關(guān)于等效平衡的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)初步研究與思考

倪凱群

摘 要：主要介紹如何在等效平衡的學(xué)習(xí)過(guò)程中進(jìn)行數(shù)字化化學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究，以及如何培養(yǎng)中學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究能力的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：等效平衡；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；研究

等效平衡的問(wèn)題就是指利用與某一種平衡狀態(tài)等效的過(guò)渡平衡狀態(tài)（相同平衡）進(jìn)行與之有關(guān)的問(wèn)題分析和判斷，或利用相似平衡的相似原理進(jìn)行有關(guān)量的計(jì)算。同時(shí)等效平衡也是一種思維分析方式和解題方法。由于等效平衡問(wèn)題其豐富的知識(shí)點(diǎn)和靈活的考查方式，所以其對(duì)思維能力起到較強(qiáng)的鍛煉效果；因此，它也一直是學(xué)生在學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)“化學(xué)平衡”這一部分內(nèi)容時(shí)最大的難點(diǎn)。很多學(xué)生在接觸到這一問(wèn)題時(shí)，恐懼感很強(qiáng)，自信心不足。等效平衡的概念說(shuō)明了化學(xué)反應(yīng)的途徑與化學(xué)平衡的狀態(tài)無(wú)關(guān)。對(duì)于相同的條件，無(wú)論反應(yīng)從什么方向開始，可逆反應(yīng)達(dá)到的化學(xué)平衡時(shí)的狀態(tài)是相同的。等效平衡也是利用平衡等效來(lái)解題的一種很好的思維方式和解題方法。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主要是以手持式數(shù)據(jù)儀器為主的實(shí)驗(yàn)，其中采集器與傳感器（各類探頭）為主要工作原件。采集器負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集并儲(chǔ)存；傳感器根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要測(cè)定的參數(shù)而自行選擇；同時(shí)，數(shù)字化儀器的輕巧還為學(xué)生課外活動(dòng)探究提供了方便。對(duì)于教師而言可以根據(jù)實(shí)際情況，把課堂開設(shè)在數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)和化學(xué)原理的理解。以“酸堿中和滴定”為例，利用pH傳感器、溫度傳感器和計(jì)算機(jī)，在化學(xué)課堂上演示“中和反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)可以以表格和圖像的形式呈現(xiàn)并快速的分析處理。數(shù)字化儀器很大程度上能使過(guò)去的定性實(shí)驗(yàn)得以定量化的驗(yàn)證。

本文的著手點(diǎn)在于如何將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于等效平衡。經(jīng)過(guò)實(shí)踐研究在這里選取3個(gè)有代表性的實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單說(shuō)明。

對(duì)于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)而言，數(shù)字化的意義在于精確地定量。數(shù)字化儀器測(cè)量的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)論實(shí)驗(yàn)時(shí)間很長(zhǎng)或很短，或者需要同時(shí)獲得多種數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)傳感器和數(shù)據(jù)收集器能夠很容易的解決。如果能夠巧妙地組合搭配使用數(shù)據(jù)傳感器和數(shù)據(jù)收集器來(lái)采集數(shù)據(jù)分析處理，使學(xué)生能夠有更多的時(shí)間在分析處理數(shù)據(jù)，找尋其中的規(guī)律。這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)都是傳統(tǒng)課堂無(wú)法演示的實(shí)驗(yàn)。有了數(shù)字化傳感器后，能夠?qū)⒉豢筛兄淖兂煽筛兄?。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)只能讓學(xué)生看顏色變化，用了數(shù)字化儀器后可以直觀地看到壓強(qiáng)的變化，顏色轉(zhuǎn)變對(duì)透光率的影響。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)可以看到醋酸鈉的水解反應(yīng)與醋酸與氫氧化鈉的中和反應(yīng)之間具有微妙的可逆性，因?yàn)殛P(guān)系到放熱和吸熱，所以必須要用到溫度傳感器，通過(guò)計(jì)算算出溫度對(duì)反應(yīng)的影響，進(jìn)而使學(xué)生得出溫度方面的正逆向反應(yīng)互斥的結(jié)論。第三個(gè)實(shí)驗(yàn)是典型的溶解與析出平衡，因?yàn)槿芙舛扰c溫度密切相關(guān)，所以需要對(duì)溶液濁度進(jìn)行測(cè)量的同時(shí)，需要對(duì)溫度進(jìn)行跟蹤，同時(shí)檢測(cè)溶液中氧含量對(duì)平衡速率及時(shí)間的影響。

同時(shí)通過(guò)這三個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作和要求可以看出數(shù)字化化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究技術(shù)對(duì)廣大的化學(xué)教師可以說(shuō)是提出了一個(gè)更加嚴(yán)苛的要求。我們可以從以下幾方面來(lái)分析：（1）從課堂教學(xué)與教師專業(yè)水平關(guān)系看，要求教師能夠教會(huì)學(xué)生使用（最好能獨(dú)立使用）數(shù)字化儀器進(jìn)行感興趣的化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)；（2）從課程與教學(xué)的關(guān)系看，要求教師善于從生活、社會(huì)及教科書中挖掘能運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)探究與解決的化學(xué)問(wèn)題；（3）從學(xué)生與教師的關(guān)系看，要求教師主動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)字化儀器進(jìn)行探究解決各類問(wèn)題，對(duì)于提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的能力是有促進(jìn)作用的；（4）從教學(xué)與自我認(rèn)識(shí)的關(guān)系看，反思型的教師可以使自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)不斷地成熟，理論不斷完善，有利于今后對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的研究與探索。對(duì)于學(xué)科教學(xué)而言，這有助于廣大化學(xué)教師提高自身的素養(yǎng)，使學(xué)科內(nèi)容與教學(xué)過(guò)程有機(jī)融合，提高自己的教學(xué)設(shè)計(jì)能力、課題開發(fā)與研究的能力、促進(jìn)學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)的能力等。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)極大程度地改變了學(xué)生過(guò)多依賴教師的學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生在新的學(xué)習(xí)環(huán)境中利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)從多渠道獲得所需數(shù)據(jù)信息，提高了學(xué)生的質(zhì)疑能力、動(dòng)手能力等。當(dāng)然，這是需要一定前提條件的，即學(xué)生需要具有符合學(xué)習(xí)要求的學(xué)習(xí)策略、獨(dú)立自主學(xué)習(xí)的精神、善于獲取知識(shí)的自學(xué)能力。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠快捷方便的測(cè)定數(shù)據(jù)，并以圖表的形式直觀地呈現(xiàn)整個(gè)探究過(guò)程。在此過(guò)程中，學(xué)生對(duì)圖像變化的觀察與理解及時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件做出合理的調(diào)整，并在調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案或控制探究變量的過(guò)程中引導(dǎo)自己走向更深層次的學(xué)習(xí)。

數(shù)字化化學(xué)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力方面起到較好的推動(dòng)作用，當(dāng)然在實(shí)際的運(yùn)用中，這種方式培養(yǎng)學(xué)生探究能力時(shí)存在許多難以回避和克服的實(shí)際問(wèn)題。從教師的角度看，一線的許多教師仍然青睞“黑板+粉筆”的教學(xué)模式，在心理上畏懼?jǐn)?shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)；一少部分教師雖然掌握了相當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)技術(shù)，但是限于自身專業(yè)水平，不善于運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，不能夠很好地融合到化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和相關(guān)課題的研究中。

就學(xué)生這個(gè)角度而言，他們大部分都早已經(jīng)習(xí)慣于“聽(tīng)著”學(xué)化學(xué)，在題海里做題學(xué)化學(xué)，面對(duì)如何在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)，產(chǎn)生深深的畏懼心理而不知所措。

從選題的角度看，現(xiàn)有的教科書中并無(wú)現(xiàn)成的探究案例可循，如果想要充分發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器的功能，就要求教師和學(xué)生對(duì)日常生活中出現(xiàn)的有關(guān)問(wèn)題共同探討，提出有意義的課題；而課題的選擇與確定，則要求師生平日里多觀察留心，要具備較強(qiáng)的概括能力，能夠概括提出發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，這在目前具有很大的操作難度。

從課時(shí)的角度看，一般學(xué)?；瘜W(xué)周課時(shí)為2～3課時(shí)；借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器學(xué)進(jìn)行化學(xué)研究性學(xué)習(xí)則會(huì)比較耗時(shí)，對(duì)于這一問(wèn)題要妥善處理好是有難度的。

從推廣的角度看，雖然在我國(guó)發(fā)達(dá)地區(qū)的少數(shù)中學(xué)中，不少學(xué)校還運(yùn)用它開設(shè)了一系列的校本課程，在日常教學(xué)與研究性的學(xué)習(xí)中又積極地培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)探究能力，具有象征性，從教育的廣泛意義上來(lái)說(shuō)取得了一定的成效。但是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的具體應(yīng)用依然還處于起步的階段，還有很大的前景可以作為，也有許多的實(shí)際問(wèn)題等待解決。

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編輯 魯翠紅