例析數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)課堂中的應(yīng)用

周潔

DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)（下稱“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”）是以真實(shí)的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過各種傳感器將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集以后，交由計(jì)算機(jī)分析處理，從而更加清晰明確地展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、揭示實(shí)驗(yàn)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)手段。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了感官的延伸、表征的多元、數(shù)據(jù)的可靠、處理的科學(xué)以及觀念的更新，幫助中學(xué)化學(xué)教學(xué)搭上了信息時代的“高鐵”。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)正在逐步普及。

我校幾位化學(xué)教師都進(jìn)行了將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于課堂教學(xué)的嘗試，并且收到了良好的效果，現(xiàn)例析如下：

案例一：在常州市的一次教研活動中，錢麗老師開設(shè)了公開課“再探氫氧化鈉和二氧化碳的反應(yīng)”，課堂擬解決如何驗(yàn)證氫氧化鈉和二氧化碳發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。錢老師通過經(jīng)典的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)——噴泉實(shí)驗(yàn)、U型管實(shí)驗(yàn)，一一對二氧化碳的消失進(jìn)行了驗(yàn)證。在課的最后，錢老師引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，用壓強(qiáng)傳感器連接抽濾瓶支口，將注射器中的氫氧化鈉注射入錐形瓶后，開始采集數(shù)據(jù)，同時電腦屏幕上出現(xiàn)了壓強(qiáng)隨時間變化的曲線圖（圖1）。

評析：氫氧化鈉溶液與二氧化碳的反應(yīng)是初中化學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)，因?yàn)槎咧g的反應(yīng)沒有明顯的現(xiàn)象，學(xué)生在學(xué)習(xí)這一反應(yīng)時沒有感性認(rèn)識，較難掌握知識點(diǎn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用巧妙的設(shè)計(jì)，把二氧化碳減少所帶來的壓強(qiáng)變化以噴泉或者液面變化等直觀的現(xiàn)象表現(xiàn)出來，讓學(xué)生有了深刻的體會。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的登場，則把二氧化碳減少引起的壓強(qiáng)的變化數(shù)值，以圖像的形式直接呈現(xiàn)在學(xué)生面前，既驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)象的合理性，又科學(xué)地呈現(xiàn)了該體系中真實(shí)的壓強(qiáng)狀況，對學(xué)生來說更具說服力。此外，借助具體數(shù)據(jù)，還可以從定性到定量繼續(xù)深入挖掘該反應(yīng)，拓展與高中銜接的知識，對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)又添助力。此反應(yīng)中，溫度和二氧化碳的含量也可以通過對應(yīng)的傳感器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。在原有基礎(chǔ)上，錢老師等人繼續(xù)進(jìn)行課外研究，改進(jìn)裝置，實(shí)現(xiàn)了壓強(qiáng)、溫度、二氧化碳含量三個數(shù)據(jù)圖像的同時繪制，為教師的教學(xué)研究提供了新的角度。

案例二：陳玲老師開設(shè)的區(qū)級公開課“專題復(fù)習(xí)：圖像題”，重點(diǎn)復(fù)習(xí)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)繪制出的一類圖像題。陳老師在課上用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了“暖寶寶”的研究，利用濕度傳感器、溫度傳感器和氧氣傳感器進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和圖像繪制，幫助學(xué)生加深了對鐵生銹現(xiàn)象的理解。

評析：“暖寶寶”發(fā)熱的原理利用了鐵生銹這一緩慢氧化過程。借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對書本上的鐵生銹實(shí)驗(yàn)有了新的認(rèn)識。鐵生銹消耗空氣中的氧氣和水，因此，用壓強(qiáng)傳感器可以得到一條由于氧氣減少而壓強(qiáng)變小的曲線（圖2-a）。另外，氧氣傳感器的使用，直觀地表現(xiàn)出裝置內(nèi)氧氣含量的變化情況（圖2-b）。這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也彌補(bǔ)了教學(xué)中的一個盲點(diǎn)。壓強(qiáng)的減小是由于裝置內(nèi)氣壓的減小，說明鐵生銹需要消耗空氣中的某種氣體，但怎么確定這種氣體就是氧氣呢？以往的教學(xué)中，教師可以從元素守恒的角度出發(fā)，讓學(xué)生進(jìn)行分析，而借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生真正“看到了”消耗的氣體確實(shí)是氧氣。在濕度傳感器的幫助下，得出了一條截然相反的曲線（圖2-c），更是出乎學(xué)生的預(yù)料。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生進(jìn)行資料查閱，發(fā)散思維，創(chuàng)造性地解答了這一實(shí)驗(yàn)中的“異?！爆F(xiàn)象——吸水性樹脂補(bǔ)充了水分，保證了鐵生銹的持續(xù)發(fā)生。

案例三：在市級評優(yōu)課“廚房中的化學(xué)”上，筆者帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行了對能源、材料和酸堿鹽相關(guān)知識的復(fù)習(xí)。筆者利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，借助溫度傳感器和pH傳感器完成了對醋酸與氫氧化鈉反應(yīng)這一陌生情境化學(xué)反應(yīng)的探究。

評析：醋酸作為一種有機(jī)酸，有著和書本第七章所學(xué)的無機(jī)酸類似的性質(zhì)。筆者試圖借助這一陌生物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對酸的性質(zhì)的知識遷移，其中，酸與堿的中和反應(yīng)又是重點(diǎn)。筆者先讓學(xué)生進(jìn)行化學(xué)方程式的遷移，強(qiáng)化符號表征；然后提問學(xué)生該反應(yīng)的微觀實(shí)質(zhì)，滲透微觀表征；接下來提問該反應(yīng)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生注意其宏觀表征。然而，醋酸與氫氧化鈉的反應(yīng)也是一個無明顯現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)，于是筆者設(shè)計(jì)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注圖像表征。實(shí)驗(yàn)將分液漏斗中的醋酸加入燒杯中的氫氧化鈉溶液中，將傳感器置于盛有氫氧化鈉溶液的燒杯中，采集數(shù)據(jù)，繪制圖像（圖3）。從圖中，學(xué)生能清楚地看到中和反應(yīng)所帶來的溫度變化和pH值變化，從而歸納出驗(yàn)證無明顯現(xiàn)象反應(yīng)發(fā)生的視角——生成物產(chǎn)生的視角、反應(yīng)物減少的視角、能量變化的視角，實(shí)現(xiàn)了知識的深化和思維的提升。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融入化學(xué)教學(xué)，為教學(xué)方法的轉(zhuǎn)變注入了新的活力。當(dāng)然，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)只是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充、拓展和延伸，絕不能替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，但兩者的互相補(bǔ)充，必將讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教育功能實(shí)現(xiàn)更大化。因此，我們有理由相信，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的普及有著廣闊的空間，這要求我們化學(xué)教師要不斷更新自己的觀念，掌握數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技能，以迎接更多的挑戰(zhàn)。

（作者單位：江蘇省常州市中天實(shí)驗(yàn)學(xué)校）

領(lǐng)銜人點(diǎn)評：信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合，已經(jīng)成為當(dāng)前基礎(chǔ)教育改革的趨勢和潮流。技術(shù)的變革帶來了新的思想、新的工具、新的學(xué)習(xí)方式。在化學(xué)教學(xué)過程中，數(shù)字化傳感技術(shù)以客觀的數(shù)據(jù)突破了宏觀與微觀之間的關(guān)系建構(gòu)，拓展了化學(xué)課程資源，成為實(shí)驗(yàn)探究和教學(xué)創(chuàng)新的支點(diǎn)，對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)起到了促進(jìn)作用。本文中的幾個案例均為一線教師在常態(tài)課中運(yùn)用數(shù)字傳感器的成功案例，對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)應(yīng)用具有一定的參考價值。