅度較小，pH變化不是太明顯。學生通過計算發現本次實驗消耗鹽酸約為0.00083 mol，鹽酸過量較多，可以調整鹽酸的濃度。例如：選擇2 mL 0.5 mol．L-1鹽酸進行實驗不但圖像效果更好，也節約了藥品。

4．結論

通過上述三組實驗分析，反應開始時氫離子濃度最大，但速率不是最快，主要是這時的溫度較低。在10- 70 s這個時間段壓強／時間曲線的斜率最大，反應速率最快，這時溫度較高，氫離子濃度較大。

通過以上實驗可以得出以下結論：對于同一個化學反應，在其他條件不變的情況下，反應物濃度越大反應速率越快；溫度越高，化學反應速率越快。同一化學反應過程中化學反應速率會受到多種因素影響，在不同時段占主導的因素不同，對化學反應速率的影響程度也不同。

六、實驗反思與收獲

1．課本內容驅動，激發學生探究熱情

筆者基于較活潑金屬與酸反應的特點及影響化學反應的因素這些學生已基本了解的化學知識設計數字化實驗，及時將書本知識利用各類傳感器和電腦實現轉換，以數字和圖表的形式直觀地呈現出來，立刻獲得了學生認可，激發了學生的探究熱情。學生通過數字化實驗進行定量分析，有效地促進了證據推理與模型認知這一化學核心素養的形成。

2．利用反常圖像，培養學生科學態度

研究性學習要求學生提前了解實驗內容，預測實驗現象，設計實驗步驟，明確操作意圖，控制相關變量。學生實驗中要頭腦清醒，規范操作，客觀記錄實驗現象，檢驗自己的預測是否合理，對于沒有達到預測效果的實驗要分析原因，并找出改進方法。

在本次實驗過程中有學生得不到正確的圖像，正是這些反常的數據和圖像讓一些不規范的操作、不嚴謹的態度立刻暴露出來，讓學生深切體會到科學態度是實驗成功的前提。研究性學習過程不僅強化了發現問題、分析問題、解決問題的科學探究方法，更培養了學生尊重事實、嚴謹求實的科學態度。

3．優化實驗裝置，增強學生創新意識

在探究過程中有學生發現裝置可進一步優化，對于學生敢于質疑、勇于創新的精神，教師立即鼓勵學生設計一些優化后的裝置，并讓他們進行展示。例如：本次實驗中一次只用一個傳感器測一個量，不同實驗中誤差較大，有學生指出在同一組實驗中同時用三個傳感器測量更準確，數據分析更有說服力。教師及時肯定學生的建議并提醒要考慮壓強問題。學生討論后想到了用三頸燒瓶組裝實驗裝置，如圖6（a）是大多數同學的設計圖，圖6（b）是某同學的設計圖，該裝置使用了恒壓滴液漏斗，減小了實驗誤差，讓結果更準確。在展示交流的過程中甚至有同學提到，如果使用這些裝置，藥品的用量也要進行調整，學生不僅有了創新意識同時也具備了科學探究的基本素養。

在上述活動中，讓學生能發現和提出有探究價值的問題；能從問題和假設出發，依據探究目的，設計出探究方案；能運用化學實驗、調查等方法進行實驗探究；勤于實踐、善于合作、敢于質疑勇于創新，[6]讓科學探究與創新意識的學科核心素養真正落到實處。

4．鼓勵愛護器材，培養學生社會責任。

本次實驗過程中使用了多個傳感器，為保證學生能進行規范操作，實驗前教師演示了相關傳感器的用法并強調了使用注意事項。實驗中有學生拿出廢尺子和膠帶做成的傳感器支架，簡化了實驗裝置，安全實用。由于藥品用量少，試管不容易固定，有學生用5 mL滴眼液小藥瓶替代試管。實驗后六組傳感器和數據采集器都放回了原處，pH傳感器也及時清洗并把電極放回了保存瓶里。這些細節過程既保護了器材，又幫助學生形成了正確的價值觀，培養了學生綠色化學理念與社會責任。

參考文獻

[1] 高妙添．運用數字化手持技術改進“測量化學反應速率”實驗的教學實踐[J]．化學教育，201 5，36（23）：49-55．

[2] 成華．將數字化實驗與傳統實驗有機整合，培養學生化學學科素養[J]．化學教與學，2021（14）：74-77+84．

[3] 陳琛，董雄輜，姚如富，姚成立，等．數字化實驗在化學教學 的應用研究[J]．合肥師范學院學報，201 8，36（03）：78-81.

[4] 張婷，馬宏佳．化學數字化實驗影響學生概念改變的實證研究[J]．化學教育，201 7，38（09）：39-43.

[5] 穆莉莉，侯麗雅，章維一，微化學反應的微流體數字化實現及實驗研究[J]．化工學報，2009，60（03）：795-800.

[6] 中華人民共和國教育部，普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S]．北京：人民教育出版社，2020.