中學化學數字化實驗與傳統實驗

劉穎

摘要：本文在介紹中學化學數字化實驗系統的基礎上，對其應用優勢進行了四個方面的論述：可使實驗從定性升華到定量；有利于突破教學難點；有利于學生進行探究式學習；可為研究性學習提供技術支持。但中學化學數字化實驗不能完全代替傳統化學實驗，它與傳統化學實驗可優勢互補、相得益彰。

關鍵詞：化學? 數字化實驗? 定量

中學化學數字化實驗系統由系統軟件、數據采集器、傳感器組成，將數字溫度計、pH計、電導率計、分光光度計等整合為一體。該系統軟件能夠實現試驗數據的即時處理、編輯，可存儲實驗數據文件。該數據采集器可實現采集器與電腦的連接，又可以進行獨立的數據采集，具有內置內存，可以保存實驗文件，可自動識別各種傳感器和自定義傳感器功能。配備的傳感器可以檢測溫度、壓強、電流、電壓、pH、電導率等物理量，支持對相關化學反應的監測。

中學數字化實驗系統可以將化學反應和現象的本質轉化為可監測的信號，從而幫助學生更深入地研究化學現象和反應的本質和規律，具有先進、便捷、實時、準確、綜合、直觀等顯著特點。使用化學數字化實驗系統可以優化部分常規實驗，降低教學難度；可以幫助解決一些常規實驗手段不能解決的問題，是對常規實驗手段的重要補充。該系統尤其對化學概念原理的課堂教學、研究性學習、探究學習起到有效的輔助作用，豐富了研究性學習和綜合實踐活動的實驗手段，對新課程教學內容改革和教學方式改革具有明顯的支持作用，是對化學教學與現代教育技術整合的有益探索。

中學化學數字化實驗系統對學生的發展能夠起到積極作用，增進學生對化學現象和原理本質的認識，提高學生分析問題、解決問題的方法和能力，有利于發展學生的創新精神和實踐能力。在教學中使用中學化學數字化實驗系統，對提高中學化學教學的現代化水平和教師專業素質發展都具有積極的作用。由數字化采集設備、局域網、計算機終端、計算機輔助教學系統及多媒體技術組成的中學化學數字化實驗室，促使產生新的課堂教學模式，使課堂實驗的“教”與“學”合二為一，是一種以學生為“主體”，教師為“主導”的新型教學方式。

一、中學化學數字化實驗可使實驗從定性升華到定量

在傳統化學實驗操作過程中，雖能觀察到實驗過程出現的現象，但很難進行定量化處理。使用數字化傳感技術，可以采集到實驗整個過程的完整數據，通過數據的分析，可以感受到實驗全程的變化，從而可以得出更加準確、科學的結論。將計算機與手持技術儀器聯用時，傳感器可以精確地測量與傳遞實驗中所測定的各種實驗參數，所得實驗數據將通過數據采集器轉到計算機中，計算機經由配套軟件將數據以表格和圖像的形式呈現，并進行分析處理。

使用中學化學數字化儀器，培養學生獲取數據的能力。中學化學數字化實驗，有不同于傳統的實驗儀器的信息工具儀器，如傳感器和數據采集器和計算機。傳統的實驗儀器難以測量和儲存隨時間變化的各種物理量以及隨其它方面變化的數據，實驗數據也不能快速的可視化。信息工具儀器能解決這個問題，并且當實驗時間很長或很短，或者需要同時獲得多種數據時，傳感器和數據收集器起到很好的效用。適當組合地使用傳感器和數據收集器來采集數據和利用實時圖像來呈現數據，有利于培養學生獲取數據的能力，空出更多的時間讓學生對數據進行分析和評價，培養學生的思考能力。

使用中學化學數字化實驗專業軟件，培養學生分析化學數據的能力。而電子數據表是用來分析數據的軟件。數據可以通過鍵盤收到輸入或從文件夾中輸出。電子數據表一個重要的用處就是數據可以以圖像的形式分析。兩組或多組相關的數據可以用柱狀圖或簡單的線形圖表示。例如，學生利用電子數據表按原子序號顯示物質的性質。這便于學生形象化看到各主族、各周期在周期表中的變化趨勢。同時電子數據表可以幫助學生形象化的研究反應產物濃度對反應速度的影響。簡單的化學系統模型，如化學平衡可以用到電子數據表。學生可以探究在“假設” 情況下的分析。

在《堿溶解與堿溶液的pH變化》實驗中，將pH溫度傳感器與pH傳感器置于盛有少量水的燒杯中，隨著固體氫氧化鈉的加入，計算機屏幕上將分別出現兩條逐漸上升的實驗曲線，并且在表格中實時顯示溫度與pH值的變化數據?？梢姡瘜W數字化實驗，可將傳統教學中的定性實驗進行定量化驗證。

在《化學反應與能量變化》實驗中，教師先讓學生在大試管中進行鎂條與鹽酸的反應，學生通過手觸摸試管底部的外壁，感覺到管壁發熱，感性地認識到此反應放出了熱量。對于酸堿中和反應，教師通過溫度傳感器測量鹽酸和氫氧化鈉溶液反應前的溫度，經過連接在電腦上的數據采集器的處理，以平行線的形式在投影上動態顯示；再將二者混合，溫度在小范圍內不斷升高，最后維持不變。從直接感知，到通過儀器定量測量，實現了學習層次的飛躍。

在《外界條件對化學反應速率的影響》實驗中，分別用塊狀的大理石和粉狀的大理石與同濃度的鹽酸溶液反應時，學生可以從產生的氣體的速度觀察到反應的快慢情況，而同時使用絕對壓力傳感器來做時，學生不但可以觀察到上述現象，還能通過數據分析得出，隨時間的推移，二者反應的速率并不是穩定不變，既不是持續增大，也不是持續減小，而是有時增大有時減小，這就是反應全過程的真實情況。

二、中學化學數字化實驗有利于突破教學難點

優化教學過程，提高教學效率。一些難理解的科學概念和原理，通過傳統實驗學生不易理解，借助于數字化傳感技術的直觀演示和準確的數據分析，將變得容易認知，可達到快速突破教學難點的目的。中學化學數字化實驗通過各種表現手法拋開某些表面的、次要的、非本質的因素，將內在的、重要的、本質的東西表現出來，進行實驗處理和圖像輸出，在屏幕上實施微觀放大、宏觀縮小、動靜結合，圖文并茂。在短時間內調動學生多種感官參與活動，學生獲取動態信息，從而形成鮮明的感官認識，為進一步上升為理性認識奠定了基礎，有利于激發了學生的學習興趣，調動學生的積極性，優化教學過程，提高課堂效率。

弱電解質的不完全電離是區別于強電解質的一個重要特征，是中學化學教學中的一個難點。對于弱電解質的電離度，教材中對于影響電離度的因素缺少直觀的實驗驗證。應用數字化技術，設計一個實驗，通過pH 傳感器監測不同濃度乙酸溶液的 pH 值變化，再利用數據采集器收集數據加上Excel進行數據處理，計算出不同濃度乙酸的電離度。由實驗得出結論，能幫助學生更好地理解和掌握濃度對于弱電解質電離度的影響。從實驗的數據可以直觀看出，隨著濃度減?。ㄏ♂屵^程），弱電解質的電離度相應地增大，溶液濃度越小，越有利于弱電解質電離。

三、中學化學數字化實驗有利于師學生進行探究式學習

將傳統實驗和數字化傳感技術相結合做出的實驗結果，往往和只通過傳統實驗得出的結果有不一致之處，這就需要運用掌握的知識進行全面的分析，是實驗操作上有不當之處，還是實驗與理論的差距，在實驗過程中，哪些因素會導致結果與預期的不一樣。在《外界條件對化學反應速率的影響》實驗中，為什么得到的數據會反映出速率時而增大時而減小呢？讓學生展開討論，教師引導、綜合、歸納，原來在這個反應過程中，是幾個外界條件發生了變化：反應過程要放熱，會使反應體系溫度升高，從而會使反應速率加快；同時，反應物鹽酸的濃度會逐漸減小，從而會使反應速率減??；還有固體顆粒物的大小也在不斷地發生變化，這些因素都從不同程度上影響著反應速率，因此要看它們對速率影響的綜合結果，從而讓學生真正掌握知識，培養學生綜合運用知識的技能；通過討論、分析、交流，能有效培養學生的表達、溝通、實踐等能力，從而更好地體現新課標的理念，落實新課標的目標。

四、中學化學數字化實驗可為研究性學習提供技術支持

研究性學習是新課標的一項重要的學習內容，是為了培養學生科學探究的方法和意識，體會科學家研究未知領域的過程，增強熱愛鉆研的精神。研究性學習沒有固定的教材內容和模式，給師生提供了更廣闊的思維空間。將數字化實驗技術應用于第二課堂和學生的研究性學習，可以培養學生的探究思維和激發學習興趣。

如手持技術儀器主要用于采集并儲存實驗數據，傳感器可根據探究需要測定的參數（如溫度、濕度、光強、pH值、溶解氧濃度、電導率、氣壓、電流、電壓等）而自行選擇；這些輕巧與便攜的儀器還為學生進行戶外探究提供了方便，學生可以帶上溶解氧傳感器、pH傳感器和電導率傳感器與數據采集器，在野外進實時定量測定水樣的有關常數和進行水質分析。

學生在學習酸堿中和滴定的過程中，有些學生產生了其他相關的一些聯想和疑問：下面的三種情況是不是都能利用“酸堿指示劑指示溶液pH 的變化從而確定終點”的實驗方法來測定電解質的濃度呢？（1）強堿滴定強酸；（2）強堿滴定弱酸；（3）強堿滴定強酸和弱酸的混合液。學生們在教師的適當引導下，通過查閱資料和思考討論，找到了他們從未接觸過的電導滴定法，教師引導學生課后自學電導率的相關知識，到實驗室設計實驗，利用電導率傳感器并連接數據采集器進行采集反應過程的電導率變化，數據利用相關軟件進行處理，就能得出較準確的實驗結論了。

五、因“實”制宜，優勢互補

中學化學數字化實驗應與傳統實驗進行合理統籌安排。中學化學數字化實驗主要是從具體實驗數據分析歸納實驗結論，側重于實驗過程中的探究過程和思維能力的培養，而傳統實驗往往只是對結果作定性分析，側重于實驗過程的具體操作、常用儀器的使用規范和用途、實驗現象的細致觀察以及從現象分析結論，應該說各有優勢。把數字化實驗和傳統實驗有機的結合在一起，將是最理想的教學狀態。中學化學數字化實驗完全取代化學傳統實驗手段并不是可取的好方法，而應根據教學實驗內容的實際將兩者有機地結合起來。有如下兩種模式可供參考：（一）以傳統化學實驗為主，以恰當中學化學數字化實驗為輔；（二）以中學化學數字化實驗為主，以傳統化學實驗為輔。只有將中學化學數字化實驗與傳統中學化學實驗配合使用，才能充分發揮各自的優勢，取長補短、相得益彰。

要處理好傳統化實驗和師生互動教學的關系。中學化學數字化實驗的課堂教學的特征則是以學生為主體，教師為主導，它突出表現為師生互動。學生的積極參與不僅活躍了課堂氣氛，更重要的是能加強對學生分析問題和解決問題能力的培養。

中學化學數字化實驗是社會進步的需要，是化學實驗教學現代化的一種體現形式，它能有效地提高化學實驗教學的質量，培養中學生學習和應用數字化技術的興趣和意識，培養學生利用數字化技術獲取信息、分析信息和處理信息的能力，讓學生獲得適應未來信息社會需要的創新能力、動手操作能力和思維想象能力。作為一項先進的技術引入課堂教學中至在課堂教學中的廣泛應用，必然是個長期的過程，需要研究和解決的問題還很多。作為對傳統實驗的有效補充和引領的探究性實驗需要中學化學數字化實驗引入帶來方法上的更新和轉變。