數字化實驗設計在初中化學教學中的應用

摘要：在信息技術與學科教學深度融合的背景下，數字化實驗已成為學習化學和理解化學的工具，它可以為教學活動提供支持，還可以創造出圖文并茂、人機交互、即時反饋的學習環境，這對促進初中化學實驗教學的改進和優化、促進學生學科核心素養的發展有著重要意義.基于此，教育工作者應順應時代發展趨勢，積極引入數字化實驗，并立足學生學科核心素養發展，從塑造化學觀念、鍛煉科學思維、引導探究實踐、養成科學態度等角度加強設計，凸顯數字化實驗的教學優勢，以提升初中化學數字化實驗教學質量.

關鍵詞：數字化實驗；教學設計；應用策略；初中化學

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2024）20-0116-03

收稿日期：2024-04-15

作者簡介：尹爭艷（1982.10—），女，安徽省宿州人，本科，中學一級教師，從事初中化學教學研究.

數字化實驗是指廣泛應用數字信息系統，由“傳感器+數據采集器+計算機（含配套使用的通用和專用軟件）”構成，可定量采集數據并以圖表形式清晰呈現出來的一種現代化的新型實驗技術手段.新修訂的《義務教育化學課程標準（2022年版）》立足學科核心素養培養，從多方面提出了引入數字化實驗的要求，如在“科學探究與化學實驗-學習活動建議”中提出要“應用數字化實驗等手段探究不同環境中的空氣質量，調查并分析當地近年來空氣質量變化的原因”；在“物質的化學變化－學習活動建議”中提出要“結合實驗說明質量守恒定律，使用傳感器等多種技術手段表征化學反應中的物質變化”等.這些內容為初中化學數字化教學設計與實施提供了理論支持和實踐指導.因此，教育工作者應充分利用數字化教學資源，積極引入并合理設計數字化實驗方案，從而引導學生深度學習，促進其學科核心素養的全面發展.

1利用數字化實驗，塑造化學觀念

化學是一門深入探索物質在分子、原子層面構成、結構、性質及其變化規律的學科.該學科特有的思維方式在于將宏觀與微觀現象相互關聯，這亦是化學與其他學科的主要區別.學生在接受中學化學教育的過程中，不僅要掌握化學知識本身，更要通過這一過程形成正確的化學觀念，并培養一種理解，世界、解析世界的基本思維方式和科學方法.然而化學觀念的塑造是一個長期的過程，且有些化學知識過于抽象，難以通過感官直接獲取，這必然會對學生的觀念塑造帶來阻礙.針對此，教師可以通過數字化實驗的設計直觀呈現化學反應中的變化與平衡，進而樹立正確的化學觀念[1].

例如，人教版九年級化學教材中的溶解性表明確指出碳酸鈣不溶于水.在閱讀表格時學生可能會形成碳酸鈣等物質在水中完全不溶的固定觀念.然而，物質的溶解性并非絕對，而是存在溶解度大小的差異.這種差異與每種物質的沉淀溶解平衡密切相關.無論是溶解度還是沉淀溶解平衡，都體現了一種動態平衡的觀念，這種觀念是化學學習的重要基礎.如果學生在初中階段未能建立正確的初始概念，那么在后續的學習中可能會遇到認知沖突，從而形成學習難點.針對這一問題，教師則利用數字化工具設計化學實驗，促使學生觀看碳酸鈣微溶于水的過程，以此引導他們建立科學的溶解觀念，進而更好地理解和掌握化學知識.

該實驗的原理是“碳酸鈣溶于水之后，電離出的碳酸根水解，會使溶液變為堿性”，所用到的實驗用品包括數字化實驗儀器（數據采集器、pH傳感器、磁力攪拌器）、藥品（蒸餾水、酚酞、碳酸鈣粉末）、容器和工具（燒杯、藥匙、滴管等）.在準備完畢后按照以下步驟進行演示實驗：取200 mL蒸餾水，注入250 mL的燒杯中，置于磁力攪拌器上；搭建實驗裝置，將pH傳感器放在燒杯中；將pH傳感器、攪拌器連接至數據采集器，再將數據采集器連接至電腦；打開專業軟件，點擊采集按鈕，開始采集蒸餾水的pH數據；待數據穩定后，向燒杯里加一藥匙碳酸鈣粉末，并同時打開攪拌器，速度調節至最大，觀察碳酸鈣粉末擴散過程以及溶液變化；觀察pH曲線變化；待數據穩定后，停止采集，并保存實驗文件；往燒杯中滴入酚酞，觀察溶液的變化.通過嚴謹的實驗步驟，獲取了表格數據，通過觀察數據可以發現隨著加入碳酸鈣粉末，溶液的pH在逐漸上升直至平穩.由此可以判斷，蒸餾水在加入碳酸鈣粉末后pH不斷升高，呈堿性；酚酞滴入后的溶液呈紫紅色，可以判斷溶液為堿性.這是因為碳酸鈣溶于水電離生成碳酸根，碳酸根水解使溶液呈堿性.所以由此推斷，碳酸鈣是可以溶于水的.

2結合數字化實驗，提升科學思維

化學實驗是培養學生科學思維能力的有效途徑.通過親身參與實驗，學生能夠了解物質變化的規律，加深對科學知識的理解；能夠通過分析實驗數據，找出實驗結果的規律，理解化學反應的原理，并鍛煉抽象思維和證據推理能力；能夠運用所學知識分析問題的原因，提出解決方案，實現創新思維的發展.然而在初中階段，部分實驗的開展效果并不理想，學生往往是在教師的要求和教材的引導下得出結論，因而失去了自主思考的過程，導致科學思維的發展不夠充分.針對此，教師可以引入數字化實驗，以更加直觀的畫面、更加精準的數據引發思考，促使學生的思維潛能得到啟發，也能夠以更加理性的視角看待化學實驗[2].

例如，“空氣中氧氣體積分數的測定實驗”是人教版九年級化學上冊第三單元“我們周圍的空氣”中的重要內容.傳統的測定方法是利用紅磷燃燒消耗密閉容器內空氣中的氧氣，使密閉容器內壓強減小，待氧氣耗盡并冷卻到室溫后，水在大氣壓的作用下進入容器，進入容器內水的體積即為減少的氧氣的體積.這一實驗十分經典，但是由于客觀條件的限制，部分學生無法直觀感受實驗過程，且對于實驗結果的得出也缺乏必要的思考環節.針對此，教師在傳統實驗的基礎上引入壓強傳感器，實時記錄密閉容器內的壓強隨時間的變化曲線，引導學生根據數據理性思考、深入剖析，進而得出更加客觀、準確的實驗結論.

具體來看，此次數字化實驗主要通過以下環節展開：（1）情境引入.對于氣壓變化問題，學生的認知停留在感性、零散、模糊的層次上.由于氣壓知識的缺失，雖然學習了關于微粒的知識，因為沒有與化學變化建立關聯，不能從實驗中剖析出化學實驗的基本思想.所以教師在課堂開始階段圍繞學科核心素養和基本要求，確定了運用微粒圖像模型分析實驗為核心內容.（2）利用數據采集器、氣體壓強傳感器等數字化工具優化實驗.在實驗中，通過壓強曲線和數據發現，當注射器中的空氣注入試管，或者當給試管中氣體加熱時，壓強迅速增大.在分析的過程中，利用數字化壓強傳感器幫助學生迅速獲得該知識工具，并從宏觀角度解決難以分析的問題，深入思考化學現象背后的科學原理.（3）共同建模，解決問題.為解決氣體看不見的難題，引導學生先從微觀角度去思考，利用微粒圖像模型將不可見變為可見.而在構建微粒圖像模型的過程中，則按照“構建模型——學習模型——運用模型”這一過程層層推進，促使學生經歷從具體到抽象的過程，嘗試分析宏觀現象背后的微觀本質，進而實現抽象思維、證據推理思維、發散思維的綜合發展.

3通過數字化實驗，引導探究實踐

數字化實驗將傳統實驗與現代科技相結合，不僅提高了實驗的精度和效率，還為學生提供了更多參與和互動的機會.通過數字化實驗，學生參與化學實驗探究的過程會變得更為直觀、生動和有趣.因此，在初中化學實驗教學中，教師應基于學生“科學探究”這一核心素養發展引入數字化工具，優化實驗活動，為學生提供實踐參與的機會，鍛煉其實驗探究技能，有效提升其科學素養[3].

例如，傳感器屬于數字化實驗，在化學教學中具有很大的應用潛力，能有效地促進學生的學習興趣，為學生提供更加安全和便捷的實驗體驗，還有利于教師掌握個人知識管理的方法，幫助學習者實現翻轉課堂.首先，教師借助測定空氣中氧氣體積分數這一實驗，詳細介紹數字化信息系統的主要功能，以及通用軟件界面中的標題欄、工具欄、控制面板區域及顯示區域的操作方法和功能，并通過與學生互動促使其盡快熟悉系統功能，以及在化學實驗中的作用.其次，根據教材內容進行演示，呈現壓力傳感器在測定空氣中氧氣體積分數這一實驗中的應用.最后，創造自主學習機會，組織分組實驗，提供器材，讓學生親自體驗傳感器在化學實驗中的使用.在實驗中，有的小組以電池的研究實驗為基礎，進入專用軟件界面，在原電池的裝置中連接傳感器，即可看到電流變化過程，運用到化學課堂中就能直觀感受到化學能可以轉化為電能；有的小組將氧氣濃度傳感器放入集氣瓶內，點燃蠟燭后用氧氣濃度傳感器采集數據，并觀察這一過程中瓶內氧氣含量的變化；還有的小組在蒸餾水中加入氫氧化鈉顆粒，不斷攪拌，用溫度傳感器記錄溶解過程的溫度變化圖，觀察到溶液中有固體變化的過程等.通過動手操作，學生不僅能夠熟練地操作軟件并連接傳感器進行實驗，同時也提出很多有價值的問題與教師共同探討，并共同探索實驗改進、實驗創新的空間.

4依托數字化實驗，養成科學態度

端正良好的科學態度是參與科學實驗探究的基本條件.在初中化學教學指導中，教師可以結合數字化實驗特點進行情感滲透和培育，激發學生對科學的好奇心，促使他們逐漸形成崇尚科學、嚴謹求實、敢于質疑的良好態度和健康品格.例如，在“我們周圍的空氣”這一單元的習題課上，教師引入數字化實驗，引導學生進行鞏固練習：某化學興趣小組的同學借助氧氣傳感器探究微粒的運動，數據處理軟件可實時繪出氧氣體積分數隨時間變化的曲線.收集一塑料瓶氧氣進行以下三步實驗：（1）敞口放置；（2）雙手貼在塑料瓶外壁上；（3）將塑料瓶的瓶口朝下.三步實驗中測得氧氣的體積分數隨時間變化的曲線依次為三個不同的階段.請回答： 能夠說明氧分子不斷運動的曲線是哪一段？通過比較前兩段曲線變化情況，你能得出發現其中包含怎樣的化學現象？隨著實驗的進行，傳感器測出氧氣的體積分數約為多少時幾乎不再變化？通過分析學生發現，能夠說明氧分子不斷運動的曲線是第一段，并結合所學知識以及所觀察到的現象認為圖中曲線變化說明“溫度越高，分子運動越快”，同時也發現了“氧分子的擴散趨向平衡且不再變化，傳感器測出氧氣的體積分數與空氣中氧氣的體積分數一致，約為21%”.在解題過程中，教師要求學生以科學的態度對待問題，提示他們認真觀察圖形，獲取關鍵信息，并從理性的角度進行思考回答，給出充分的理由，做到有理有據，以養成客觀嚴謹的科學態度.

5結束語

總之，數字化實驗是新課程改革背景下初中化學實驗創新的重點.數字化實驗促進了實驗儀器的革新和改進，拓展了實驗內容，提升了實驗的科學性和嚴謹性，對于發展學生的學科核心素養、調動教師的教學熱情都有著較大的促進作用.

參考文獻：

［1］ 田菊香，馬占玲.初中化學實驗“試錯”在虛擬仿真實驗室中的應用[J].化學教育（中英文），2022（01）：105-109.

[2] 周文榮.利用數字化實驗探究鐵粉型“暖寶寶”的發熱原理：兼談初中化學實驗創新中的信息素養[J].化學教學，2018（01）：63-68.

[3] 馬詠梅.芻議現代信息技術在化學實驗教學中的應用[J].現代教育科學，2011（02）：105，153.

［責任編輯：季春陽］