數字化實驗在高中化學教學中的應用研究

摘 要：隨著時代的進步和科技的不斷發展，數字化實驗儀器及系統在高中化學教學中得到了越來越廣泛的應用.將數字化實驗引入高中化學教學教研活動中，不僅有助于激發學生參與實驗研究的熱情，而且促進了教師和學生思維方式的轉變，提高了教師和學生解決問題的能力.數字化儀器的應用，大大提高了實驗教學的精度，為精準教學、提高教學實效提供了保證.

關鍵詞：數字化儀器；實驗教學；應用途徑；高中化學

中圖分類號：G632? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1008-0333（2023）27-0089-03

收稿日期：2023-06-25

作者簡介：徐海波（1980.2-），男，湖北省紅安人，中學高級教師，從事化學教學研究.

基金項目：2021年湖北省教育科學規劃一般課題“新課程背景下數字化實驗在高中化學教學中的應用研究”研究成果（課題編號：2021JB283）

自使用新教材以來，數字化實驗越來越多地在教材中得到體現.如人教版高中化學必修第一冊第45頁“驗證次氯酸光照分解產物的數字化實驗”中，首次明確了使用數字化儀器進行化學實驗.其中學生新接觸的儀器有：pH傳感器、氯離子傳感器、氧氣傳感器.利用傳感器和信息處理終端進行實驗數據的采集和分析，讓學生分析最終實驗結果，得出結論.該節實驗課的開設，開拓了學生理論知識學習的新方式，加強了概念理解過程中的證據推理過程，同時正式明確了數字化實驗教學在高中化學教學中的地位.

我校自建立數字實驗室以來，全體化學教師均全面系統地參與了數字化儀器的使用培訓，并積極將數字化實驗應用在課堂以及日常教研和各類優課競賽中，均取得了不錯的效果.數字化實驗教學的開展，也將教師和學生從重點關注實驗現象引入到關注實驗過程與原理，將化學實驗帶入到準科學探究的階段.教師也逐漸在改變實驗教學方式，從“直接性、強制背記”的方式轉變為“引導性、形象化”為理論依據，進行證據推理，促進學生必備能力的形成和素養的發展.下面就數字化實驗對高中化學教學帶來的影響進行簡單的探討.

1 有助于加強學生對概念的理解，強化理論知識的學習? 高中化學教學中，概念的學習是基礎環節，但同時也是教師教學的難點.學生往往就是因為對概念理解不透徹和表達不完整，導致在后續學習中無法系統地掌握知識體系.而部分理論知識的學習，因為教師教學缺乏證據支撐，導致學生只能“死記硬背”，學生也在學習過程中逐漸喪失學習樂趣，缺乏應用知識的能力[1].化學中的離子反應、弱電解質的電離、分子間作用力、化學平衡等概念教學，都可以通過數字化實驗教學來加強學生對概念的理解.像我校青年教師在參加全市“高中化學素養課堂”教學競賽中，“水的電離和溶液的pH”一課就應用了數字化實驗探究溫度對水的電離平衡的影響.

數字化實驗應用部分：

【微觀探析】測定不同溫度時蒸餾水的電導率

實驗儀器及用品：溫度傳感器、電導率傳感器、磁力加熱攪拌器、燒杯等.

已備知識：水的電離程度越大，離子濃度越大，水的電導率越大.

實驗現象：隨著溫度的升高，蒸餾水的電導率呈增大趨勢.

實驗結論：升高溫度，水的電離平衡正向移動.

設計意圖：（1）結合前面所學弱電解質相關知識推導影響水電離平衡的因素，培養證據推理意識，注重前后知識銜接和學生由淺入深的認知特點；（2）數字化實驗儀器可以測得實驗中的某些細微變化，將不易觀察的實驗現象呈現成數據，進而得出結論.提高學生總結實驗現象、歸納實驗結論的能力，培養證據意識；（3）通過實驗具體操作提高學生實驗操作能力，規范學生實驗操作技能，通過對實驗數據的分析提高學生分析實驗數據并總結規律的能力.

本堂課數字化實驗的應用，對實驗探究有如下影響：一是方便了證據的收集.電導率傳感器的使用，可以更快更準確地獲得可連續的監測和采集實驗數據，讓學生將更多的精力投入到其他更有創造性的方面，而非像傳統實驗一樣需要緊盯實驗現象.另外，設備測出來的數據和證據以圖表和數字為主，更為直觀.二是解釋和結論更加直觀有效.根據實驗現象，隨著溫度的升高，蒸餾水的電導率呈增大趨勢，可以直觀地得出實驗結論，培養了學生證據意識.

2 有助于拓展探究問題的深度和廣度，豐富學生知識體系? 探究式教學在日常教學中廣被教師應用，但如果探究的問題枯燥和平淡，學生將會失去探究的樂趣.數字化實驗可以將有些原來學生只能“意會”的問題數字化、外顯化，讓學生通過觀察實驗數據，拓展探究問題的深度和廣度，進而豐富知識體系.我校另一名青年教師在參加省“高中化學素養課堂”競賽時，“CaCl2溶液和NaHCO3溶液的反應原理及應用”一課選擇使用數字化實驗來探討其反應原理中是否有二氧化碳氣體生成.

數字化實驗應用部分教學設計：

【微觀探析】測定0.20 mol/L的CaCl2和NaHCO3溶液混合后有無CO2氣體產生

實驗儀器及用品：二氧化碳傳感器、燒杯等.

【已有結論】根據實驗現象可知，0.20 mol/L的CaCl2和NaHCO3溶液混合后，溶液變渾濁，有CaCO3沉淀生成.……

【創設情境】CaCO3沉淀的生成，會促進HCO-3的電離，使溶液中c（H+）會增大.H+和CaCO3沉淀為何不反應？

【學生回答】H+可能和溶液中的HCO-3結合生成水和二氧化碳氣體.

【教師追問】剛才的實驗中大家有沒有觀察到氣泡？

【學生回答】沒有.

【核心提示】沒有氣泡，可能是二氧化碳的生成速率很慢或者二氧化碳生成量很少.

【教師示范】我們用二氧化碳傳感器來檢測實驗中究竟是否有二氧化碳生成.

【核心提示】曲線表明，二氧化碳的濃度在增大，說明該反應中確實有二氧化碳生成.

【任務驅動】請同學們寫出兩者反應的化學方程式.

本堂課數字化實驗的應用，對實驗探究有如下影響：一是拓展了問題的深度和廣度.在學生已有知識中，會認為CaCl2溶液和NaHCO3溶液是不會發生化學反應的，因為這兩種物質不符合復分解反應發生的條件.而本節課，通過實驗設計，將不同濃度的兩種溶液混合，然后通過數字化實驗儀器對產物進行測定，通過所觀察到的實驗現象和數據，學生可以得出結論，CaCl2溶液和NaHCO3溶液在一定濃度下可以發生反應產生碳酸鈣沉淀和二氧化碳氣體.學生還可以進一步思考和分析這兩種物質發生反應的本質，因為在溶液中HCO-3可以電離出CO2-3和H+，當溶液中c（Ca2+）c（CO2-3）>Ksp（CaCO3）時便會有沉淀產生.二氧化碳傳感器的應用，證明了二氧化碳產生的事實，學生也達到了本節課的學習目標.二是知識的遷移應用更有方向性和指導性.根據以上實驗現象結論，學生可以推導出Ba2+、Fe2+、Mn2+等在一定條件下也可以與HCO-3發生反應產生沉淀和氣體，并且可以進一步用數字化實驗進行驗證該結論，達到豐富知識體系的目的.

3 有助于創設不同的導入情景，激發學生學習的熱情? 情景的創設是否精彩是一節課成功與否的重要基礎.教師常采用化學史科普、真實情境、科學視野等來創設新課導入情景，達到激發學生學習熱情的目的.如果能將數字化實驗作為一節課的情景導入，也可以進一步點燃學生的學習熱情[2].比如在學習新課“有關化學反應速率的測定實驗”時，我校青年教師通過帶領學生對教材實驗設計進行質疑，然后開展了“運用數字化儀器對化學反應速率測定實驗的改進”一課，效果優秀，學生反應激烈.

數字化實驗應用部分：

【微觀探析】測定濃度（鋅與不同濃度硫酸反應）對化學反應速率的影響

實驗儀器及用品：溫度傳感器和氣體壓強傳感器、電子天平、1 000 mL抽濾瓶、250 mL容量瓶、量筒、燒杯、玻璃棒等.

改進后的實驗裝置如圖1所示.

數字化實驗結果如圖2所示.

【實驗創新要點】

（1）選取適量的鋅粒和合適濃度的硫酸溶液，在抗壓能力較大的抽濾瓶中進行反應；

（2）使用數字化儀器，將不易直接觀察的物理量直觀可視化，同時提高了實驗的準確性；

（3）解決了在非標準狀況下，通過氣體的體積計算化學反應速率的問題；

（4）通過一次實驗完成了測定不同濃度下硫酸與鋅的反應速率，更好的為下一節“影響化學反應速率的因素”做鋪墊.

本堂課數字化實驗的應用，對新授課有幾個影響.一是完善了實驗設計的準確性.課本實驗是通過測定活潑金屬與酸反應產生相同體積氣體時所需要的時間來達到測量化學反應速率的目的，但是忽略了反應過程中金屬與酸反應溫度的變化等因素.而利用數字化儀器采集數據，提高了實驗的準確性，解決了在非標準狀況下，有氣體參與時，化學反應速率的計算問題，得出更準確的結論.二是反思和評價更加客觀有效.數字化實驗儀器的引入讓探究活動過程記錄更細致更完整，使分析、質疑、反思和評價時有了更客觀的依據.該實驗設計同樣存在著不足，在課堂上有學生質疑反應體系溫度不均勻，溫度傳感器局限于測定反應體系的局部溫度，整個實驗還存在一定誤差.所以數字化實驗的開展能使評價更為客觀和更具備發展性，有利于學生的成長，能培養學生嚴謹的科學態度和辯證思維.

參考文獻：

［1］ 陳琛，董熊輜，姚如富，等.數字化實驗在化學教學中的應用[J].合肥師范學院學報，2018（5）：78-81.

[2] 裴傳友，馬善恒，楊芹.中學化學數字化實驗的發展與應用[J].化學教學，2020，42（2）：56-58.

［責任編輯：季春陽］