高中化學數字化實驗教學應用探究

陳教奇

摘 要：在當今信息化時代，數字化技術已經滲透到各個領域。高中化學實驗教學作為培養學生實踐和創新能力的關鍵環節，也在不斷探索數字化技術的應用。數字化實驗不僅能提供準確的實驗數據，還能對實驗過程進行實時監控和反饋，大大提高了實驗教學的質量和效率。本文將從理論層面出發，對高中化學數字化實驗教學的設計和實施進行深入探討。

關鍵詞：高中化學；數字化；實驗教學；策略

隨著科技的不斷發展，數字化教學在高中化學教學中得到了廣泛的應用。在高中化學實驗教學方面，數字化教學也逐漸成為一種趨勢。傳統的化學實驗教學往往需要耗費大量的時間、人力和物力，而且存在安全風險。因此，數字化實驗教學作為一種新型的教學方式，具有一定的優勢，可以有效彌補與解決傳統化學教學中存在的不足與問題。

一、高中化學數字化實驗教學概述

高中化學數字化實驗教學是指在傳統化學實驗基礎上，結合計算機技術和網絡技術，利用數字化手段進行化學實驗教學。這種教學方式突破了傳統實驗教學中的時間、空間限制，同時也避免了一些危險因素，使學生可以更加方便、快捷地進行實驗，提高了實驗教學的效率和質量。

數字化實驗教學主要包括兩個方面：數字化實驗平臺和數字化實驗教材。數字化實驗平臺是指將傳統實驗裝置數字化，采用虛擬仿真技術，讓學生能夠通過計算機模擬完成實驗，達到同樣的教學目的。數字化實驗教材則是以數字化多媒體為主要手段，使教材更加生動、直觀，并且充分發揮了計算機互動性的特點，促使學生能夠有效掌握化學實驗的技能與涉及的相關化學知識。

數字化實驗教學是高中化學教學的一種新型模式，它不僅滿足了傳統實驗教學的要求，也跟上了數字化時代的步伐，為學生提供了更加便捷、多樣化的實驗教學體驗，有望在未來逐漸普及和推廣。

二、數字化實驗教學的優勢

（一）提高學生的學習興趣和參與度

高中化學數字化實驗教學通過多媒體、動畫、模擬等手段，使得實驗過程更加生動形象，有助于激發學生的學習興趣。同時，學生可以通過網絡自主選擇實驗內容、實驗步驟和實驗方法，提高了高中生參與實驗的熱情。此外，學生還可以在實驗過程中隨時查看實驗結果，及時調整實驗方案，培養學生的動手能力和解決問題的能力[1]。

（二）豐富實驗資源，拓寬實驗范圍

高中化學數字化實驗教學可以利用網絡資源，為學生提供豐富的實驗資料和實驗方法。學生可以根據自己的需求，選擇合適的實驗項目進行學習。此外，數字化實驗教學還可以突破傳統實驗室的空間限制，讓學生在家中就能進行化學實驗，利于提高實驗興趣、培養實驗能力，還有助于減輕實驗室的壓力。

（三）提高實驗教學質量和效果

高中化學數字化實驗教學可以實現對實驗過程的全程記錄和回放，不但方便學生復習，還利于教師評價與指導學生進行改進。同時，教師可對實驗數據進行分析，了解學生的實驗情況，及時調整教學方法。此外，數字化實驗教學還可以實現對實驗設備的遠程監控和管理，確保實驗的安全和順利進行。因此，高中化學數字化實驗教學有助于提高實驗教學質量和效果，培養學生的綜合素質。

三、數字化實驗教學應用探究

（一）應用數字化實驗教學提升實驗趣味性

數字化實驗教學可以通過引入虛擬環境的方式，讓學生在虛擬環境中模擬和體驗真實的實驗操作過程，增加實驗的趣味性。數字化實驗教學可以采用模擬真實場景的方式，將實驗操作和實驗環境設計成真實的樣子，例如：設定實驗室、實驗器材、實驗物質等，使學生能夠更好地感受實驗的真實性和趣味性。數字化實驗教學可以融入游戲元素，例如設置任務要求和挑戰關卡，學生獲得進步后可得到分數或其他物質獎勵，提升了參與興趣。數字化實驗教學可以結合多媒體資源，例如視頻、音樂、動畫等，讓學生在實驗中享受多種感官刺激，從而提高實驗的趣味性。數字化實驗教學可以提供足夠的自主探究機會，讓學生自由選擇實驗方向和實驗內容，提高了實驗的主動性[2]。

以“金屬鈉與鹽溶液的反應”教學為例，可應用下列步驟提升實驗教學的趣味性。第一步，選擇適合的實驗軟件：可以選擇一些適合的實驗軟件，如Virtual Chemistry Lab（虛擬化學實驗室），這些軟件可以模擬實驗的過程，讓學生在電腦上進行虛擬實驗。第二步，設計實驗任務和操作步驟：通過實驗軟件的圖像、聲音和動畫等多種形式展示實驗過程，設計實驗任務等，指導學生上手操作實驗。同時，根據學生的認知特點和興趣，設計一些新穎有趣的實驗任務，如給出兩種鹽溶液，讓學生比較它們與金屬鈉的反應。第三步，引導學生思考和探究：在實驗時，可結合學生的層次設定不一樣的實驗參數與條件，以給學生創設不同難度的實驗，并讓他們通過實驗數據和結果，自主發現實驗規律和現象。第四步，鼓勵學生參與討論和分享：在實驗過程中，可以鼓勵學生積極參與討論和分享，讓他們在不同的實驗條件下進行思考和交流。同時，教師也應該針對學生的問題和困惑，進行適當的解答和指導。

通過應用數字化實驗教學的方法，可以更加生動形象地展示實驗過程，不但激發了學生的參與興趣，而且提升了實驗效率，對于“金屬鈉與鹽溶液的反應”教學來說，應用數字化實驗教學是非常有效的方法。

（二）數字化實驗教學應與傳統實驗教學相結合

高中化學數字化實驗教學和傳統實驗教學都各自有其優缺點，因此將這兩種教學方式相結合可以達到更好的學習效果。一方面，傳統實驗教學能夠使學生親身參與實驗，直觀地感受實驗過程和結果，培養學生實驗技能的同時還能提高學生的動手能力。另一方面，數字化實驗教學具備靈活多樣、安全可靠、節約成本等優勢，同時也能避免傳統實驗教學中存在的一些問題，如安全風險、時間限制等。因此，在實際教學中，可以將數字化實驗教學作為傳統實驗教學的補充或輔助，達到優勢互補，彌補各自不足的目的。比如在傳統實驗教學中，可以通過數字化實驗平臺進行預習、復習、模擬實驗等，使學生對實驗內容有更加深入的理解和認知；在數字化實驗教學中，則可以通過教材配合虛擬實驗情境，形成對實驗原理和思路更加清晰的認識。總之，數字化實驗教學和傳統實驗教學是相互聯系、相互促進的教學方式，它們相結合可以達到更加理想的教學效果，為學生提供更加真實、全面、優質的實驗體驗。傳統實驗與數字化實驗教學的結合，可以達到優勢互補的效果，彌補各自不足，提升學生的學習積極性和實踐能力[3]。

以“酸堿中和滴定實驗”教學為例，在數字化實驗教學中，可以利用數字化實驗平臺進行實驗預習，讓學生了解實驗原理、設備使用和實驗流程等信息，為后續實驗探究做好準備。學生了解了實驗的相關知識后，可進行真實實驗操作。應用數字化實驗教學引導學生在現實實驗室環境下完成實驗操作，如配制標準溶液、控制酸堿度并進行滴定反應等，讓學生感受真實的實驗過程，培養實驗技能和實踐能力。

數字化實驗教學可結合多種教學資源，例如動畫、視頻、模擬器等，提升了高中生對實驗原理的深入認知，提高了參與度，提升了實驗課的教學效率。

（三）應用數字化實驗教學引導學生自主探究

數字化實驗教學可以提供多種形式的學習資源，如視頻、圖片及虛擬化仿真模型等，讓學生在不同層次和角度上進行綜合學習，從而形成全面、豐富的知識結構。數字化實驗教學可以創設開放性的實驗環境，讓學生自由選擇實驗題目、實驗方法、數據處理方式等，通過大量實驗操作和分析來獲取實驗結果。數字化實驗教學可以引導學生獨立設計實驗方案，讓學生根據學科知識與實際應用需求，設計真實可行的實驗方案，并完成實驗驗證。數字化實驗教學可以通過引導學生以問題為導向的方式，使學生在實驗中發現問題，經過探究和實驗得出解決問題的方案。這種方式可以提高學生的啟發式思維和問題解決能力。總之，高中數字化實驗教學可以通過引導學生自主探究來促進學生的主體性和創造性，培養學生的自我學習、自我評價和自我改進能力。這種教學方式促進了學生對化學知識的深入理解，培養學生的創新思維和實踐技能，使學生在以后的學習和工作中具備更加優秀的素質和能力[4]。

以“碳酸鈉溶液中滴入鹽酸的反應”教學為例，在進行數字化實驗教學時，第一步，可以提供多種形式的學習資源，包括文字、圖片、視頻等，讓學生綜合學習，了解碳酸鈉溶液中滴入鹽酸的反應原理和過程，為后續實驗探究做好準備。第二步，為學生創設開放性的實驗環境，如可用數字化技術呈現真實的實驗環境，例如實驗室、實驗器材、實驗物質等，讓學生充分感受實驗的真實性和趣味性。同時，可以讓學生自由選擇實驗題目，根據自己的興趣和需求來完成實驗操作，培養學生的觀察力和實驗能力。第三步，引導學生設計實驗方案。在數字化實驗教學中，可以引導學生獨立設計實驗方案，讓學生根據學科知識與實際應用需求，設計真實可行的實驗方案，并完成實驗驗證。這種方式可以更好地培養學生的創新能力和實踐能力。第四步，以問題為導向。數字化實驗教學可以通過引導學生以問題為導向，讓學生在實驗中發現問題，經過探究和實驗得出解決問題的方案。例如：在碳酸鈉溶液中滴入鹽酸的反應中，可以引導學生探究不同濃度的鹽酸對反應產物的影響，提高學生的問題解決能力[5]。

應用數字化實驗教學引導學生自主探究，可以提高學生對化學實驗課的參與度，提高學生的學習成果和實踐能力。在碳酸鈉溶液中滴入鹽酸的反應教學中，可以采用開放性實驗環境、引導學生設計實驗方案、以問題為導向等方法，讓學生深入探究反應原理和實驗流程，從而提升學生的實驗技能和創新能力。

（四）可應用數字化實驗教學促進學生對化學知識的掌握

數字化實驗教學可以促進學生對化學知識的掌握。通過利用數字化技術，如數據采集、分析和可視化等，數字化實驗教學能夠提供實時、準確的實驗數據，幫助學生更好地理解化學反應和實驗原理，并提高實驗技能和數據分析能力。同時，數字化實驗還可以提供實驗過程的實時監控和反饋，幫助學生及時發現和解決問題，從而加深對化學知識的理解和掌握。最重要的是，數字化實驗可以利用虛擬實驗平臺等手段，讓學生在安全的環境中進行實驗操作，避免了實際操作中的風險和危害，使學生更加放心地進行實驗探索。因此，數字化實驗教學可以促進學生對化學知識的掌握，提高實驗技能和科學素養，并為學生提供更加安全、便捷的實驗學習環境。

例如：在“簡單的電鍍實驗”教學中，數字化實驗教學可以通過虛擬實驗平臺展示不同材料之間的電化學反應過程，以及電流密度、時間等因素對電鍍效果的影響。學生可以通過觀察實時生成的圖表和曲線來了解實驗過程中的變化趨勢，并根據實驗數據進行分析和探究。此外，數字化實驗教學還可以利用數據采集、分析和可視化等技術，幫助學生更好地理解和掌握實驗原理和操作技能。

四、高中化學數字化實驗教學的未來展望

（一）增強實驗效率和準確性

隨著科技的不斷發展，數字化實驗技術將會不斷改進和完善。未來，數字化實驗平臺可能會采用更先進的傳感器和數據分析算法，提高實驗效率和準確性。例如：通過使用更精確的傳感器，可以實時監測化學反應的動態變化，獲取更加細致的實驗數據。同時，先進的數據分析算法可以幫助教師自動批改實驗報告，減輕教師的工作負擔。

（二）拓展實驗內容和形式

未來，數字化實驗技術將會進一步拓展實驗內容和形式。例如：通過虛擬實驗平臺，學生可以在計算機上模擬真實的化學實驗，進行危險性較大或實驗條件難以滿足的實驗。此外，未來數字化實驗還可能會引入更多跨學科的內容，如生物、環境等，促進學科之間的交叉融合。

（三）促進學生自主學習和合作探究

數字化實驗技術可以為學生提供更加自主、合作的學習環境。例如：學生可以通過數字化實驗平臺進行小組討論和合作，共同完成復雜的化學實驗。同時，數字化實驗還可以為學生提供更加豐富的學習資源，如在線教程、實驗視頻等，幫助學生更好地掌握化學知識。

（四）更加智能的實驗設備

未來的數字化實驗設備將會更加智能化，具備更先進的技術和更高的效率。例如：實驗設備可能會采用更加精確的傳感器和智能分析算法，實現自動數據采集和實驗過程的實時監控。同時，未來的實驗設備還可能具備更加智能的故障診斷和預防功能，提高實驗的可靠性和安全性。

結束語

綜上所述，高中化學數字化實驗教學是一種創新的教學方式，具有許多優點。數字化實驗教學與傳統實驗教學相結合，可以達到優勢互補的效果，彌補各自不足，提升學生的學習積極性和實踐能力。同時，在數字化實驗教學的過程中，需要注重學生技術水平、真實性、互動性、實驗安全和學科整合等問題。只有在解決這些問題的基礎上，才能讓數字化實驗教學更好地發揮其教育功能，提高學生的學習成果和素質水平，為未來的發展打下堅實的基礎。

參考文獻

[1]曾永裕.數字化實驗在高中化學教學中的應用研究[J].中學教學參考，2023（6）：40-42.

[2]王曼兒，陳菲菲，郭大俊.高中化學主題式實驗活動課的實踐探索：以“應用數字化實驗模擬工業除鐵”為例[J].化學教與學，2022（24）：17-21.

[3]李琳.數字化實驗在城鄉結合地區高中化學教學中的合理應用：人教版選修4“強弱電解質”教學案例[J].化學教與學，2014（8）：82-84，64.

[4]薛春慧.指向高中生化學學科核心素養的數字化實驗教學應用研究：以新教材化學必修2“化學反應與熱能”為例[J].化學教與學，2021（14）：81-84.

[5]郝升華.基于數字化實驗與傳統實驗相結合的化學概念教學：以“離子反應及其發生條件”為例[J].安徽教育科研，2021（20）：71-72，3.