中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展與應(yīng)用

裴傳友 馬善恒 楊芹

摘要： 通過查閱國內(nèi)有關(guān)中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的文獻(xiàn)，從文件的出臺、教材的編寫、硬件的建設(shè)、專著的出版、活動的舉行和論文的發(fā)表等方面，介紹數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展，論述數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計、疑難問題的辨析、課堂教學(xué)的融合、教學(xué)模式的探索和對學(xué)生認(rèn)知的影響等方面取得的成果。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字化實(shí)驗(yàn); 中學(xué)化學(xué); 發(fā)展歷程; 應(yīng)用

文章編號： 1005-6629（2020）02-0056-06

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

我國的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)起步晚于西方發(fā)達(dá)國家，但發(fā)展很快。近年來，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了較多的成就。從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新設(shè)計逐漸向基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式研究過渡，并在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對教學(xué)效果和學(xué)生認(rèn)知的影響方面取得了較多的理論成果。現(xiàn)就數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的發(fā)展歷程和應(yīng)用研究進(jìn)行論述，以供同行參考。

1? 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的發(fā)展歷程

1.1? 文件的出臺

2003年教育部公布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》首次提出“了解常見傳感器及其應(yīng)用，體會傳感器的應(yīng)用給人們帶來的方便”的要求[1]。2004年公布的《上海市中學(xué)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（試行稿）》要求中學(xué)化學(xué)教學(xué)“推行在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用圖形計算器或掌上電腦（掌上實(shí)驗(yàn)室）和傳感器技術(shù)，并應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)課堂教學(xué)，特別是應(yīng)用于研究性學(xué)習(xí)之中”[2]。2018年1月，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》正式頒布。該標(biāo)準(zhǔn)指出要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與中學(xué)化學(xué)教學(xué)的深度融合，在中學(xué)化學(xué)教材中引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)[3]。

1.2? 教材的編寫

2005年，人民教育出版社出版的選修6《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》[4]中，編入了“利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究酸堿中和滴定過程中溶液pH的變化曲線”的內(nèi)容。山東科學(xué)技術(shù)出版社出版的選修6《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》[5]中，編入了“利用pH傳感器測定食醋的總酸度”“利用色度計測定食物中鐵元素含量”的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

1.3? 硬件的建設(shè)

2004年1月，首個中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室在天津市第一中學(xué)建成[6]，系該校與教育部教學(xué)儀器研究所共同研究建立的。2007年，學(xué)生化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室在南京市金陵中學(xué)建立，能在其中開展“中和滴定”等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。2011年，西部地區(qū)也建立了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，如內(nèi)蒙古包頭市固陽縣第一中學(xué)等。2016年，安徽省合肥市和馬鞍山市普通高中均配備了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室。

1.4? 專著的出版

最早有關(guān)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的兩本專著均為華南師范大學(xué)錢揚(yáng)義教授所著，分別為2003年高等教育出版社出版的《手持技術(shù)在理科實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究》[7]與2006年科學(xué)出版社出版的《手持技術(shù)在研究性學(xué)習(xí)中的應(yīng)用及其心理學(xué)基礎(chǔ)》[8]。2007年，北京師范大學(xué)王磊教授出版了《傳感技術(shù)——化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究手冊》[9]，以化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)和教材為依托，對傳感技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用開展了系統(tǒng)的研究。

1.5? 活動的推動

中國教育學(xué)會化學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會和南京師范大學(xué)組織了一個重要的活動，即“威尼爾”杯數(shù)字化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計大賽（以下簡稱“V賽杯”），現(xiàn)已更名為“全國化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用成果交流與培訓(xùn)”，舉辦者試圖以該活動調(diào)動廣大中學(xué)化學(xué)教師參與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究與應(yīng)用的積極性，使數(shù)字化實(shí)驗(yàn)走進(jìn)中學(xué)課堂，發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢作用。2011年第一屆“V賽杯”到2019年共舉行了八屆，從第一屆的5個省市的幾十件作品和幾十人參加到第八屆的28個省市的幾百件作品和近千人參加，說明數(shù)字化實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在全國得到推廣，而且正在逐步進(jìn)入中學(xué)化學(xué)課堂，應(yīng)該說“V賽杯”在推動數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用與研究方面發(fā)揮了較大的作用。

1.6? 論文的發(fā)表

從期刊論文發(fā)表的角度看，2018年底，筆者分別以“數(shù)字實(shí)驗(yàn)”“手持技術(shù)”“傳感器”等為關(guān)鍵詞，在中國知網(wǎng)、萬方數(shù)字期刊網(wǎng)和中國科技期刊數(shù)據(jù)庫（重慶維普）進(jìn)行檢索，再對所得相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行篩選，共獲取與中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相關(guān)的期刊文獻(xiàn)487篇（見表1）。

根據(jù)文獻(xiàn)檢索，從不同年份發(fā)表的數(shù)量統(tǒng)計可以看出，有關(guān)中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的期刊文獻(xiàn)從2003年開始出現(xiàn)，整體呈現(xiàn)增長的趨勢，2012年以后進(jìn)入快速發(fā)展期（見圖1）。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的快速發(fā)展主要來自兩個方面： 一方面是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器廠商加大了宣傳力度和加強(qiáng)了與各校的合作力度;另一方面由于地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，增加了對教育的經(jīng)費(fèi)投入，同時數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的實(shí)時性、直觀性、便捷性等優(yōu)點(diǎn)，自然引起教育研究者和一線教師的關(guān)注和應(yīng)用。

2? 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1? 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具有數(shù)字化感知、測量準(zhǔn)確和實(shí)時性記錄等特點(diǎn)，人們可以對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行技術(shù)上的改進(jìn)，目的是讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯、更直觀，或者操作更加簡便等。例如“酸堿中和滴定”實(shí)驗(yàn)中測定酸（堿）未知濃度，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通過選擇酸堿指示劑判斷終點(diǎn)，目測消耗標(biāo)準(zhǔn)液（待測液）的體積，存在操作繁瑣、數(shù)據(jù)過多、誤差過大等缺點(diǎn)。運(yùn)用pH傳感器和光電門傳感器測定滴定終點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)液（待測液）的體積（如圖2所示），能夠簡化操作，提高準(zhǔn)確性，有利于學(xué)生分析數(shù)據(jù)，探求其中內(nèi)在的規(guī)律。再如，用pH傳感器和溫度傳感器測定中和熱;用pH傳感器和電導(dǎo)率傳感器揭示離子反應(yīng)的實(shí)質(zhì);用壓強(qiáng)傳感器研究不同催化劑對過氧化氫分解的催化效率;用電流傳感器研究單液原電池與雙液原電池的優(yōu)缺點(diǎn)等。

圖2? 鹽酸標(biāo)準(zhǔn)液滴定未知濃度氫氧化鈉溶液的pH變化曲線

2.2? 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計主要指利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計的研究。在教學(xué)中，常常有一些化學(xué)概念比較抽象，學(xué)生缺少感性認(rèn)識，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)又無法提供較好的驗(yàn)證方案。學(xué)生在學(xué)習(xí)這些知識時，常常難以理解，逐漸產(chǎn)生迷思概念，出現(xiàn)學(xué)習(xí)的疑難點(diǎn)。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驈亩鄠€角度呈現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的信息，幫助學(xué)生從不同的角度分析和理解，而且各個信息之間相互印證，成為突破教學(xué)疑難點(diǎn)的利器[10]。

例如，用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法難以驗(yàn)證“沉淀溶解平衡”的存在，可以用電導(dǎo)率傳感器測定氯化銀固體加入蒸餾水中溶液導(dǎo)電性的增大證明難溶物也是溶于水的，并且通過電導(dǎo)率變化的數(shù)值可以看出難溶物溶解度很小，再用氯離子傳感器檢測向溶液中加入少量的硝酸銀固體后氯離子濃度變化，證明“沉淀溶解平衡”的存在（如圖3和圖4所示）[11]。再如，用濕度傳感器檢測濃硫酸的吸水性;用溫度傳感器和氧氣傳感器探究鐵粉型暖寶寶的發(fā)熱原理和最佳配比;用氧化還原傳感器探究84消毒液的漂白原理及其影響因素等。

圖3? 稀釋AgCl懸濁液數(shù)據(jù)圖

圖4? 改變AgCl懸濁液中Ag+濃度數(shù)據(jù)圖

2.3? 疑難問題的辨析

疑難問題辨析主要是利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究化學(xué)學(xué)科問題，對某些已有的結(jié)論辨析真?zhèn)?，或?qū)δ承┮郧皼]法研究的問題用實(shí)驗(yàn)論證。這類研究在我國占有相當(dāng)高的比例，這是我國數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究的特色之一。

例如，在溶液導(dǎo)電性的研究中，向鹽酸中加入少量的固體氫氧化鈉，很多中學(xué)教師的答案是溶液的導(dǎo)電性不變，理由是溶液的體積幾乎不變，溶液中的H+雖然減少了，但是多了Na+，離子濃度不變，因此溶液的導(dǎo)電性不變。但是利用電導(dǎo)率傳感器測量該實(shí)驗(yàn)過程中溶液導(dǎo)電性時，發(fā)現(xiàn)鹽酸中加入固體氫氧化鈉，開始時溶液的導(dǎo)電性減小，并不是不變的，如圖5所示。通過查閱文獻(xiàn)分析可知，在鹽酸溶液中加入氫氧化鈉固體，離子濃度基本不變，但是離子種類發(fā)生了改變，不同離子的摩爾電導(dǎo)率是不同的（298K時，在無限稀釋的水溶液中，H+的摩爾電導(dǎo)率為349.82×10-4S·m2·mol-1，而Na+的摩爾電導(dǎo)率為50.11×10-4S·m2·mol-1）[12]，導(dǎo)致溶液的導(dǎo)電性發(fā)生變化。

圖5? 固體氫氧化鈉與鹽酸反應(yīng)的電導(dǎo)率變化

2.4? 課堂教學(xué)的應(yīng)用

隨著數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用和推廣，這種課堂教學(xué)案例也逐漸得到人們的接受和重視。例如，“基于手持技術(shù)的‘離子反應(yīng)及其發(fā)生條件教學(xué)設(shè)計”[13]一文中作者利用鈣離子與硝酸根離子傳感器實(shí)時監(jiān)測反應(yīng)中兩種離子濃度的變化，通過直觀的數(shù)字呈現(xiàn)、圖像變化，學(xué)生對離子反應(yīng)“向著溶液中某些離子濃度減小的方向進(jìn)行”的實(shí)質(zhì)有了更為清楚的理解。再如，應(yīng)用pH傳感器和溫度傳感器測量濃度、酸度和溫度對鹽類水解的影響，將傳統(tǒng)的定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為定量、直觀、更加科學(xué)的實(shí)驗(yàn)，更有利于學(xué)生理解?！笆殖旨夹g(shù)

在‘醋酸的電離平衡教學(xué)中的應(yīng)用”[14]一文則應(yīng)用pH傳感器測量溶液的pH，“看見”H+的存在并直接通過計算機(jī)呈現(xiàn)溶液的物質(zhì)的量濃度，證實(shí)醋酸在水溶液中是部分電離的。同時，用溫度傳感器測溶液溫度，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注外界因素對電離平衡反應(yīng)的影響，培養(yǎng)學(xué)生的變化觀念和平衡思想。

2.5? 教學(xué)模式的研究

2007年，鄧峰、錢揚(yáng)義等在應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式做了深入研究，提出了基于手持技術(shù)的“激趣（Stimulate）”“引導(dǎo)（Steer）”“猜想（Suppose）”“演示（Show）”“探究（Seek）”“總結(jié)（Summarize）”的“6S”化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)模式的構(gòu)建與特點(diǎn)，并分析該教學(xué)模式在幫助學(xué)生正確理解化學(xué)概念和培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識方面的作用[15]。

2011年，彭豪發(fā)表了“基于POE策略的高中化學(xué)四重表征概念教學(xué)研究”的成果[16]。提出了基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的“四重表征”教學(xué)設(shè)計，闡述了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)概念教學(xué)中的具體應(yīng)用。

2015年，林建芬、盛曉婧、錢揚(yáng)義等發(fā)表了“化學(xué)‘四重表征教學(xué)模式的理論建構(gòu)與實(shí)踐研究”[17]一文，回顧了15年來數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究中對“四重表征”分析方法的論述，剖析了化學(xué)“四重表征”教學(xué)模式的研究背景、研究問題、研究思路及方法，從“四重表征”教學(xué)模式的理論創(chuàng)新、研究內(nèi)容和應(yīng)用案例三個方面進(jìn)行討論分析，并且就如何培養(yǎng)學(xué)生的“四重表征”意識和思維，提出加強(qiáng)“提高教師自身的意識和轉(zhuǎn)換水平”“分析學(xué)生迷思概念的成因”和“積極開發(fā)優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)案例”3點(diǎn)建議。

除了上述列舉的不同教學(xué)模式以外，還有采用小組合作的形式，或采用開放式的探究模式，或采用問題情境引入的模式，或采用與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的對比等教學(xué)模式。可以看出，研究都是基于探究式的教學(xué)模式，這樣的研究促進(jìn)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用，充分發(fā)揮了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢。

2.6? 對學(xué)生認(rèn)知的影響

對學(xué)生認(rèn)知影響研究需要進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，采用實(shí)證研究設(shè)計并展開調(diào)查研究，對學(xué)生進(jìn)行測試，收集數(shù)據(jù)，從中發(fā)現(xiàn)運(yùn)用數(shù)字化教學(xué)前后學(xué)生認(rèn)知、學(xué)習(xí)興趣或?qū)W習(xí)能力等的變化。一般過程是： 選題、研究設(shè)計、實(shí)施并收集資料、分析資料、得出結(jié)論。這樣的研究有實(shí)證和數(shù)據(jù)，具有很強(qiáng)的說服力，因而具有重要的意義。但是從文獻(xiàn)數(shù)目來看，國內(nèi)研究并不多，這是當(dāng)前我國數(shù)字化研究中比較薄弱的一部分。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因之一是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)壳霸谖覈€處于演示實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，還沒有普及為全班學(xué)生參與的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，真正參與的學(xué)生還比較少，對大部分研究者而言，研究數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的影響缺乏前提。另一個原因是我國教學(xué)研究相比西方國家缺乏重視實(shí)證研究的傳統(tǒng)[18]。

我國關(guān)于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對學(xué)生認(rèn)知影響的研究文獻(xiàn)雖然少，但仍然有高水平的文獻(xiàn)可供借鑒。例如，王祖浩等的“基于手持技術(shù)的高中生化學(xué)概念學(xué)習(xí)認(rèn)知研究”[19]，以高中二年級學(xué)生為研究對象，以“酸堿中和滴定”為教學(xué)內(nèi)容開展研究。研究結(jié)果表明，手持技術(shù)對于學(xué)生化學(xué)概念的學(xué)習(xí)有一定的影響，尤其是對女性學(xué)困生和學(xué)中生的影響較為明顯。

再如王晶、鄭長龍等進(jìn)行的“手持技術(shù)促進(jìn)學(xué)生化學(xué)變化和化學(xué)實(shí)驗(yàn)觀念轉(zhuǎn)變的實(shí)證研究”[20]，關(guān)于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對學(xué)生影響的實(shí)證研究也很有借鑒價值。

3? 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人類進(jìn)入了信息時代?；瘜W(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是基于信息技術(shù)，利用計算機(jī)分析處理傳感器采集的信息，以數(shù)值、曲線或圖表等形式展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、揭示化學(xué)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)利用儀器代替人體感官，客觀地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并做精確分析，可以避免因感覺的差異引起實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象感知的偏差，可以感知一些人體無法感知或不便感知的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，達(dá)到化學(xué)反應(yīng)過程的實(shí)證化、動態(tài)化、定量化，反映了科學(xué)發(fā)展從宏觀到微觀、靜態(tài)到動態(tài)、定性到定量的趨勢。因此，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”“科學(xué)探究和創(chuàng)新意識”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等化學(xué)核心素養(yǎng)方面具有獨(dú)特的作用。

中學(xué)化學(xué)教學(xué)中運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，為科學(xué)探究提供了技術(shù)支撐，不僅可以促進(jìn)學(xué)生發(fā)展認(rèn)知水平、學(xué)會實(shí)驗(yàn)探究、解決化學(xué)問題等化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的形成，還能提高學(xué)生的“四重表征”能力，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)的價值將逐漸被體現(xiàn)出來，引起更多化學(xué)教育工作者的重視。

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