以實(shí)驗(yàn)為載體的微觀思維可視化的探究

一、問題提出

化學(xué)是一門研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以實(shí)驗(yàn)為載體的基礎(chǔ)自然科學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在化學(xué)教學(xué)中起著舉足輕重的作用，它能夠很好地激發(fā)學(xué)生的求知欲，促進(jìn)學(xué)生掌握知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，增強(qiáng)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的學(xué)科素養(yǎng)。但是，傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于時(shí)間關(guān)系和實(shí)驗(yàn)條件的落后，往往只能先給出已有的定理、結(jié)論，然后安排實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。

新課標(biāo)提倡全面發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，使學(xué)生深入地學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的有關(guān)理論、方法和技能，進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。手持技術(shù)，又稱數(shù)字化實(shí)驗(yàn)（DIS），是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和配套軟件組成的定量采集數(shù)據(jù)并能與計(jì)算機(jī)連接的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)。將手持技術(shù)引入課堂，將知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過程真實(shí)地展現(xiàn)在學(xué)生面前，還原科學(xué)實(shí)驗(yàn)的本來面目，使學(xué)生微觀思維可視化，并從中體會(huì)到“做科學(xué)”的樂趣，有利于提高學(xué)生獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)問題的能力。

二、探究過程

（一）前期準(zhǔn)備

學(xué)校于2020年配備了高中化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，為高中化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的系統(tǒng)探索提供了技術(shù)平臺(tái)保障，為探索數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景和建立高中化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系提供了可能。通過觀察、訪談、問卷調(diào)查等方法，了解教師和學(xué)生對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的看法、設(shè)想與需求，對(duì)目前師生的總體信息化水平及數(shù)字技術(shù)使用的能力做出大致的評(píng)估，了解在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和信息技術(shù)使用中存在的普遍性問題。運(yùn)用文獻(xiàn)研究法，收集與“結(jié)構(gòu)教學(xué)法”相關(guān)的理論資料和當(dāng)前的探究現(xiàn)狀，制定出基于手持技術(shù)在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用的探究內(nèi)容和探究策略。

探究內(nèi)容

探究策略運(yùn)用案例探究法，教師根據(jù)課程目標(biāo)、學(xué)情，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探究課并進(jìn)行分析，寫出高中階段系列化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例。通過案例探究尋找和積累經(jīng)驗(yàn)，提出具有典型性的范例。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器有許多優(yōu)于傳統(tǒng)儀器的地方，如傳感器，它比傳統(tǒng)測量工具更準(zhǔn)確、迅捷、直觀；再如溫度傳感器，它可將測得的溫度數(shù)據(jù)直接呈現(xiàn)在電腦的表格里，還可以同步顯示坐標(biāo)曲線。

（二）案例探究

根據(jù)課程內(nèi)容，將手持技術(shù)應(yīng)用于各種類型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)（課堂演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、邊學(xué)邊實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)驗(yàn)）中。例如，“影響化學(xué)平衡移動(dòng)因素的探究”，酸、堿、鹽的溶解過程和溶液的pH變化，弱電解質(zhì)的稀釋過程與電離程度和離子濃度的大小變化等。因?yàn)榻柚耸殖旨夹g(shù)強(qiáng)大的函數(shù)圖象處理功能，所以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果的輸出多數(shù)以函數(shù)圖象或數(shù)字表格的形式輸出，學(xué)生可以清晰、直觀地看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而將教學(xué)重難點(diǎn)各個(gè)擊破，使那些晦澀難懂的概念和原理變得容易，實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)可以快速地突破教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

★案例一：“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”中壓強(qiáng)對(duì)平衡移動(dòng)的影響

1.設(shè)計(jì)背景

選擇人教版（2019）第二章“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”第二節(jié)“化學(xué)平衡”。對(duì)“在其他條件不變的情況下增加壓強(qiáng)，平衡向氣體體積縮小的方向移動(dòng)，降低壓強(qiáng)，平衡向氣體體積變大的方向移動(dòng)”這一結(jié)論的理解存在困難。解決的方法可以有多種，但我們是以反應(yīng)“2NO2（紅棕色）？葑N2O4（無色）”為例建立“宏微結(jié)合”的架構(gòu)模型，通過增減壓強(qiáng)，觀察容器中混合氣體顏色的變化來建立起平衡向生成氣體較小或較多方向移動(dòng)的微觀感知。

2.設(shè)計(jì)思路

利用色度傳感器分別測量不同壓強(qiáng)下反應(yīng)顏色變化，使透光率升高或降低的現(xiàn)象，反映壓強(qiáng)對(duì)平衡移動(dòng)的影響。

【儀器與藥品】

計(jì)算機(jī)（PC），蘇威爾牌（Swr）數(shù)據(jù)采集器以及色度傳感器，二氧化碳?xì)怏w。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

★案例二：用微電流傳感器探究冰醋酸稀釋過程中的電離情況

1.設(shè)計(jì)背景

純凈的冰醋酸不電離，隨著加水稀釋，電離程度增大，當(dāng)稀釋達(dá)到一定程度時(shí)，再加水稀釋，雖電離程度增大，但導(dǎo)電能力卻呈減弱趨勢，直至導(dǎo)電能力降到某一數(shù)值而不再發(fā)生明顯的變化。對(duì)于諸如醋酸這樣的弱電解質(zhì)電離，理論表述其電離過程溶液中離子濃度的變化，一直缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。

2.設(shè)計(jì)思路

利用微電流傳感器，可以探究冰醋酸稀釋過程中弱電解質(zhì)的電離情況和變化規(guī)律。

【儀器與藥品】

計(jì)算機(jī)（PC），蘇威爾牌（Swr）數(shù)據(jù)采集器以及電導(dǎo)率傳感器，磁力加熱攪拌器，石墨碳棒，導(dǎo)線、滴數(shù)計(jì)、水槽等，冰醋酸、蒸餾水。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將兩支石墨碳棒固定后平行插入盛有20 mL冰醋酸的大燒杯中，插入兩支石墨碳棒，將電極與電導(dǎo)率傳感器相連（注意微電流傳感器的正負(fù)極），在燒杯中再插入分液漏斗（下端伸入燒杯中下部）或滴數(shù)計(jì)，加入攪拌磁子。

（2）開啟磁力加熱攪拌器均勻攪拌，采集室溫下“電導(dǎo)率—時(shí)間”數(shù)據(jù)；待“電導(dǎo)率”的示值穩(wěn)定后開始用分液漏斗或滴數(shù)計(jì)加水（均勻滴加）稀釋冰醋酸，繼續(xù)采集“電導(dǎo)率—時(shí)間”數(shù)據(jù)直至“微電流”的示值不再升高并出現(xiàn)下降為止。

（注意：本實(shí)驗(yàn)對(duì)搭建的裝置、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線等要拍照、截屏將數(shù)據(jù)保存。）

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論：從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，冰醋酸開始時(shí)電導(dǎo)率為0，因?yàn)榉肿討B(tài)的冰醋酸沒有離子；當(dāng)加水時(shí)，冰醋酸逐漸電離，溶液中離子濃度從無到有、從小到大，所以電導(dǎo)率逐漸增大，當(dāng)達(dá)到最大時(shí)，再加水稀釋，電離程度仍然增大，但由于水量的增多，溶液中離子的濃度逐漸變小，導(dǎo)致電導(dǎo)率逐漸下降，如果無限稀釋，溶液的導(dǎo)電能力趨近于純水的導(dǎo)電能力，電導(dǎo)率會(huì)小到與純水的電導(dǎo)率相近，接近0，而這一過程從以下電導(dǎo)率圖可以得到很好的解釋。

說明：（1）由于時(shí)間的關(guān)系，加之如果無限稀釋，可能會(huì)加太多的水，所以我們選擇加有限量的水；待出現(xiàn)最大值后，再加一定量的水，使其電導(dǎo)率出現(xiàn)下降趨勢，就能說明問題。

（2）在1200秒之前的一段時(shí)間內(nèi)，由于更換容器，出現(xiàn)一小段時(shí)間無數(shù)據(jù)可以采集，所以出現(xiàn)圖5中有一小段“缺口”，但更換完容器后，繼續(xù)加水，圖示的變化趨勢依然能夠吻合。

三、探究反思

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是教育技術(shù)發(fā)展的最新成果，從根本上改變了以前幾十年不變的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，為教學(xué)改革的創(chuàng)新提供了舞臺(tái)，促進(jìn)常規(guī)教學(xué)的創(chuàng)新、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和科學(xué)探究的深入，也是時(shí)代發(fā)展的需要。但是高中階段數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展還存在不少困難和局限。

1.信息化技術(shù)更新速度快，探究成果時(shí)效性短

近幾年的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件和軟件更新非常快，已經(jīng)出現(xiàn)無線傳輸數(shù)據(jù)技術(shù)和Pad配套的電子教室，且各種傳感器也集成一體，為實(shí)驗(yàn)的操作和課堂的教學(xué)手段提供了新的可能，相較而言，我校的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室比較陳舊，目前探究成果可以期待以后繼續(xù)跟進(jìn)更新。

2.受升學(xué)壓力的影響，學(xué)習(xí)交流和深化的機(jī)會(huì)少

盡管配備數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的高中學(xué)校越來越多，但是真正能把數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室用起來的還是很少，大多數(shù)學(xué)校依舊停留在用來參觀擺設(shè)。在高考的各種壓力下，教師沒有足夠的精力和積極性進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究，學(xué)生也沒有機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)踐和探索。

3.缺乏上級(jí)部門政策的指導(dǎo)和支持，目前推廣和應(yīng)用尚未大規(guī)模展開

盡管數(shù)字化的傳感技術(shù)走入我們的生活、學(xué)習(xí)、社會(huì)是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢，但目前來看，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)能真正走入課堂還需要省、市、區(qū)等各級(jí)教育部門的系統(tǒng)支持和指導(dǎo)，把傳感技術(shù)的內(nèi)容融入教材，讓學(xué)生走在時(shí)代的前沿，市、區(qū)教研能進(jìn)行推廣和宣傳才能更好地發(fā)揮作用。

（作者單位：江蘇省南京市第九中學(xué)）

編輯：溫雪蓮

作者簡介：韓麗麗（1982—），女，漢族，江蘇泰州人，研究生，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)踐研究。