芻議中學數(shù)字化化學探究實驗室建設

馬威燕

【摘要】本文從硬件和軟件環(huán)境兩個方面說明了中學數(shù)字化化學探究實驗室的建設，并分別對硬件和軟件建設中存在的問題進行了說明。

【關鍵詞】數(shù)字化 化學 探究 實驗室建設

【中圖分類號】G633.8 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）04-0155-01

數(shù)字化技術在化學課堂和科學探究活動中的應用十分廣闊，它對于整合課程資源、促進教師教學方式和學生學習方式的轉(zhuǎn)變和提高教學質(zhì)量有積極影響。數(shù)字化化學探究實驗室包括硬件環(huán)境與軟件環(huán)境。前者主要指實驗室、手持技術儀器（如數(shù)據(jù)采集器與各類傳感器）和計算機等；后者指教師、學生和教學內(nèi)容（如教科書和專著）。

一、硬件環(huán)境的建設

1.化學實驗室建設：實驗室的數(shù)量，基本實驗藥品、儀器與相關設備的配置必須達標，實驗臺設計要有利于體現(xiàn)合作探究與互動式學習，為學生進行探究活動奠定物質(zhì)基礎。

2.手持技術儀器的配置：主要包括數(shù)據(jù)采集器與傳感器（探頭）。前者主要用于采集并儲存實驗數(shù)據(jù)；后者可根據(jù)探究需要測定的參數(shù)（如溫度、濕度、光強、pH值、溶解氧濃度、電導率、氣壓、電流、電壓等）而自行選擇。同時，這些儀器的輕巧與便攜還為學生進行戶外探究提供了可能——如學生可以帶上溶解氧傳感器、pH傳感器和電導率傳感器與數(shù)據(jù)采集器，在河邊進行實時定量測定河水的有關常數(shù)和進行水質(zhì)分析。

3.計算機配置：將計算機與手持技術儀器聯(lián)用時，傳感器可以精確地測量與傳遞實驗中所測定的各種實驗參數(shù)，所得實驗數(shù)據(jù)將通過數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)到計算機中，計算機經(jīng)由配套軟件將數(shù)據(jù)以表格和圖像的形式呈現(xiàn)，并進行分析處理。例如將溫度傳感器與pH傳感器置于盛有少量水的燒杯中，隨著固體氫氧化鈉的加入，計算機屏幕上將分別出現(xiàn)兩條逐漸上升的實驗曲線，并且在表格中實時顯示溫度與pH值的變化數(shù)據(jù)。可見，利用基于計算機的化學實驗，能使傳統(tǒng)教學中的定性實驗得以量化驗證。

4.硬件環(huán)境的建設方面存在的問題：硬件方面存在的問題主要是一些附屬設備不配套，如中和滴定實驗時，磁性攪拌器數(shù)量太少，演示實驗可以滿足，但是作為學生實驗數(shù)量嚴重不足。

二、軟件環(huán)境的建設

1.轉(zhuǎn)換教師角色。數(shù)字化化學探究實驗室的建設對化學教師提出更新和更高的角色要求：教師必須具備一定的信息技術技能——會熟練使用手持技術儀器進行化學探究；教師應是課程的建設者與開發(fā)者——善于從生活、社會及教科書中挖掘能運用手持技術探究與解決的化學問題；教師應是學生學習的引導者與促進者——引導學生在利用手持技術進行探究時解決各類問題，促進學生探究能力的培養(yǎng)；教師應是教學的研究者——研究手持技術使用過程中學生的學習心理與認知機制等；教師應進行自覺反思——使探究式教學經(jīng)驗理論化與成熟化，不斷加強數(shù)字化探究實驗室利用效率。

2.充分體現(xiàn)學生的主體性作用。數(shù)字化探究實驗室要求學生改變以往過多依賴教師的學習方式，如學生應在新的學習環(huán)境中，大膽借助手持技術與計算機技術從多渠道獲得所需信息，敢于對書本質(zhì)疑，樂于動手探究等等。當然，學生利用信息技術進行自主學習，是具備一定條件的：學生必須具有獨立自主學習的精神、具有善于獲取知識的能力和能掌握適合自己特點和學習要求的學習策略。此外，手持技術儀器能快速測定并以數(shù)據(jù)和圖表的形式呈現(xiàn)整個探究過程，有助于學生通過對圖像變化趨勢的觀察與理解，及時對實驗條件做出適當?shù)恼{(diào)整或建立新的實驗假設，并在每一次修訂實驗方案或控制探究變量的過程中不斷思考自己的預測與實驗事實不吻合的具體原因，從而導致更深層次的學習。

3.選擇合適的教學內(nèi)容支撐。這要求教師應積極挖掘現(xiàn)行新教材中的配套探究題材，并鼓勵學生通過查閱相關專著和文獻，積極開展探究活動。如在《化學2》的“化學反應能量的變化”教學時，可引導學生采用溫度傳感器，定量測定不同物質(zhì)（如生石灰、硝酸銨、氯化鈉等）在溶于水時溫度變化情況，通過分析實驗曲線以加強其對放熱反應與吸熱反應的認識。

4.軟件環(huán)境的建設中存在的問題

（1）教師方面存在的問題

①化學教師應用信息技術能力比較差。數(shù)字化化學探究實驗室能利用手持技術測量和儲存隨時間變化的大量的各種物理量以及隨其它方面變化的數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)能快速的可視化。但是由于化學教師應用信息技術能力比較差，一時難以適應新的教學環(huán)境的需要，從而導致數(shù)字化化學探究實驗室利用率很低。

②化學教師駕馭探究式教學的能力較差。許多教師適應了傳統(tǒng)的教學模式，駕馭探究式教學的能力比較弱，一旦帶入數(shù)字化化學探究實驗室，教師就會出現(xiàn)手忙攪亂，不知所措，從而導致教師從心底里不愿使用數(shù)字化化學探究實驗室。

（2）學生方面存在的問題

①學生發(fā)現(xiàn)與提出問題能力比較弱。數(shù)字化化學探究實驗室應用過程中反映出學生發(fā)現(xiàn)與提出問題能力比較弱，不能從日常現(xiàn)象或經(jīng)教師啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)有探究價值的問題，不能用口頭或書面的形式清楚地表述問題。

②學生實驗設計能力比較弱。學生不能根據(jù)所要解決的化學探究問題，結合手持技術儀器的優(yōu)點，獨立或與他人合作設計實驗方案；不能對實驗方案的可行性進行初步論證。

③學生收集證據(jù)與數(shù)據(jù)處理能力比較弱。不能對所得證據(jù)運用表格和圖像等形式進行處理；不能根據(jù)誤差分析原理對實驗數(shù)據(jù)進行初步分析。

④評價能力與元認知能力比較弱。不能對結論的可靠性進行客觀評價；不能對自己在探究活動中的表現(xiàn)進行反思。

總之，建立數(shù)字化化學探究實驗室是一項新的教育工程，實現(xiàn)管理與使用效能的最大化也是一個全新的課題，專職實驗人員必須首先學習、摸索，逐步在教學中熟練應用，并帶領其他教師能結合具體的校情、教情、學情，在教學中逐步應用，從而使先進的教學設備發(fā)揮其應有的作用。