數字化實驗轉化為情境試題的策略與教學價值

佘平平 周業虹

摘要： 為充分發揮信息技術和情境試題的教學優勢，促進學生深度學習，教師有必要分析數字化實驗情境試題的特點，總結并運用將數字化實驗轉化為情境試題的具體策略，發揮數字化實驗情境試題的教學價值。電解法測定阿伏伽德羅常數的實踐證明，數字化實驗情境試題的設計與應用不僅有助于糾偏，避免教師步入誤區，而且能突破教學難點，有效提高學生在信息整合、定量分析和概括表達等方面的高階思維能力。

關鍵詞：化學；數字化實驗；情境試題；教學價值

在現代教育實踐中，數字化實驗已成為重要的教學手段，它既具備跟傳統實驗類似的真實性和可操作性，又可為學生提供充足可靠的實驗數據及便利的實驗分析工具，還極大彌補了傳統實驗的不足，為學生拓展了實踐領域。情境試題是一種依托現實生活與科學情境，且緊密融合理論知識與實際問題的考試形式。教師設計情境試題旨在評估學生在特定情境中運用知識解決實際問題的能力，強調知識的實際與綜合運用。教師用情境試題進行測試能有效激發學生的學習熱情，提升其分析和解決問題的能力，進而培養其創新精神和實踐能力。目前，情境試題已逐步成為各類考試的重要組成部分。筆者將以電解法測定阿伏伽德羅常數為例，闡述將數字化實驗轉化為情境試題的具體實施策略和數字化實驗情境試題的教學價值。

一、數字化實驗情境試題的特點

數字化實驗情境試題^[1，2]充分展現了實踐性與應用性特點。此類試題以實際實驗為背景，要求學生在掌握基本知識的基礎上，運用所學知識解決實際問題，從而培養其問題解決能力和實踐能力。同時，數字化實驗情境試題涉及多個知識領域，鼓勵學生在分析問題時綜合運用所學知識，以提升知識整合能力并培養創新精神。教師借助計算機技術、網絡技術和電子儀器等設備，命制數字化實驗情境試題將實驗過程進行數字化呈現，使得實驗現象更加直觀，有助于學生理解和掌握實驗原理。此外，此類試題具有很強的靈活性和適應性，教師可根據學生的學習進度和能力水平進行調整（修改和更新），以滿足多樣化的教學需求。教師用數字化實驗情境試題能全面評價學生的知識水平、應用能力和創新精神。

二、將數字化實驗轉化為情境試題的策略

如何將數字化實驗轉化為情境試題？教師需深入理解實驗內涵，結合實際情境設計問題，并考慮試題難度與梯度。這種試題的設計與應用有助于教師更好地評估學生知識應用能力與問題解決能力，并在真實情境中促進學生運用所學知識解決問題。筆者以電解法測定阿伏伽德羅常數為例，闡述將數字化實驗轉化為情境試題的策略。

（一）明確實驗目標與要求

在將數字化實驗轉化為情境試題過程中，教師應明確實驗目標與要求。首先，需科學設置實驗目標，如提高學生信息整合、定量分析和概括表達能力。其次，根據目標確定實驗要求，如要求學生完成特定實驗操作、收集分析數據或解決特定情境問題。以測定阿伏伽德羅常數實驗為例，教師將提高學生定量分析能力定為目標，要求學生借助數字化實驗儀器采集數據，利用軟件進行分析，并基于分析結果解決相關化學問題。

（二）選擇合適的數字化實驗儀器

在將數字化實驗轉化為情境試題的過程中，選擇合適的數字化實驗儀器與軟件至關重要。例如，在阿伏伽德羅常數測定實驗中，選用的數字化實驗儀器應滿足建立宏觀與微觀聯系的需求。如果使用電化學方法，則需要實現宏觀電量與微觀電子數之間的轉換。可行的做法是選用電流傳感器或電壓傳感器結合恒定電阻，再結合電解池或原電池實驗來完成阿伏伽德羅常數的測定。

（三）設計合理的數字化實驗內容并采集數據^[3]

針對電解法測定阿伏伽德羅常數，如何設計合理的數字化實驗呢？

1.設計測量電量的方案

在電路中串聯一個恒定0.18 Ω的電阻，利用數據采集器結合電壓傳感器測量電解過程中此電阻的電壓隨時間變化量，系統自動對時間積分（電壓單位是V，時間單位是s），積分值除以0.18 Ω可得到反應過程的電量。

2.利用電鍍銅實驗結合電壓傳感器測定阿伏伽德羅常數

用兩塊已知質量的銅片分別作為陰極和陽極，以銅氨溶液作電解液進行電解，在陰極上銅氨溶液電離的Cu²⁺獲得電子后析出金屬銅，使得陰極質量增加；在陽極上等量的金屬銅溶解進入溶液，陽極質量減少。由于銅電極通常有雜質，人們一般用陰極增重的方式計量反應的量。陰極的電極反應式為［Cu（NH₃）₄］²⁺+2e^-=Cu+ 4NH₃，陰極質量的增量和轉移的電子數存在定量關系。教師測定陰極增加的質量和電路的電量［1個電子的電量（1.6×10^-19C）］，建立宏觀和微觀的關系，計算阿伏伽德羅常數。

3.對實驗結果進行數據分析

以銅作為電極用10 V電壓電解銅氨溶液40分鐘，填寫實驗測量數據（見表1）。

計算結果如下（見表2）。

（四）將“電解法測定阿伏伽德羅常數的數字化實驗”轉化為情境試題

根據電解法測定阿伏伽德羅常數的數字化實驗結果，教師設計了以下8道情境試題，用來評估學生對實驗的理解與應用能力。這些試題要求學生熟練掌握實驗的原理，并能夠在實際操作中運用所學知識解決實際問題。①請描述電解實驗中離子的運動方向并寫出電極反應方程式。命制此題旨在檢驗學生對電解池工作原理的理解程度。②請正確連接各儀器完成實驗。此題要求學生將理論與實踐相結合，基于實際操作檢驗對實驗原理的掌握程度。③如果陰極產生的銅不致密，對實驗會產生什么影響？如何讓陰極產生的銅更加致密？命制此題旨在讓學生基于實踐操作理解致密銅的重要性，以減少誤差。④如何減小測量陰極析出銅質量的誤差？此題要求學生從實驗操作的角度出發，思考減小誤差的方法。⑤請描述電解法測定阿伏伽德羅常數的實驗原理。命制此題旨在檢驗學生對實驗原理的掌握程度，并鍛煉學生的信息整合與概括表達能力。⑥請列出計算阿伏伽德羅常數的表達式。此題在問題五的基礎上，增加了定量分析的要求，旨在提高學生的高階思維能力。⑦根據實驗原理，思考實驗過程中需要測量哪些量？此題是第五個問題和第六個問題的反向設問，旨在評估學生對實驗過程的理解程度，進一步鍛煉學生的高階思維能力。⑧請利用相關數據計算阿伏伽德羅常數。此題要求學生理解原理，整合信息，進行定量計算，并注意物理量的量綱。此題可以檢驗學生對實驗原理與操作的全面掌握程度。

教師合理設計情境試題，能夠有效評估學生對電解法測定阿伏伽德羅常數實驗的理解與應用能力。同時，這些試題也具有一定的趣味性和挑戰性，能夠激發學生的學習熱情，提高其實驗技能與理論知識水平。教師可根據實際情況調整試題難度與數量，以滿足不同層次學生的需求。

三、數字化實驗情境試題的教學價值

（一）利用數字化實驗情境試題糾正教學偏誤

中學化學教學內容是有限的，存在一定局限性，不少師生對一些問題存在認識偏差。數字化實驗可以幫助教師糾正教學偏誤。遺憾的是數字化實驗的普及程度不高，而數字化實驗情境試題能彌補這一遺憾。例如，硫酸銅溶液水解顯酸性，醋酸鈉溶液水解顯堿性。過去，討論正鹽溶液的pH，人們只關注水解的影響。溫度升高促進鹽的水解——人們認為硫酸銅溶液pH隨溫度升高而降低，醋酸鈉溶液的pH隨溫度升高而升高。然而，北京高考2019年第12題的實驗結果揭示了背后更深層次的原因。該實驗中，測定了醋酸鈉溶液、硫酸銅溶液和水的pH，讓學生觀察其隨溫度變化的曲線。觀察的結果令人驚訝——硫酸銅溶液和醋酸鈉溶液的pH均隨著溫度的升高而降低。造成這一結果的原因在于，過去師生分析鹽溶液的pH時，忽略了水的電離程度這一重要因素。事實上，隨著溫度升高，水的電離程度也會隨之增大，水電離產生的氫離子和氫氧根離子濃度會增大，從而影響溶液pH。分析這類情境試題，可以更深入地理解溫度、水的電離程度與鹽類水解程度跟溶液pH的關系。這也提醒師生在分析問題時，要全面考慮各種因素，透過現象洞悉本質，并為今后的研究和實踐提供更為可靠的依據。

（二）借助數字化實驗情境試題突破教學難點

學生對于化學教學中諸多迷思概念容易混淆，根本原因在于不理解其本質。電離方程式的書寫就是其中之一。許多學生在書寫電離方程式時，往往錯誤地加上“通電”條件。這種錯誤的認識源于他們對電離過程的理解不深，實際上，電離過程并不需要通電。2019年人教版化學教材對電解質給出了定義：在水溶液里或熔融狀態下能夠導電的化合物被稱為電解質。這一定義從導電性的角度明確了電解質的特性。該解釋并未揭示電解質在水中離解的本質。為了進一步闡述電離過程的自發性，教師可以借鑒化學史上的研究成果，并利用不銹鋼寬范圍溫度傳感器和電導率傳感器，測量溶液的沸點和電導率相對于純水的變化^[4]。根據溶液的依數性，師生可以測量溶液沸點升高的數值，反推出溶液中分散微粒的質量摩爾濃度。這樣一來，師生就可以從溶質在溶液中微粒數量改變情況出發，討論溶質在溶液中的電離行為。在測量沸點的實驗過程中，教師僅對體系加熱而未通電。這一實驗現象為解釋電離過程的自發性提供了有力證據。實驗結果表明，電離是電解質在溶液中受水分子的作用而自發地解離，這一過程并不需要通電。教師解釋電離本質讓學生清晰地理解溶液中電解質電離的原因。數字化傳感器在當前并不是所有學校都具備，稀溶液的依數性也不是所有教師熟知。如果能將這一數字化實驗轉化成情境試題，學生在做題過程中，就會從微觀角度理解電解質導電本質。情境試題可以幫助突破電離的教學難點，加深學生對化學知識的理解和掌握程度。

（三）數字化實驗情境試題助力學生高階思維培養

1.助力學生信息整合能力提升

教師以真實且具體的問題情境為載體命制數字化實驗情境試題，旨在協助學生將抽象的知識與實際應用結合起來，進而更好地理解和掌握相關知識。此類試題要求學生具有扎實的知識功底和一定的信息整合能力，從復雜的情境中提煉關鍵信息，并利用所學知識解決問題。在作答阿伏伽德羅常數測定的數字化實驗情境試題過程中，學生需利用實驗數據，運用圖像解析、數據處理等方法，整合相關信息并得出結論。這不僅鍛煉了學生的實驗技能，而且提升了他們的信息整合能力。教師可在試題中融入更多實際情境，如工業生產、日常生活等，讓學生面對更為復雜的問題。

2.促進學生定量分析能力提升

教師設計數字化實驗情境試題，基于真實、生動的實驗情境，引導學生深入探究問題，讓他們在解決問題的過程中提升定量分析能力。實驗數據以圖表、圖像等形式呈現，便于學生觀察、分析和解讀數據，挖掘其中的規律和趨勢。例如，在阿伏伽德羅常數測定的數字化實驗中，學生可以對實驗數據進行分析，理解陰極質量變化和電子數目之間的定量關系，建立宏觀和微觀的聯系。在這一分析過程中，學生綜合運用數學、物理、化學知識對數據進行處理、建模和解釋，從而提升了定量分析能力。

3.助力學生概括表達能力提升

教師命制數字化實驗情境試題，設置真實、生動的問題情境，引導學生深入探究問題背后的科學原理，從而提升學生的概括表達能力。這種概括表達能力包括對實驗原理的解釋和總結能力，對實驗數據的分析和處理能力，以及對實驗結果的推理和表達能力。在數字化實驗情境試題的解答過程中，學生需從實驗數據中提取關鍵信息，運用科學方法進行分析，并在此基礎上科學地解釋實驗結果。這不僅鍛煉了學生的邏輯思維和推理能力，而且有助于培養他們解決問題的能力和創新思維能力。為更好地發揮數字化實驗情境試題在提升學生概括表達能力方面的作用，教師在試題設計時應注意以下幾點：首先，選擇具有代表性的實驗，確保實驗結果具有普遍性和科學性；其次，設置具有啟發性和探究性的問題，引導學生深入思考和探究實驗背后的科學原理；最后，提供豐富的數據和信息，讓學生在分析和處理數據過程中提升定量分析和概括表達能力。

總之，數字化實驗情境試題在助力學生信息整合、定量分析、概括表達等高階思維培養方面有重要的教學價值。教師科學設計情境試題，可引導學生深入探究問題背后的科學原理，培養他們的邏輯思維和推理能力，提高他們的創造力和解決問題的能力。這將為學生未來的學習和工作奠定堅實基礎。

注：本文系北京市教育學會“十四五”教育科研2022年度課題“中學學科實施課程思政的研究”（課題編號：WLJX2022-002）、北京市新時代中小學名師發展工程（首都師范大學基地）、北京市東城區優秀人才培養資助項目（編號：2023-dchrcpyzz-23）的研究成果。

參考文獻

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[2] 吳鍶敏，錢揚義，溫金菊，等.手持技術數字化實驗情境試題特征分析：2013—2022年全國中考化學試題[J].化學教育（中英文），2023（23）：6-13.

[3] 王春.基于手持技術的阿伏伽德羅常數測定[J].化學教育（中英文），2019（23）：77-79.

[4] 佘平平，劉然.運用數字化實驗促進學生理解電離過程的自發性[J].中小學數字化教學，2021（8）：25-28.

（作者佘平平系北京市第二中學高級教師；周業虹系人民教育出版社編審，中國教育學會化學教學專業委員會秘書長）

責任編輯：祝元志