數字化實驗設計在初中化學教學中的應用

【摘" 要】數字化實驗是幫助學生深入理解初中化學理論知識，發展學生學科核心素養的有效教學手段。教師圍繞核心素養發展的需要，結合教學內容和學情，合理安排數字化實驗教學活動，讓學生在開放性的氛圍中自主探究和深度學習，實現教學效果的事半功倍。本文主要闡述了數字化實驗設計在初中化學教學中的應用策略，希望對初中化學教學的改革起到借鑒作用。

【關鍵詞】數字化實驗；初中化學；教學策略

在當前的化學實驗中選擇數字化實驗教學，是指以數字化形式呈現實驗數據，同時利用曲線幫助學生了解整個實驗過程，通過信息化技術使化學實驗教學得到進一步優化。在開展化學實驗教學時，選擇數字化實驗教學能有效地解決初中化學實驗現象不明確、實驗材料缺失和實驗不安全等問題，也會讓學生體會到現代科技的進步，調動學生學習的主觀能動性，實現化學教學的提質增效。

一、利用數字化實驗教學發展宏觀辨識與微觀探析素養

宏觀辨識與微觀探析素養是指學生能夠基于多個角度和層次認知并了解物質的多樣性這個概念的實際意義，同時學生也能夠對物質進行合理的分類，能更好地認識物質的本質，可以從原子、元素、分子水平等角度探索物質，了解物質的組成，能夠從宏觀與微觀相結合的角度分析并且快速地解決化學實驗中所遇到的實際問題。

首先，激發學生的宏微探析興趣，增強宏微辨析體驗。例如，在《原子的結構》教學中，教師就可以利用多媒體的形式進行教學，利用多媒體動畫將本次實驗過程中涉及的操作過程和結果展現給學生，教師可以根據一束帶正電荷的α粒子高速運動穿過金箔這一實驗現象向學生進行演示，在這一階段教師可以提出“為什么α粒子能夠穿過金箔？”等問題。教師可以在學生討論的過程中繼續向學生播放數字化的實驗動畫課件。由于實驗課件能夠讓學生肉眼無法看到的實驗過程，例如，放大實驗中涉及的金箔，能發現金箔與金箔之間本身擁有許多小粒子的排列結構，其中存在一定的間隙。教師根據學生提出的“構成金箔的粒子是什么？”等疑惑，順勢引出“原子”的概念。

其次，激發學生的宏微辨析意識，驅動學生探尋化學變化的本質。例如，在“水的組成”教學中，教師課前以微課的形式，錄制實驗設計的微課視頻。將兩個集氣瓶、兩片玻璃片、直流電源、小木條等器材構成實驗裝置。實驗后呈現出“試管內有氣泡，與電源正極相連試管的氣體體積，是與電源負極相連試管的氣體體積的二分之一”的實驗現象。要求學生思考“水可以電解為氧氣與氫氣，那么水的構成元素是什么？”的問題，驅動學生結合宏觀實驗現象，積極探究其微觀原理，從而加深對水構成元素的理解和認識。

二、利用數字化實驗教學發展變化觀念與平衡思想素養

變化觀念與平衡思想素養是指學生進行化學學習的過程中已深刻地認知物質是運動的、是變化的，學生可以在這一階段的學習中逐步認知化學變化的本質就是新物質的不斷生成、能量與能量之間的有效轉化。

例如，用數字化實驗探究石灰水與濃燒堿溶液吸收二氧化碳的能力。教師展示石灰水和壓強傳感器、濃燒堿溶液等儀器和藥品組成的實驗裝置。在本次實驗操作過程中，首先要向學生展示如何進行儀器的有效連接，了解如何合理地關閉和開啟不同的止氣夾，然后再打開數字化信息系統的操作界面，向學生進一步展示壓強傳感器測試瓶內中二氧化碳壓強變化的整體波形圖，讓學生觀察當向瓶內注入飽和石灰水50 mL后，通過略微震蕩細口瓶內的整體變化，觀察波形圖的變化。其中瓶內的整體變化可以通過波形圖的形式進行展現，再向瓶內注入50 mL濃燒堿溶液，充分振蕩細口瓶，觀察波形圖的變化。學生結合波形圖可直觀地解釋實驗現象和化學反應。根據波形圖的變化，發現加入石灰水對瓶內氣體形成擠壓，促使瓶內氣壓和曲線開始升高；石灰水吸收了少部分二氧化碳后，瓶內氣壓和曲線開始降低，但高于瓶內原始氣壓，促使瓶內氣壓和曲線開始大幅度下降；充分振蕩細口瓶，使濃燒堿溶液又充分吸收了瓶內殘余的二氧化碳，促瓶內氣壓和曲線下降。最終得出“飽和石灰水吸收二氧化碳的能力很弱，而等量的濃燒堿溶液能充分且大量地吸收二氧化碳”的實驗結論。數字化實驗設計可輕松對比其吸收二氧化碳的能力差異，實驗現象更加明顯。學生結合曲線圖的變化，了解瓶內壓強的變化，輕松得到實驗結論。

三、利用數字化實驗教學發展證據推理與模型

認知素養

證據推理與模型認知素養要求學生在學習過程中具有較強的證據意識，學生能在化學學習時根據物質結構進行認知，學生在這一階段還可以通過分析推理等一些方式充分地認知在實際研究過程中研究對象的本質和特征是什么，明確在研究時所構成的要素以及兩者之間所蘊含的化學模型，并且利用該模型解決自己面對的一系列化學問題，揭示化學現象，了解所有化學事物發生的本質及其規律。

例如，在“配合物”的數字化實驗教學中：一是在宏觀辨識與微觀探析中引導學生構建配位建模型，推理配合物的結構特點。如圍繞食鹽中的亞鐵氰化鉀成分，提出“網絡流傳的亞鐵氰化鉀在水溶液中會生成劇毒物質氰化鉀的說法是否正確”的問題，引起學生的關注和質疑及迷茫感。再用數字化實驗設計的方式，呈現出不同銅鹽固體，引導學生從微粒的視角解釋溶液的顏色，了解銅離子與水分子的成鍵原理，掌握配位鍵的表示及書寫的方法，初步構建配位鍵模型。二是在證據推理與科學探究中鞏固配位鍵模型。教師引導學生利用實驗信息系統，完成“向盛有硫酸銅溶液的試管里滴加幾滴氨水，觀察實驗現象；繼續滴加氨水并振蕩試管，再向試管中加入乙醇，用玻璃棒摩擦試管壁，觀察實驗現象”等實驗操作。思考“生成的藍色沉淀是什么？”“晶體和溶液呈現的深藍色究竟是什么離子的顏色？”等問題。教師針對學生提出的[Cu（H2O）4]2+、[Cu（H2O）4]6+等猜想，引導學生根據配位鍵的知識尋找理論證據，借助實驗現象的宏觀證據，對部分猜想進行證實或證偽。學生采取小組合作學習模式，結合實驗信息系統的操作，展開“利用pH傳感器和高精度滴數傳感器監測氨水滴定硫酸銅溶液全過程的pH變化，以此判斷呈現深藍色的究竟是哪種配離子”等實驗推理過程。在實際操作中，學生需要完成氨水滴定硫酸銅溶液實驗裝置的組裝，生成氨水滴定硫酸銅溶液的pH變化與時間的關系圖像，并分析圖像表征。學生在數字化實驗設計和操作中，感受科技進步帶來的革新，并依據證據進行推理，在對不同猜想證實與證偽的過程中鞏固配位鍵模型。

四、利用數字化實驗教學發展科學探究與創新

意識素養

在培養科學探究與創新意識素養時，需要學生充分認知化學實驗本質上是一個科學實驗，幫助學生針對已有問題進行科學的探索、分析，并且逐步提高自身創作能力的實踐過程，合理設計并展開實驗探究；在探究中積極合作與提出獨到的見解。

例如，在進行人體吸入空氣與呼出氣體的差異探究時，利用數字化實驗可以提高探究的整體質量，能夠更好地幫助學生了解水蒸氣和二氧化碳在氧氣含量中含有的差異探索，促使學生在短時間內理解該實驗的目的及實驗方法，增強學生在實驗學習時的整體學習效果，能夠讓學生在實際開展實驗探究時，實驗探究質量得以提升，學生也能夠增強學科素養。在實驗中連接好塑料瓶、膠皮管、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器等各種儀器及數據線，打開二氧化碳傳感器開關。傳感器測試出瓶子內正常空氣中三種物質的含量，并隨之生成波形圖。學生結合傳感器測試到瓶子內正常空氣中的氧氣含量的波形圖，發現呼出氣體后，曲線下降速度緩慢，氧氣含量減小的幅度較小，減少幅度在3%左右，即實際初始值與最終測試值之間的差距。結合傳感器測試到瓶子內正常空氣中的二氧化碳含量的波形圖，發現呼出氣體后，二氧化碳的含量和曲線快速上升，前后值差距在44 500 ppm左右，擴大的倍數較大。根據水蒸氣含量的波形圖，發現呼出氣體后的水蒸氣含量和曲線上升較快，前后值差距在50%左右，擴大了2倍。在以往的實驗教學中，實際操作的影響因素較多，包括瓶內的深度與木條伸入的速度等，導致實驗效果不盡理想。教師可在本課實驗教學的基礎上，利用數字化實驗設計延伸文本內容。

五、利用數字化實驗教學發展科學精神與社會

責任素養

在分析科學精神與社會責任素養時可以發現其對學生的要求：讓所有學生實際學習時擁有科學的、實事求是的、極為嚴謹的態度，使學生在學習過程中的學習質量得以提升。學生在這一階段能夠擁有探究真理的求知意識，對社會發展及化學學科發展而言都能夠做出積極的貢獻。

例如，學習了“溶液”單元內容的“一定溶質質量分數的氯化鈉溶液的配制”的實驗活動后，教師利用數字化實驗設計的教學方式，對“水的凈化”與“粗鹽提純”等教學內容進行拓展與延伸，結合中國古代鹽文化，加強學生的文化自信。教師圍繞化學知識設計問題情境，貼合學生的生活實際，讓學生利用所學知識解決實際問題，感受化學與生活之間的關系，有服務于生活的社會責任意識。教師布置用數字化實驗設計“利用海水制備生理鹽水”主題的項目活動，學生采取小組合作學習模式，利用數字化實驗信息系統完成蒸餾水的制備實驗，鞏固蒸餾操作，復習儀器使用和安裝規則，提高學生的動手能力。在系統中完成粗鹽的提純操作，需要學生結合資料了解古代鹽文化，增強學科的人文背景，并結合日本福島核污染水排海后民眾瘋狂搶鹽的事件，讓學生有不盲目跟風的思想觀念，能夠科學看待并發現和解決問題的意識；在海水制鹽的實驗操作中，結合資料提高對工業流程的認知能力等；在粗鹽提純的實驗中設計除雜流程，展開沉淀和過濾等操作，發展科學精神與提高創新能力。在生理鹽水的制備實驗操作中，復習溶液與溶劑相關的知識，強化實驗操作能力與學科素養。小組圍繞“如何檢驗該溶液中是否含有氯化鈉，濃度是否為0.9%呢？”的任務，展開生理鹽水的檢驗實驗操作，通過定性檢驗復習氫離子的檢驗方法；在定量檢驗中，強化學生用方程式進行計算的能力，感受定性到定量的過渡，樹立從量的角度去認識化學的思維。設計自制等滲與高滲洗鼻鹽的趣味小實驗，將化學實驗延續至生活中的化學，培養學生的實踐能力與創新意識。

六、結束語

化學是一門以實驗為基礎的學科，利用數字化實驗設計的教法解決實驗現象不明顯和實驗教學延伸等問題，有利于拓展課堂的容量與學科的育人價值。教師根據學情和教學目標等決定性要素，利用數字化實驗的方式提升化學實驗的教學質量和效率，營造輕松和諧的教學氛圍，集中學生的注意力，能夠幫助學生進一步掌握化學知識，提高學生的科學探究等學科核心素養。

【參考文獻】

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