數字化實驗在高中化學教學中的應用研究

［摘 要］隨著高中新課程改革的全面推進，數字化手持技術作為一種新型授課手段已逐漸在高中化學實驗教學中得到廣泛應用。文章闡述了數字化實驗的概念、特點，并通過分析數字化實驗在高中化學教學中的應用案例，為高中化學教學改革提供新的思路與方法。

［關鍵詞］數字化；實驗探究；高中化學

［中圖分類號］" " G633.8" " " " " " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）32-0075-03

2023年2月，教育部成功舉辦了首屆“世界數字教育大會”，大會以“數字變革與教育未來”為主題，圍繞數字化轉型、數字學習資源的開發與應用、師生數字素養的提升等議題進行了深入交流與討論。此次大會旨在推進新技術與教育教學的深度融合，加快教育數字化轉型的步伐，以期實現全球教育的持續發展。國務院副總理孫春蘭在開幕式上強調，現代信息技術對教育發展具有深遠且革命性的影響，是推動教育創新和進步的關鍵力量。將數字化實驗應用于高中化學教學，不僅是教育信息化發展的時代需求，而且契合化學課程標準的理念，能滿足學生化學學科核心素養發展的要求。

一、數字化實驗的概念與特點

數字化實驗是一種由傳感器、數據采集器、接口設備及配套計算機軟件構成的新型現代化實驗技術。它可以對實驗中的物理量，如溫度、壓強、pH、電導率、濁度等進行實時測量、采集，并完成數據處理和分析任務，最終以數圖結合的方式呈現實驗結果。由于數字化實驗所用的儀器通常體積較小，便于手持操作，因此也常被稱為“手持技術”，其具有以下特點。

1.直觀性：數字化實驗能夠將實驗結果以數字、圖表、曲線等多種形式直觀呈現，幫助學生更加清晰地理解實驗過程和現象，以及實驗所揭示的規律。

2.實時性：數字化實驗能快速采集實驗數據，數據的即時變化與實驗過程同步。在數據采集過程中，還可以根據需要設置采集頻率、時間等。

3.精確性：數字化實驗能夠高精度、高靈敏度地測量各種物理量和化學參數，有效減少人為誤差和儀器誤差，使實驗結果更加精準可靠，實驗結論更具科學性和說服力。

4.高效性：數字化實驗研究涉及數學、物理、化學、生物等多個學科領域，可對實驗進行多因素、多維度的綜合探究，提升實驗效率。

二、數字化實驗在高中化學教學中的應用

化學實驗是研究和學習物質及其變化的基本方法，是科學探究的一種重要途徑。借助數字化實驗對傳統實驗進行優化整合，有助于學生更直觀地理解微觀層面的本質問題。數字化實驗在高中化學教學中的應用主要體現在以下幾個方面。

（一）激發學習興趣，鼓勵自主探究

數字化實驗以其新穎性和直觀性，將原本枯燥的知識變得生動有趣，吸引學生的注意力，激發學生的學習興趣。通過參與數字化實驗，學生能夠更深入地了解化學知識的實際應用，從而增加對化學學科的認知和情感投入。同時，數字化實驗要求學生自主操作、觀察和分析實驗結果，這有助于培養學生的探究精神。

以“探究次氯酸光照分解產物”教學為例，可將pH傳感器、氯離子傳感器、氧氣傳感器分別插入盛有新制氯水的廣口瓶中，再將這三種傳感器分別與數據采集器及計算機連接。隨后，用強光照射氯水，同時采集數據。此實驗能夠測定光照過程中氯水的pH、氯離子濃度以及廣口瓶中氧氣的體積分數變化情況。實驗圖像顯示，氯水的pH減小，溶液中氯離子濃度增大，體系中的氧氣不斷增多。經分析，次氯酸在光照下分解生成了氯化氫，使得溶液酸性增強，同時還生成了氧氣，學生由此可進一步獲知久置氯水失去漂白性的原因。通過這類多變量探究實驗，學生能夠更加深刻地理解化學反應的本質，實現高效學習。這樣的探究實驗不僅激發了學生對化學實驗的好奇心和探究興趣，還增強了學生獨立思考和合作探究的意識，更重要的是培養了學生注重實證、嚴謹求實的科學態度。

（二）直擊難點知識，喚醒求知欲望

數字化實驗能夠將抽象的化學原理具體化，為學生呈現客觀且清晰的實驗結論，使模糊的感性認識轉化為精準的可視化知識，從而幫助學生更好地理解和掌握知識難點。同時，數字化實驗可提高學生獲取知識的積極性，豐富科學活動的具身體驗，激發探索知識的欲望，進而促進學生自主構建學科知識、領悟科學方法。

以“碳酸鈉與碳酸氫鈉性質的探究”教學為例，在以往的實驗中學生往往難以通過實驗現象來判斷碳酸鈉與鹽酸的反應是分步進行的。而利用數字化實驗，學生可以加深對化學反應原理的理解。具體操作如下：在三頸燒瓶中加入碳酸鈉溶液，并插入壓強傳感器、pH傳感器，形成密閉體系，然后向三頸燒瓶中逐滴加入稀鹽酸，利用壓強傳感器實時收集氣壓變化數據；同時利用pH傳感器測出反應過程中溶液的pH變化情況，并自動繪制曲線圖（如圖1）。隨后，將碳酸鈉溶液替換為等濃度等體積的碳酸氫鈉溶液，重復上述實驗步驟，并自動繪制曲線圖（如圖2）。圖1中有兩次明顯的pH突變，而圖2僅有一次。再結合氣壓數據，學生便能輕松分析出碳酸鈉與稀鹽酸的反應是分兩步進行的（CO[2-3]→HCO[-3]→CO2），而碳酸氫鈉與鹽酸的反應僅有一步（HCO[-3]→CO2），因此碳酸鈉放出氣體的速率更快。數字化實驗將微觀現象轉化為數字圖形，有助于學生捕捉關鍵節點，從而深刻理解化學反應的原理，提升解決問題的能力。

統實驗與數字化實驗的融合，不僅為學生呈現了客觀且清晰的實驗結果，降低了學生的學習難度，還有效加強了學生對知識的記憶。同時，它也讓學生感受到科學技術的應用有利于提高科學探究的效率，從而激發學生熱愛科學的情感和勇于實踐的內驅力。

（三）深化概念理解，優化學習方式

數字化實驗能夠準確調控實驗條件，使學生得以更細致地觀察和研究實驗現象。通過調整實驗參數，學生可以探究不同條件下化學反應的變化規律，從而加深對化學概念和原理的理解。此外，數字化實驗還可以提供更加豐富、準確的實驗數據，有助于學生進行更深入的實驗分析和解釋。這不僅提升了實驗教學的效果，還培養了學生的實驗技能。

以“金屬的電化學腐蝕”教學為例，金屬的腐蝕以電化學腐蝕為主，特別是當電解質溶液呈弱酸性或中性時發生吸氧腐蝕。部分學生對“吸氧腐蝕”的概念不太理解，此時教師可增加數字化探究實驗來深化學生對這一概念的理解。具體做法如下：在三頸燒瓶中用飽和食鹽水浸泡鐵釘，并利用壓強傳感器和氧氣傳感器同時監測封閉體系中的壓強及氧氣變化。根據形成的壓強變化曲線和氧氣變化曲線，可清晰地看到飽和食鹽水的封閉體系內壓強逐漸減小，這說明瓶中氣體在不斷被消耗；同時，氧氣變化曲線顯示氧氣濃度逐漸減少，這進一步證實了反應中消耗的是氧氣，由此可以證明鋼鐵的腐蝕屬于電化學腐蝕中的吸氧腐蝕。借助實驗結果，學生不僅能夠直觀地觀察金屬在電解質溶液中的電化學腐蝕現象，還能深化對“吸氧腐蝕”概念的理解。更重要的是，學生能夠從電化學的角度理解腐蝕的機理，為后續學習防腐蝕措施提供了理論依據。通過實驗方案的實施，引導學生擺脫“拿來主義”的學習方式，啟迪了學生的科學思維，培養了學生的探索創新意識。

（四）培養關鍵能力，滲透核心素養

微觀表征的建立和轉化一直是學生認知的難點。傳統實驗主要從宏觀現象的角度分析物質微觀層面的變化，而數字化實驗則實現了微觀表征的可視化，增強了學生的證據推理能力，使學生能更好地建構認知模型，進而發展化學學科核心素養。

以“離子反應”的教學為例，以往的教學通常只能通過描述電解質在水中的電離過程及電離方程式的符號表征來分析反應過程中離子種類和數目的變化。這種教學方式過于“照本宣科”。為了突破這一局限性，可以引入數字化實驗。例如，可以先在燒杯中加入氫氧化鋇溶液，再滴入2滴酚酞，并將電導率傳感器插入溶液中；接著，往燒杯中逐滴加入硫酸溶液，觀察溶液顏色及電導率的變化（如圖4）。通過前面的學習學生已經知道，電解質溶液的導電能力與離子濃度的大小有關，離子濃度越大，導電能力越強。而電導率正是反映溶液導電能力的一個重要指標。隨著反應的進行，電導率-時間曲線不斷下降，電導率數值不斷減小。當電導率達到最小值時，溶液由紅色變為無色，這表明此時離子濃度最小，即溶液中的鋇離子與硫酸根離子、氫氧根與氫離子恰好完全反應。隨后，曲線開始上升，電導率數值不斷增大，這說明溶液中離子濃度增大，即電解質硫酸過量。數字化實驗能將離子反應具象化、圖像化，讓學生能夠從微觀到宏觀切身體驗離子間的反應過程，理解復分解反應實質上是某些離子之間的反應，從而獲取知識、掌握技能并形成學科觀念，建構起“宏觀—微觀—符號—曲線”四重表征，培養學生的“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”等學科核心素養。

三、數字化實驗的未來展望

數字化實驗作為有別于傳統實驗的新技術教學手段，具有廣泛的應用前景。學校應積極推動數字化實驗在高中化學教學中的普及和應用，以更好地服務于高中化學教學改革，提高學生的實踐能力和科學素養。

（一）加強教師教研培訓，提升數字化實驗教學能力

為了順應信息技術融合學科教學的發展趨勢，發揮數字化實驗在探究課堂中的作用，教師需要具備相應的數字化實驗教學能力。學校應加強對教師的培訓力度，提高他們對數字化實驗技術的掌握和運用能力，以便更好地服務于課堂，提高實驗教學的質量。

（二）加強實驗室建設，促進化學教學改革

鼓勵有條件的地方和學校逐步引進數字化、現代化儀器設備，并向學生或學生課外興趣小組開放。在教師的指導下，學生可以開展豐富的實驗探究活動。此外，數字化環境還可為學生學習不同學科的知識和技能提供便利，促進教師教學方式和學生學習方式的改變，以滿足時代發展和課程改革的需求。

（三）加強教學資源開發利用，豐富數字化實驗內容

數字化實驗的實施需要豐富的教學資源來支撐。學校應積極整合校內外的教學資源，開發適合高中化學教學的數字化實驗案例和教學資源庫，打造具有特色的化學學習空間，為師生提供教學交流、反饋和資源共享的平臺，努力為學生創造良好的信息化學習條件。此外，教師還可以鼓勵學生自主設計數字化實驗方案，以培養他們的創新思維和探究精神。

四、結語

隨著新課程、新教材、新高考的推進，傳統實驗教學模式已難以滿足現代教育提出的新要求和學生的實際需求。以數字化實驗為基礎的實驗探究，能在一定程度上強化傳統實驗，為高中化學探究課堂注入新的活力。在這種教學模式下，學生能夠置身于實驗情境中，邊思考邊探究學習，從多角度觀察實驗現象，從而豐富和完善自身的知識體系，并培養高階思維能力。因此，教師應進一步探索并推廣數字化實驗與多種教學方法的融合，以最大限度地發揮其優勢，打造更加有趣、高效且有利于學生發展的化學探究性課堂，為培養具有創新精神和實踐能力的人才作出貢獻。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]" 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]" 王春.手持技術在中學化學實驗教學中的應用研究[M].北京：團結出版社，2015.

[3]" 王丹陽.基于化學學科核心素養提升的數字化實驗課堂教學：以“離子反應”教學為例[J].新課程導學，2023（29）：49-52.