數字實驗技術在初中化學教學中的運用

劉 彥

（甘肅省武威市涼州區永昌鎮九年制學校，甘肅武威 733000）

初中化學教學領域的數字實驗技術，主要是指數字化實驗系統，該系統主要由配套教具、數據采集器、傳感器和計算機軟件構成，能夠測量和采集各種實驗數據，促進學生對物質變化現象的分析、比較、抽象和概括，提高知識理解和實驗探究的效率。因此，教師應該積極開展在初中化學教學中運用數字實驗技術的有益嘗試，根據學生的興趣和素質發展需求設計基于數字實驗技術的教學和探究活動，引導學生主動地構建化學知識技能，從而達到事半功倍的教學效果。

一、數字實驗技術在初中化學教學中的運用價值

（一）有利于調動學生的化學探索積極性

現階段學生參與化學學習所面臨的最大阻礙，就是認為化學現象和變化原理晦澀難懂，對學習存在一定的畏難情緒。以往的教學工具和方法比較陳舊，學生感知不到新意，學習化學的興趣愈發低迷。數字實驗技術是一種現代新興科技，在初中化學教學中運用數字實驗技術是調動學生化學探索積極性的主要途徑。比如實驗系統中的傳感器、圖形數據采集器等，都具有便捷、直觀的特點，在手掌上就能操作，可以帶給學生前所未有的新鮮感，使其產生強烈的嘗試和操作動機。教師把數字實驗所得的數據作為分析資料，也能有效地簡化學生對化學知識的理解過程，從而帶給學生新奇、有趣的化學學習體驗。

（二）提高化學實驗的精準性

實驗在初中化學教學中占據著至關重要的地位，學生探知化學概念和規律都需要依托于實驗。傳統教學受到技術和資源的制約，局限在定性實驗的模式內，對于一些實驗細節很難實現有效把控，也無法精準地測定各類實驗數值或參數，給化學實驗探究帶來不穩定的因素。數字實驗技術具有強大的測量和控制功能，不僅對傳統實驗資源的不足進行了很好的補充，也能最大化地減少實驗誤差和影響因素，如化學實驗中需要滴加藥劑，藥劑的量需要精確到1 滴或半滴，這個量就很難把控，教師可以指導學生使用手持式的滴數傳感器，分毫不差地控制實驗藥劑的用量，同時連接數字實驗的實時錄像系統呈現滴加藥劑后的現象變化，從而借助數字實驗技術使實驗教學資源變得更加豐富、鮮活。

（三）有利于改變學生的化學認知方式

在以往的初中化學教學中，學生對化學現象和規律的認知只有三重表征，即宏觀表征、微觀表征和符號表征，想要得出這些表征結果需要經過嚴謹的實驗操作、觀察和推理論證，但是在涉及微觀粒子變化平衡方面的概念和原理時，上述表征不容易驗證實驗假設，學生也會遇到認知障礙。數字實驗技術與傳統教學方法最大的區別就是能即時采集實驗數據并自動生成曲線圖，在三重表征中又增加了曲線表征，有利于改變學生的化學認知方式。比如教師可以借助數字實驗系統生成的曲線圖引導學生結合實驗活動分析曲線圖中因變量和自變量之間的聯系和規律，思考變化的原因、探究變化的本質，從而通過四重表征的認知方式推動學生對化學知識的深度理解。

二、數字實驗技術在初中化學教學中的運用策略

（一）運用數字實驗技術實施化學導入

在初中化學教學中，精彩的導入能夠起到先聲奪人的效果，使學生注意力高度集中并精神百倍地投入學習。以往教師一般只在實驗探究階段應用數字實驗技術，忽略了課堂導入環節。數字化實驗系統是創設導學情境的最佳工具，可以生動、具象地為學生呈現實驗課題或現象。因此，教師應該運用數字實驗技術實施化學實驗課的導入，根據課程目標和內容，選擇適宜的數字化工具和軟件，采用演示實驗的方式向學生展示奇妙的化學情景，同時精心設問，引導學生圍繞著數字實驗情景合作探討、對實驗提出合理的猜想，從而使化學實驗課的開講更加富有創意，喚醒學生的思維活力和求知欲［1］。

如在關于探究人體吸入空氣與呼出氣體差異的教學導入階段，教師就可以預先準備氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、濕度傳感器等數字實驗設備，以及塑料瓶、膠皮管等常規實驗器材，拋出第一個問題：同學們，大家感覺我們吸入的氣體和呼出的氣體一樣嗎？多數學生都回答：不一樣。教師不急于揭曉答案，而是將各種數字設備和器材連接起來，打開傳感器的開關，在電子白板上出示數字實驗系統的操作界面，點擊波形圖，通過膠皮管向塑料瓶內呼出氣體，白板上呈現瓶內氧氣、二氧化碳、水蒸氣含量變化的波形圖，接著拋出第二個問題：從老師的演示操作和波形圖像來看，大家認為人體吸入空氣和呼出氣體有什么不同？能否提出對應的猜想？學生激烈地討論后反饋：三個波形圖的曲線在氣體交換后都發生了改變，氧氣波形圖的曲線下降了，二氧化碳和水蒸氣的波形圖都上升了，因而猜想吸入空氣比呼出氣體的氧氣含量高、二氧化碳含量低、水蒸氣含量低。接下來，教師組織學生正式使用數字實驗系統開展分組操作，驗證實驗猜想，并結合傳感器采集的數據探究得出氧氣、二氧化碳、水蒸氣發生變化前后的具體數值。這樣通過利用數字實驗技術實施化學導入，學生研討實驗假設時就有據可依，同時以濃厚的興趣投入到自主探究活動中［2］。

（二）運用數字實驗技術優化傳統實驗

傳統化學實驗模式具有操作簡單、現象清晰的優點，但是對于部分需要觀測物質快速變化過程的實驗來說，傳統方法存在一定的局限性。數字實驗技術與傳統實驗形成良好的互補，其搭載的信息技術和各類手持傳感器能夠高速度、高精度地采集實驗數據。因此，在初中化學教學中，教師應該運用數字實驗技術優化傳統實驗，根據具體的實驗課題剖析傳統實驗手段的不足，基于數字實驗加以改進，引導學生對動態的實驗數據進行綜合、多維度的分析，從而實現傳統和創新的有機結合，提高化學實驗課的實施效率。數字化實驗的表層意義是改變操作方法和實驗儀器，其內核是一種教學理念與課程理念的創新，是傳統與現代融合的課堂實驗學習模式。通過分析傳統實驗與數字實驗的方式可知，傳統的化學實驗操作簡單，呈現的效果直觀，但這僅限于簡單的化學實驗，而難度較大，過程復雜的化學實驗則不適合于通過傳統的實驗方法進行學習，這是由于實驗變化速度較快，學生很難清晰地觀察到整個實驗的過程，也不利于學生及時讀取與記錄數據。數字化實驗教學的融入，則有效避免了這一問題，通過傳感技術、信息技術能夠自動化測量，并能精準采集數據，詳細對每個實驗的細節進行記錄，這有助于學生從動態化的角度分析實驗數據，并從多維視角進行知識點的討論與分析。雖然數字化實驗優勢較多，但并不能完全取代傳統實驗，而是以兼收并蓄的態度綜合運用兩種實驗模式，為學生搭建一座理性認知與感性認知相融合的橋梁，學生有更多的數據以供學習，能夠從傳統實驗與數字化實驗相融合的角度推理化學現象的產生過程，而不是單純地對實驗過程與結果的驗證。如在關于探究石灰水和濃燒堿溶液吸收二氧化碳能力的實驗中，飽和石灰水的濃度較低，對二氧化碳的吸收能力有限，燒堿的溶解度比較大，濃溶液能夠充分地吸收二氧化碳。傳統實驗方法主要是通過肉眼觀察二者對二氧化碳的吸收情況，對比不夠鮮明。教師在優化時，可以在傳統實驗裝置中，增加數字化壓強傳感器，把傳感器接入電腦系統，指導學生按照實驗裝置圖進行實驗學習。這樣通過采用數字化壓強傳感器優化實驗，學生就能從量的角度，直觀地比較二者對吸收二氧化碳能力的區別［4］。

（三）運用數字實驗技術講解疑難知識

學生的化學素養正處在形成初期，在探索化學概念及其規律的過程中經常會遭遇認知方面的困難。以往由于技術資源的匱乏，教師缺少強有力的解釋辦法。數字實驗技術為化學課程重難點的突破帶來了全新的生機。教師應該針對學生的思維特點和認知障礙，利用數字實驗技術輔助化學疑難知識的講解，從而強化學生的學科思維能力。教師可借助數字實驗技術對學生講解難以理解的、抽象的知識，如利用數字化手持技術開展實驗教學，以可監測信號的方式呈現化學反應及其本質現象，幫助學生透過現象看本質，理解化學知識的規律；還可以通過手持技術實驗降低學習難度，完成定性實驗向定量實驗的轉變，使學生深入、精準地了解學習內容，通過分析數據對實驗全程的變化進行感受，得出科學、精準的結論，幫助學生解決疑難問題。如在關于酸堿中和反應的化學教學中，學生在理解酸和堿反應的實質和特點時，經常陷入滴定終點“恰好變色”就是“恰好完全反應”的認知誤區。在突破這一難點時，教師可以應用pH 傳感器、滴數傳感器、數據采集器、磁力攪拌器等數字化實驗儀器，引導學生使用滴數傳感器進行控制。在數字實驗技術的支持下，學生就深刻地理解pH＝7是酸堿中和反應的終點，從而走出誤區、實現對化學疑難知識的有效學習［5］。

（四）運用數字實驗技術開展微觀探析

初中化學教學涉及很多關于微粒變化的課程，這些課程知識點單靠宏觀辨識和表象解釋，學生是很難對其進行想象和理解的。在多媒體技術的支持下，能夠以直觀互動的方式從抽象的問題分析靜止問題，并通過分析歸納的方式對問題進行總結，有助于從微觀角度探析化學現象。教師還可以借助信息技術使實驗學習過程變為模擬形式，為學生構建一種多人協作的學習空間，滿足不同認知水平學生不同的學習需求，使其能夠以對比的方式學習各類化學知識。同時，數字實驗技術能夠實現微粒變化可視化，利用最有說服力的數據揭示化學變化的本質，引導學生從宏觀、圍觀、符號和曲線等多重表征建立完整的化學認知模型。因此，教師應該針對教材中有關微粒變化的課程，運用數字實驗技術開展微觀探析活動，引入色度、光強、電導率、離子等數字化傳感器設備，以及DIS 直觀演示和數據分析技術，帶領學生觀察、分析微觀現象中的化學規律［6］。

（五）運用數字實驗技術設計練習活動

數字化實驗將DIS 數字信息系統與化學教學相融合，其原理是利用計算機、數據采集器、傳感器及含有配套使用的專用及通用軟件開展實驗，以圖表形式呈現定量采集的數據。在數字化實驗的支持下，能夠得到數字和曲線，具有較強的可靠性、真實性直觀性，可幫學生養成證據意識，根據證據分析變化的規律及本質從微觀、宏觀兩個視域理解化學現象。數字實驗技術既適用于課堂學習，也適用于課后練習，其能幫助學生鞏固學習內容，完善實驗學習。練習是初中化學教學的重要構成部分，以往教師設計課堂練習時，通常是問答概念或者是布置化學計算題，學生早已感到厭倦，同時練習的內容和形式也比較單一。在數字實驗的背景下，實驗系統中的曲線表征圖為化學練習提供更加優渥的資源。教師應該根據課程的考查重點，在數字實驗系統中調取相關的曲線表征圖，精心設計觀察、比較、推理類的練習題，引導學生運用所學知識技能解答習題，從而提升課堂練習的綜合性，實現數字實驗技術的拓展運用。

如在關于鹽酸滴定碳酸鈉的化學教學中，學生通過數字化實驗探究初步理解鹽酸與碳酸鈉分步反應的實質，在實施練習活動時，教師就可以出示GQY 數據采集器所生成的pH 反應曲線圖，同時提出思考問題：為什么pH 反應曲線具有兩個躍變點？請大家合作解釋。學生解析曲線表征后解答。這樣通過依托數字實驗技術設計練習活動，學生就準確地解釋了化學反應的過程，從而實現對實驗探究收獲的學以致用。

三、結語

綜上所述，在初中化學教學中運用數字實驗技術，不僅有利于調動學生的化學探索積極性，也能把定性實驗轉變為定量實驗，擴充化學實驗教學資源，改變學生對化學知識的認知方式。教師應該立足化學課程目標，整合運用化學實驗軟件、各類數字傳感器和數據采集器，在課堂導入、實驗探究、疑難知識講解、微觀探析、拓展練習等環節引入功能優越的數字實驗設備，以精準的實驗數據科學、客觀地再現化學本質，從而助推學生化學素養的穩步發展。