高中化學數字化實驗與傳統實驗的比較研究

【摘 要】數字化實驗具有操作便捷、數據準確性高等優勢，能夠增強學生的學習體驗。然而同時它也存在著技術設備要求高、難以全面替代傳統實驗等局限性。傳統實驗能夠更好地讓學生直觀感受化學現象和培養學生的實驗操作能力，有助于學生深入理解化學知識。但同時傳統實驗也存在實驗資源消耗大、安全隱患等問題。二者既有差異性也有互補性，教師在教學實踐中應根據教學目標、教學環境、學生特點等因素，綜合考慮數字化實驗和傳統實驗的優缺點，靈活采用不同的實驗方式。

【關鍵詞】高中化學 數字化實驗 傳統實驗

【中圖分類號】G633.8" 【文獻標識碼】A" "【文章編號】1002-3275（2024）11-64-04

化學是一門以實驗為基礎的學科，《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出：“化學教材應精心設計學生必做實驗，適當增加微型實驗、家庭小實驗、數字化實驗、定量實驗和創新實踐活動等，讓學生在實驗探究活動中學習科學方法，認識科學探究過程，體會、認識技術手段的創新對化學科學的重要價值，形成嚴謹求實、勇于實踐的科學態度，發展實踐能力?！彪S著信息技術的飛速發展，數字化實驗在教育領域逐漸嶄露頭角，成為化學教學的新趨勢。數字化實驗通過模擬軟件、虛擬實驗平臺等方式，使學生能夠在計算機或其他電子設備上完成實驗操作，并獲取實驗數據，從而實現實驗過程的數字化、虛擬化。然而，傳統實驗作為化學教學的傳統方式，仍然具有不可替代的地位。本文將從實際教學情況出發，對高中化學教學中的數字化實驗和傳統實驗進行比較，分別探討它們在高中化學教學中的優勢與挑戰，進而展開比較研究，最終總結結論并展望未來研究的方向。

一、數字化實驗與傳統實驗的特點及應用意義

（一）數字化實驗的特點及應用意義

高中化學數字化實驗是指應用現代信息技術，如數字化手持技術、傳感器、數據采集器、計算機等，將實驗過程中的數據轉化為數字信號，并通過計算機進行分析處理，以獲得實驗圖像和探究規律，并以此為基礎進行化學實驗的教學活動。數字化實驗運用到很多先進的技術工具，具有獨特優勢。例如通過pH傳感器和溫度傳感器等，學生可以實時監測化學反應過程中的變化，提高實驗的準確性；通過采用儀器能夠精確記錄實驗數據，減少人為誤差，讓學生更專注于實驗過程的觀察和分析；通過采用圖表分析工具，學生能夠更直觀地觀察實驗結果，深入理解反應速率與因素之間的關系。數字化實驗切實有效地改進了傳統化學實驗教學模式，有助于培養學生的觀察、分析、處理數據的能力。［1］

在教學中應用數字化實驗具有重要意義，主要體現在以下六個方面：

第一，數字化實驗可以提高學生的實驗參與度和興趣。數字化實驗通過引入虛擬實驗和互動模塊，創造更具吸引力和趣味性的學習環境，學生能夠參與實驗的設計和執行，增加對化學實驗過程的興趣，激發對化學的好奇心。例如在開展數字化實驗的課堂上，學生通過虛擬實驗模塊參與模擬制備反應物，調整反應條件，直觀地觀察不同條件下的實驗效果，可以通過變化反應物濃度、溫度等參數，觀察反應速率的變化，從而引發探索興趣，促進深入學習。

第二，數字化實驗能夠為學生帶來個性化的學習體驗。數字化實驗平臺允許學生根據個體差異調整實驗參數，選擇不同的條件進行實驗。這種個性化的學習體驗有助于滿足學生的不同學科水平和興趣。例如學習化學反應的基本原理和應用時，學生在探究環節想要選擇不一樣的實驗，有的學生對酸堿反應感興趣，而有的學生更傾向于氧化還原反應，數字化實驗可以根據學生的選擇提供相應的實驗模塊，滿足個體差異。

第三，數字化實驗中的實時數據監測和分析、傳感器和數據采集工具，使學生能夠在實驗操作的過程中實時監測數據的變化。這種實時數據的監測和分析有助于學生深入理解化學原理，同時培養他們科學開展實驗和分析數據的技能。例如在探究反應速率與實驗條件關系的教學中，學生可以使用pH傳感器和溫度傳感器在數字平臺上進行中和反應實驗，并實時監測反應過程中的pH值和溫度。實驗結束后，學生還可以使用平臺提供的數據分析工具，創建曲線圖或散點圖，由此更深入地理解反應速率與實驗條件的關系。

第四，數字化實驗提高了實驗操作的安全性和可控性。數字化實驗提供了在虛擬環境中進行實驗的機會，從而減少了一些傳統實驗中的安全風險［2］，并且學生在數字平臺上進行實驗，不受時間和資源的限制，使實驗的可控性得以提升。例如在探究金屬與酸反應時，無需真實化學品，學生可以在虛擬環境中進行實驗，避免實驗中潛在的危險，同時能夠更加靈活地控制實驗條件。

第五，數字化實驗有助于增強學生的科技素養。數字化實驗的應用使學生更加熟悉科技工具的使用，這對學生未來在科學領域或其他職業中更好地應用和理解科技有著積極的影響。例如學生開展數字化實驗時，不僅能學會連接傳感器和進行實驗操作，而且能掌握數字工具的使用，如數據分析軟件、圖表制作工具等。這有助于增強學生在科技方面的素養，使學生緊跟科技發展步伐。

第六，對于教師而言，數字化實驗提升了教學過程的靈活性。教師可以根據學生在數字平臺上的反饋，實時調整教學策略和實驗設計。如果學生在某個實驗步驟中普遍出現困難，教師可以在數字平臺上實時提供補充資源或解釋，以滿足學生的需求，有效提高教學的針對性和適應性。

（二）傳統實驗的特點及應用意義

傳統實驗是指在實驗室環境中，通過物質操作和儀器設備進行實驗操作，并通過觀察、記錄實驗現象和數據，來驗證理論假設或探究化學規律的一種實驗形式。傳統實驗在高中化學教學中一直占據著重要地位，往往依賴于化學實驗設備支持和手動操作開展，強調學生的動手能力和思維能力的培養。具體來說，傳統實驗更強調學生的實踐能力，學生要親自動手進行實驗操作，包括稱量、溶解、反應、加熱等。另外，傳統實驗還具有直觀性，學生可以直接觀察化學反應過程和實驗現象，如顏色變化、氣體釋放、沉淀生成等，從而更直觀地理解化學原理和規律。但傳統實驗的弊端也顯而易見，一是對實驗資源的需求，傳統實驗通常需要一定數量的實驗器材、化學藥品、實驗室設備，因此存在資源消耗問題。二是實驗數據采集方式更繁瑣，學生需要手動記錄實驗過程中的數據，包括實驗條件、實驗結果等，以便后續的數據分析和實驗報告撰寫等。三是實驗結果的穩定性較差，由于傳統實驗結果受到實驗操作和環境條件的影響，可能存在一定的誤差和不確定性，需要進行多次重復實驗以驗證結果的穩定性。四是可能存在安全隱患，傳統實驗涉及實際物質的操作和化學反應過程，可能存在一定的安全風險，師生要嚴格遵守實驗室安全操作規范，確保實驗過程的安全性。

二、數字化實驗與傳統實驗的比較

為了比較數字化實驗和傳統實驗在高中化學教學中的效果，筆者設計了一系列針對同一化學概念的實驗，并分別采用數字化實驗和傳統實驗兩種不同的實驗方式進行教學。以酸堿中和反應為例，筆者將學生分為兩組，分別采用兩種不同的實驗方式進行實驗，并對實驗結果和學習反饋進行比較。

數字化實驗組的學生登錄虛擬實驗平臺，并選擇酸堿中和反應的模擬實驗項目。在模擬軟件中，學生依次添加酸溶液和堿溶液，調節其濃度和體積，使得反應達到中和終點。接著學生再使用模擬軟件所提供的指示劑，觀察溶液的顏色變化。在數據采集階段，因為虛擬實驗平臺會自動記錄實驗過程中的數據，包括溶液體積的變化、pH值的變化等，所以這個過程學生無需手動記錄。在結果分析階段，學生通過數據分析工具，可以直接分析實驗結果，對比不同濃度、體積條件下的反應速率和產物生成量等。

傳統實驗組的學生在實驗室中進行酸堿中和反應的實驗操作。先準備酸溶液、堿溶液、指示劑等實驗材料，接著根據實驗方案按照一定比例配制酸溶液、堿溶液，并加入適量的指示劑，使用滴定管將酸溶液滴加到堿溶液中的同時，觀察溶液的顏色變化，當溶液顏色發生變化時，學生停止滴定，記錄滴加的酸溶液體積，除了溶液的體積、溶液顏色的變化，氣體釋放、pH值變化等所有的實驗結果都必須由學生手動記錄，且需要使用特殊的化學儀器來測定實驗結果。實驗完成后，學生根據實驗數據計算反應的摩爾濃度、反應速率等指標，并進行結果分析和討論。

學生在收集實驗數據后進行數據分析，并比較數字化實驗和傳統實驗所獲得的實驗數據，如反應速率、終點指示劑變色時間、產物生成量等。通過統計分析，發現兩種實驗方式在實驗結果方面存在細微的差異性。首先對反應速率的比較，學生觀察到在相同條件下，數字化實驗和傳統實驗的酸堿中和反應的速率略有差異，數字化實驗中反應速率略高于傳統實驗。學生討論后認為，這可能是因為虛擬實驗平臺模擬軟件對反應過程進行了精確控制，減少了人為因素對實驗結果的影響，而傳統實驗中的操作技巧和環境條件可能存在一些不確定性，導致結果略微偏差。其次對學生實驗結果的一致性進行比較，如反應終點的體積、pH值等，發現兩種實驗方式得到的結果基本一致。這表明虛擬實驗平臺模擬軟件能夠較準確地模擬實驗過程和結果，與傳統實驗具有較高的一致性。

另外，教師通過問卷調查和小組討論的形式收集了兩組學生對兩種實驗方式的反饋意見。在問卷調查中，大多數學生對數字化實驗表示認可，認為虛擬實驗平臺提供了便捷的實驗操作和數據分析工具，能夠有效地提升實驗學習效率。而對于傳統實驗，學生也普遍認為其有助于直觀感受化學現象和培養實驗技能，但存在實驗準備時間長、實驗操作繁瑣等問題。此外，學生普遍認為數字化實驗的操作界面友好、易于上手，無需擔心化學藥品的安全問題，能夠更專注于實驗過程和數據分析，但對于傳統實驗，學生反映害怕實驗操作存在一定的安全隱患。

通過學生的反饋，可以了解到學生關于數字化實驗和傳統實驗在學習體驗和操作便捷性等方面的不同反饋，這為教學實踐提供了重要參考。

三、數字化實驗所面臨的挑戰

盡管數字化實驗為高中化學教學帶來許多益處，但也面臨一些挑戰，如技術使用障礙、對學科知識集中度、學生的參與度等問題。

第一重挑戰是技術使用障礙的問題。這既是學生面臨的，也是教師需要解決的。在教學實踐中，由于學生長期習慣使用傳統實驗的操作方法，對數字化實驗還不熟悉，因此有的學生在使用虛擬實驗平臺和傳感器時會出現技術障礙，部分學生可能對數字工具不夠熟悉，這種情況同樣也出現在部分教師身上，特別是年紀較大的教師，他們需要花更長的時間適應新的教學技術。因此，學校要開展相應的培訓，為教師制訂系統化的培訓計劃，包括實際操作和教學案例分享等，鼓勵教師積極參與專業發展培訓，提高其數字化教學的能力。

第二重挑戰是學生對數字化實驗中學科知識集中度的問題。具體表現在數字化實驗可能導致學生過于關注技術操作，而忽略實驗的化學本質。有的學生在數字化實驗操作中可能更注重數值和圖形的生成，而忽視實驗設計和概念的深度理解。這就要求教師在教學的過程中注重強調實驗的化學原理，引導學生將數據、圖形與實際化學現象相結合。另外，數字化實驗不僅僅是數據的采集和分析，因此教師在設計實驗任務時要注重培養學生的實驗設計和思辨能力，強調學生對實驗步驟和實驗結果的合理性解釋。教師要始終牢記，數字化實驗的目的是深化學生對化學知識的理解，要確保實驗設計既包含必要的理論知識，又能夠與學生的實際生活和經驗相聯系。

第三重挑戰是學生的參與度問題。雖然數字化實驗可以讓更多學生參與到實驗中，但是一些學生可能仍然會缺乏參與動力，或者有些學生可能會對數字化實驗這一“新生事物”產生畏難心理。為此，教師可以設計有趣和具有挑戰性的實驗任務，激發學生的興趣。教師也可以利用數字平臺的在線功能，鼓勵學生進行合作和互動。通過在線討論、小組實驗等方式，促進學生之間合作解決問題。通過及時的反饋和在線互動，促使學生更積極地參與數字化實驗。此外，教師還要定期收集學生對數字化實驗的反饋，了解他們的體驗和意見。這有助于教師及時調整教學策略和數字化實驗設計，以滿足學生的學科需求和學習風格。

四、數字化實驗與傳統實驗在教學中的比較

（一）數字化實驗與傳統實驗的差異性

從實驗結果準確性來說，數字化實驗具有較高的實驗結果準確性，能夠在一定程度上消除人為因素對實驗結果的影響，確保實驗數據的精確性。相比之下，傳統實驗受到實驗操作技巧和環境條件的影響，結果具有不確定性。

從實驗操作的便捷性上來說，數字化實驗具有操作便捷、數據準確性高的特點，學生無需準備實驗材料和擔心實驗安全問題，能夠更專注于實驗過程和數據分析。而傳統實驗則需要較長的實驗準備時間和進行復雜的操作步驟，同時可能存在一定的安全隱患。

從學生的學習體驗和動手能力培養方面來看，數字化實驗能夠提供直觀的實驗操作界面和圖像展示，使學生能夠更生動地理解化學現象，激發他們的學習動機和興趣。傳統實驗則能夠更好地培養學生的動手能力和實驗操作技能，通過實際操作感受化學反應的過程，有助于加深學生對化學知識的理解。因此，將數字化實驗和傳統實驗有機結合，可以彌補它們各自的不足，既有助于提高實驗教學的效率和質量，又能夠促進學生的能力發展。

（二）數字化實驗與傳統實驗的互補性

數字化實驗和傳統實驗各有優劣，適用于不同的教學場景和教學目標。數字化實驗能夠在一定程度上彌補傳統實驗的不足，適用于實驗資源匱乏、實驗安全風險較高、實驗時間受限的情況。它為學生提供了便捷、安全的實驗學習環境，能夠有效地豐富學生的學習體驗和培養他們的動手能力，提高教學效率。傳統實驗作為一種不可替代的教學手段，仍然具有重要的應用價值。它能夠更好地培養學生的實驗操作技能和動手能力，促進學生對化學知識的深入理解。傳統實驗還有助于培養學生的觀察力、分析能力、團隊合作精神。可見，數字化實驗和傳統實驗在高中化學教學中都有其獨特的價值和局限性，可以通過整合兩者的優點來獲得更好的實驗教學效果。在實際教學中，教師應根據教學目標、教學環境、學生特點等因素綜合考慮，合理選擇和結合不同的實驗方式，以提高化學教學的質量和效果。同時，教師還需不斷探索和創新實驗教學方法，以適應教育信息化和教學改革的發展需求。

五、結論與展望

本文通過對數字化實驗與傳統實驗在高中化學教學中的比較研究發現，數字化實驗具有操作便捷、數據準確性高等優勢，能夠增強學生的學習體驗和培養其動手能力。然而，它也存在著技術設備要求高、難以全面替代傳統實驗等局限性。傳統實驗能夠讓學生直觀感受化學現象，更好地培養學生的實驗操作技能，有助于學生對化學知識的深入理解。但同時傳統實驗也存在實驗資源消耗大、可能存在安全隱患等問題。在教學實踐中，教師應綜合考慮數字化實驗和傳統實驗的優缺點，靈活運用不同的實驗方式。這樣既能夠充分發揮數字化實驗的便捷性和數據準確性優勢，又能夠保留傳統實驗的直觀和重視實踐操作的特點，從而提高化學教學的質量和效果。

未來，還有幾個方面值得更深入的探討。一方面，需要更深入探討數字化實驗的優化與創新，進一步研究如何優化數字化實驗平臺的功能和性能，提高其在化學教學中的實用性和適用性。隨著數字技術的不斷發展，教師還需要不斷學習新技術，如充分利用增強現實（AR）和虛擬現實（VR）技術，創新數字化實驗的形式，提升學生的學習體驗和參與度。另一方面，還需要加強數字化實驗與傳統實驗的整合，研究如何將數字化實驗與傳統實驗有機結合起來，充分發揮兩種實驗方式的優勢，探索建立數字化實驗與傳統實驗的互補的教學模式，使二者相輔相成，共同促進學生的實驗學習。此外，還可以繼續探索和創新其他實踐教學方法，如實驗模擬比賽、項目實踐等，豐富化學實驗教學的內容，激發學生的學習興趣和創造力，推動實驗教學方法的不斷創新和發展。

【參考文獻】

［1］楊成．DIS數字化實驗系統在高中化學探究實驗中的應用研究［J］．科學大眾（科學教育），2019（9）：22．

［2］雷江蛟，朱婷琦．虛擬仿真實驗室在高中化學課堂中的應用［J］．基礎教育研究，2021（19）：69-71．