高中化學(xué)教學(xué)中數(shù)字化實驗的應(yīng)用

【摘 要】本文論述數(shù)字化實驗在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，提出結(jié)合學(xué)生學(xué)情，直擊重點知識;優(yōu)化教學(xué)方式，鼓勵自主探究;實施小組合作，喚醒求知欲望;發(fā)揮直觀優(yōu)勢，活躍課堂氣氛;營造良好氛圍，提高實驗效率等教學(xué)建議，以期提高高中化學(xué)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)能力。

【關(guān)鍵詞】高中化學(xué) 數(shù)字化實驗 應(yīng)用策略

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2021）34-0043-02

新課程改革對各學(xué)科提出了較高的標(biāo)準(zhǔn)與要求，以期更好地滿足學(xué)生日益增長的個性化學(xué)習(xí)需求。化學(xué)學(xué)科最為顯著的特征是以實驗理論和規(guī)律為探究知識的基礎(chǔ)，實驗教學(xué)在化學(xué)學(xué)科中非常重要。但傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式過于單一枯燥，主要是讓學(xué)生在課后直接背誦實驗步驟，而學(xué)生并未理解實驗的真正意義，從而影響學(xué)生綜合素養(yǎng)的提升。數(shù)字化實驗是信息技術(shù)蓬勃發(fā)展下的產(chǎn)物，有著較高的安全性，且以清晰直觀的方式突破化學(xué)重難點，改變了傳統(tǒng)實驗教學(xué)耗時長且學(xué)生難以看到顯著化學(xué)現(xiàn)象的狀況，使學(xué)生能深入理解化學(xué)知識，提高化學(xué)學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量，對學(xué)生未來發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義。

一、結(jié)合學(xué)生學(xué)情，直擊重點知識

毫無疑問，數(shù)字化實驗的出現(xiàn)能在一定程度上彌補傳統(tǒng)化學(xué)實驗的不足?？v觀傳統(tǒng)的化學(xué)實驗，受主客觀因素的影響，教師在演示操作部分特殊實驗時無法取得最佳效果，以致學(xué)生無法通過實驗明確其中涵蓋的化學(xué)知識，甚至還會消磨學(xué)生探究知識的興趣，影響教學(xué)效果。數(shù)字化實驗?zāi)苡行П苊馍鲜鰡栴}，以清晰直觀的方式為學(xué)生呈現(xiàn)化學(xué)原理，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。與此同時，化學(xué)教師可運用數(shù)字化實驗講解抽象原理和概念，降低學(xué)生的理解難度，為學(xué)生呈現(xiàn)客觀且清晰的實驗結(jié)論，這樣有利于學(xué)生理解和記憶化學(xué)知識。

以“原電池效率實驗研究”為例，教師在教學(xué)中引入數(shù)字化實驗，提前準(zhǔn)備導(dǎo)線、砂紙、鹽橋、簡易量熱計、量筒、燒杯、實驗藥品、電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、圖形數(shù)據(jù)采集器、平板/手提電腦等。先配制1.0mol/L ZnSO4溶液與1.0mol/L CuSO4溶液各500ml作為實驗備用。再用砂紙打磨幾片鋅片和銅片，將各種傳感器、數(shù)據(jù)采集器與電腦連接。在簡易量熱計中先后放入100ml 1.0mol/L CuSO4與100ml 1.0mol/L ZnSO4，再將溫度傳感器探頭插入溶液中，保持約2分鐘，等溶液溫度與探頭溫度一致后再取一片已打磨的鋅片放入CuSO4溶液中，之后隨著時間變化測定反應(yīng)體系的電壓、電流、溫度并采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

在上述數(shù)字化實驗中可以發(fā)現(xiàn)，鋅銅雙液原電池在相同條件下工作時溫度變化較小，化學(xué)能極少轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生的電壓與電流相對穩(wěn)定，從化學(xué)能轉(zhuǎn)為電能的效率極高。數(shù)字化實驗?zāi)苤笇?dǎo)學(xué)生深入理解原電池知識，使學(xué)生的認(rèn)知從簡單過渡到復(fù)雜，深化化學(xué)學(xué)習(xí)認(rèn)知。

二、優(yōu)化教學(xué)方式，鼓勵自主探究

在高中化學(xué)中引入探究式實驗教學(xué)的目的在于讓學(xué)生改變以往依附于教師思考和學(xué)習(xí)的情況，學(xué)會自主探究與分析，并在獨立實驗操作中大膽猜想自身存在的問題，將問題融入實驗操作中驗證猜想正確與否，這樣有利于深化學(xué)生對所學(xué)知識的理解?；瘜W(xué)教師在此過程中需充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，其自身則從主導(dǎo)者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者、組織者與指導(dǎo)者，在學(xué)生有疑惑時適當(dāng)進(jìn)行點撥，通過和學(xué)生深層次討論分析并明確問題所在，再通過指導(dǎo)學(xué)生提出針對性較強的建議，強化學(xué)生感知，充分教授實驗中涵蓋的化學(xué)知識，提高實驗教學(xué)效率，最大限度地滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)需求。

以“油脂”教學(xué)為例，該章節(jié)教學(xué)目的之一即運用實驗對油脂涵蓋的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行驗證，引入數(shù)字化實驗，為皂化反應(yīng)的發(fā)生提供全新的證據(jù)。教師在教學(xué)中先讓學(xué)生觀看教材中展示的油脂制作肥皂實驗，隨即提出問題：“是否可以運用數(shù)字化實驗對油脂與氫氧化鈉溶液反應(yīng)過程中的溫度變化進(jìn)行驗證？通過運用溫度傳感器說明反應(yīng)是否存在?！睂嶒灳唧w操作為：分別取豆油、20ml飽和NaOH溶液放置于錐形瓶中進(jìn)行充分振蕩，運用溫度傳感器對乳濁液溫度進(jìn)行測定，記錄溫度變化曲線，學(xué)生發(fā)現(xiàn)在振蕩中混合物溫度無變化;再在錐形瓶中加入12ml乙醇，振蕩后運用溫度傳感器測定混合物溫度，學(xué)生發(fā)現(xiàn)乳濁液在振蕩中從渾濁逐漸轉(zhuǎn)為透明，最后液體轉(zhuǎn)化為類似于肥皂的固體。

高中化學(xué)教師在上述教學(xué)過程中運用數(shù)字化實驗?zāi)茌^好地彌補傳統(tǒng)實驗的不足，其中運用溫度傳感器進(jìn)行油脂與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)能使學(xué)生充分理解化學(xué)知識，并體驗和感悟新技術(shù)為化學(xué)學(xué)習(xí)提供的便利，最重要的是建立起了從宏觀學(xué)習(xí)過渡到微觀學(xué)習(xí)的思維。

三、實施小組合作，喚醒求知欲望

數(shù)字化實驗的應(yīng)用能彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，在激發(fā)學(xué)生探究知識興趣的同時使學(xué)生形成創(chuàng)新、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)瓤茖W(xué)精神與學(xué)習(xí)態(tài)度。隨著新課程改革的全面實施，小組合作學(xué)習(xí)方式受到廣大師生的歡迎，學(xué)生在小組合作學(xué)習(xí)中彰顯自身主體作用，學(xué)會自主探究知識以及發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，明確化學(xué)學(xué)科特征;最重要的是，它改變了以往死記硬背實驗步驟的形式，在有限的時間內(nèi)通過探究實驗來體驗化學(xué)學(xué)科特有的價值與魅力，進(jìn)而大幅提高實驗教學(xué)效率和學(xué)生學(xué)習(xí)效率。故而，在信息技術(shù)蓬勃發(fā)展的背景下，教師應(yīng)將小組合作學(xué)習(xí)與數(shù)字化實驗相結(jié)合，以全新的視角展開教學(xué)。

以“弱電解質(zhì)的電離平衡”教學(xué)為例，學(xué)生在學(xué)習(xí)該章節(jié)重點教學(xué)內(nèi)容，即濃度對弱電解質(zhì)電離平衡產(chǎn)生的影響時，容易錯誤地理解為，醋酸溶液的酸性會隨著濃度不斷下降而減弱，醋酸溶液的pH值相對較小?；瘜W(xué)教師可運用小組合作的形式讓學(xué)生運用pH值傳感器對稀釋醋酸溶液中的pH值進(jìn)行測量，從直觀的數(shù)據(jù)圖像中發(fā)現(xiàn)pH值在溶液的稀釋過程中的變化情況，深入理解稀釋溶液使醋酸的電離平衡產(chǎn)生變化，并在此過程中引發(fā)氫離子濃度的變化。

高中化學(xué)教師在數(shù)字化實驗中引入小組合作學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮了學(xué)生的主體作用，通過小組討論分析、教師適時點撥與引導(dǎo)，歸納總結(jié)出醋酸溶液pH值變化的原因，使學(xué)生對醋酸電離平衡的知識形成深刻印象。

四、發(fā)揮直觀優(yōu)勢，活躍課堂氣氛

信息技術(shù)具有顯著的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化等特征，為人們的生活生產(chǎn)提供了便利，也給教育領(lǐng)域帶來了變革。高中化學(xué)和初中化學(xué)相比，知識容量和難度均有所增加，學(xué)生在理解和學(xué)習(xí)中不可避免地會存在問題。尤其是該學(xué)科需要通過實驗來驗證理論知識和呈現(xiàn)現(xiàn)象，而傳統(tǒng)教學(xué)按照教材為學(xué)生演示操作的形式過于單一，導(dǎo)致學(xué)生在課堂觀看完畢后在課下直接背誦實驗步驟，并未能深入理解化學(xué)知識的內(nèi)涵。數(shù)字化實驗?zāi)茉谝欢ǔ潭壬蠌浹a傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，直擊化學(xué)重難點，使學(xué)生在有限的課堂時間里體驗知識形成過程，提升自主學(xué)習(xí)能力。

以“氯水的光照分解知識”為例，傳統(tǒng)氯水分解實驗需花費較長時間，不僅不利于學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象，還會消磨學(xué)生探究化學(xué)知識的興趣。部分教師在公開課上將一根彎曲的玻璃導(dǎo)管和圓底燒杯相連接，再將紅墨水放入導(dǎo)管，若紅墨水未褪色且位置移動則說明產(chǎn)生的氣體為氧氣。該裝置受手部搖晃與手指體溫的影響，故而紅墨水位置移動無法準(zhǔn)確說明是否生成氧氣。運用數(shù)字化實驗可將pH值傳感器與氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器相連接，在同一時間內(nèi)觀察氧氣含量的pH值變化。在采集實驗數(shù)據(jù)后，教師要引導(dǎo)學(xué)生實施多變量綜合探究實驗，在豐富實驗內(nèi)容的同時使學(xué)生感悟氧氣增加與不斷升高的氫離子濃度，對氯水光照反應(yīng)的本質(zhì)形成深刻理解。

高中化學(xué)教師在教學(xué)過程中應(yīng)充分發(fā)揮數(shù)字化實驗的優(yōu)勢，使學(xué)生通過觀看了解化學(xué)知識形成過程。數(shù)字化實驗過程與結(jié)果極具說服力，能活躍化學(xué)課堂氣氛，維持學(xué)生探究知識欲望，提高化學(xué)教學(xué)效率。

五、營造良好氛圍，提高實驗效率

當(dāng)前我國部分地區(qū)高中學(xué)校受各方面因素影響，發(fā)展較為落后，主要體現(xiàn)在實驗器材與設(shè)施相對陳舊，無法為高中生提供最佳的實驗操作機會與環(huán)境，學(xué)生只能通過觀看教師簡單的實驗演示或以閱讀教材的形式了解實驗步驟及其涵蓋的化學(xué)知識，課堂枯燥乏味，無法達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，更無法激發(fā)學(xué)生潛在的化學(xué)實驗興趣，長此以往會消磨學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)以及參與實驗的積極性和主動性。數(shù)字化實驗?zāi)茉谝欢ǔ潭雀纳粕鲜霈F(xiàn)狀，更重要的是它能代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗操作，安全性較高，而且能反復(fù)操作，進(jìn)而深化學(xué)生對所學(xué)化學(xué)知識的理解。

以“乙烯的性質(zhì)實驗”教學(xué)為例。高中化學(xué)教師在日常教學(xué)過程中將乙烯加入酸性高錳酸鉀溶液，溶液漸漸褪去紫紅色則說明已產(chǎn)生氧化反應(yīng)，由此學(xué)生可判定運用酸性高錳酸鉀溶液能鑒別甲烷與乙烯。然而，學(xué)生無法理解為何不能用酸性高錳酸鉀溶液去除甲烷中的乙烯，究其原因是學(xué)生不了解乙烯會被酸性高錳酸鉀氧化為二氧化碳，更不了解乙烯使溴的四氯化碳溶液褪色是取代反應(yīng)還是加成反應(yīng)。對此，化學(xué)教師引入數(shù)字化實驗，將二氧化碳傳感器連接數(shù)據(jù)采集器，發(fā)現(xiàn)二氧化碳含量逐漸增大，由此說明酸性高錳酸鉀溶液與乙烯反應(yīng)形成二氧化碳，故而不能用酸性高錳酸鉀溶液去除甲烷中的乙烯。教師再將壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集器相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)壓力不斷減小，說明溴的四氯化碳溶液與乙烯存在加成反應(yīng)。

高中化學(xué)教師在運用數(shù)字化實驗時應(yīng)注重營造良好氛圍，調(diào)動學(xué)生參與化學(xué)實驗的積極性和主動性，提高化學(xué)教學(xué)質(zhì)量。

總之，隨著高中化學(xué)課程的健全與完善，傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式已無法適應(yīng)現(xiàn)代教育提出的新要求與學(xué)生學(xué)習(xí)的需求，相繼暴露出傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足。數(shù)字化實驗的出現(xiàn)在一定程度上彌補了上述不足，學(xué)生在數(shù)字化實驗中能掌握難以理解的化學(xué)概念和原理，結(jié)論更加簡單清晰。與此同時，數(shù)字化實驗?zāi)苡行幚韽?fù)雜數(shù)據(jù)，尤其能處理計算誤差、擬合曲線、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)等復(fù)雜程序，再歸納分析實驗結(jié)果，使學(xué)生在理解實驗數(shù)據(jù)中親身體驗與感悟化學(xué)知識形成過程，強化觀察分析與解決問題的能力，大幅度提高高中化學(xué)教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生學(xué)習(xí)能力，實現(xiàn)學(xué)生核心素養(yǎng)培育的目標(biāo)。

【參考文獻(xiàn)】

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【作者簡介】李直蔚（1981— ），男，漢族，廣西博白人，大學(xué)本科學(xué)歷，高級教師，現(xiàn)就職于玉林市博白縣第三高級中學(xué)，主要研究方向為高中化學(xué)教育。

（責(zé)編 唐玉萍）