對數(shù)字化實驗在初中化學課堂教學中運用的思考

吳東梅

摘要：化學是以實驗為基礎的科學。創(chuàng)新實驗教學方式，促進傳統(tǒng)教學和現(xiàn)代新興科技有機融合，是當今教研的熱點。數(shù)字化實驗在初中化學課堂教學中的運用，正是傳統(tǒng)教學和現(xiàn)代新興科技有機融合的產(chǎn)物，是化學核心素養(yǎng)落實于課堂的一種體現(xiàn)，對促進知識的更新、傳統(tǒng)教學模式的轉變能夠起到積極作用，同時也有利于優(yōu)化教學過程，提高教學效率，為新課程改革的縱深發(fā)展起到助推作用。

關鍵詞：數(shù)字化實驗增強吸引力轉變教學模式推進課改進程

教育部《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》指出：“要創(chuàng)新實驗教學方式，促進傳統(tǒng)教學和現(xiàn)代新興科技有機融合，切實增強實驗教學的趣味性和吸引力。”數(shù)字化實驗教學，正是傳統(tǒng)實驗和現(xiàn)代新興科技融合的代表。數(shù)字化實驗可將化學反應的現(xiàn)象和本質同步轉化為直觀的曲線及數(shù)字信號，實現(xiàn)了宏觀與微觀、定性與定量、數(shù)據(jù)與圖像的有機結合，能幫助學生更深入地研究化學反應的現(xiàn)象和本質，具有數(shù)據(jù)準確、信息綜合等特點。因此，科學合理地將數(shù)字化實驗運用于課堂，必能激發(fā)學生化學學習興趣，有效提高化學實驗教學質量，提升學生化學核心素養(yǎng)。

一、優(yōu)化部分傳統(tǒng)實驗，提升學生認知水平

九年級化學中對“人呼出氣體和吸入空氣的區(qū)別”的問題進行研究時，傳統(tǒng)實驗向氣樣中分別伸入燃著的木條，往往木條燃燒的差異性不大;對著干冷玻璃片哈氣，水汽消失很快，現(xiàn)象也不明顯。利用數(shù)字化實驗則能直觀、準確地比較氣樣中氧氣、二氧化碳和水的含量的不同以及它們具體的值。引導學生定量認識空氣中各成分，也是對傳統(tǒng)實驗的有力補充。

在對“空氣中氧氣含量的測定”的誤差分析中，水回流不足1/5的可能原因是氧氣沒有耗盡，用傳統(tǒng)實驗驗證氧氣剩余顯得捉襟見肘，數(shù)字化實驗則可游刃有余地解決此問題，將氧氣傳感器連入裝置，監(jiān)測到紅磷熄滅時，氧氣大約剩余8%。學生又用白磷、蠟燭等代替紅磷做同樣實驗，發(fā)現(xiàn)白磷燃燒熄滅后氧氣約剩余3%，蠟燭熄滅后氧氣約剩余15.5%。用暖寶寶中鐵粉的緩慢氧化可將氧氣更充分地消耗，大約只剩余0.5%。數(shù)字化實驗使學生直觀認識到，燃燒法測定氧氣含量，均不能將氧氣耗盡，鐵粉的緩慢氧化則耗氧更充分。對氧氣含量的數(shù)字化實驗探究，培養(yǎng)了學生嚴謹求實的科學態(tài)度，也提升了學生的認知水平。

二、突破知識重難點，促進學生深化理解

酸堿中和知識點，是九年級化學教學的重點和難點，而設計實驗證明無明顯現(xiàn)象的中和反應的發(fā)生，是突破此重點和難點的關鍵，也是培養(yǎng)學生學科能力和學科思想的載體。教材中對如何設計實驗證明氫氧化鈉溶液和鹽酸發(fā)生了反應，所用的方法是借助于指示劑通過溶液顏色的變化，證明溶液酸堿性的改變，判斷反應是否發(fā)生。該方法不能體現(xiàn)中和反應放熱特點及pH變化的特征，對反應終點的判斷也難以理解、把控。若用溫度計測量少量低濃度鹽酸和氫氧化鈉溶液之間反應時的溫度變化，那么按教材用量幾乎測不出來，用pH試紙測量既緩慢又浪費，效率極低。利用數(shù)字化實驗測定向滴有酚酞的氫氧化鈉溶液中逐滴滴加稀鹽酸時，溶液顏色、溫度、pH變化情況，可形成變化的數(shù)字和曲線，學生從溶液顏色及曲線變化過程中，形成鮮明的感官認識，并能基于圖像證據(jù)對變化過程進行分析推理，從宏觀、微觀、符號、曲線多重表征建立酸堿反應的認知模型，突破了教學重難點，深化了對中和反應現(xiàn)象和本質的認識，培養(yǎng)了實驗探究能力的同時，加深了對轉化思想的理解。

對于二氧化碳溶于水和氫氧化鈉溶液的實驗探究，傳統(tǒng)實驗不能直觀表現(xiàn)溶解速率的差異，也不能精確證明溶水比例為1∶1，而通過數(shù)字化實驗測量，常溫下將20mL水和20mL氫氧化鈉溶液（2mol/L）分別壓入盛有250mL二氧化碳的平底燒瓶中的壓強變化，可見二氧化碳溶于水的壓強變化緩慢，經(jīng)振蕩操作后，壓強恢復到初始氣壓，而氫氧化鈉溶液則可快速吸收二氧化碳，使壓強迅速降至10kPa以下，學生根據(jù)圖像可推理得出，二氧化碳溶于水速率較慢，充分接觸后，最終可以1∶1比例溶于水。因二氧化碳自然溶水速率緩慢，所以可用排水法收集純凈的CO2;NaOH溶液吸收CO2效果極佳，并可排除水的影響。振蕩促使壓強明顯地回落或下降，則可推理出振蕩可加快化學反應速率。整個圖像分析推理的過程，培養(yǎng)了學生證據(jù)推理能力，深化了學生對非金屬氧化物和堿反應的模型認知。

三、深挖化學多重表征，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維

數(shù)字化實驗的“曲線表征”是化學學科四重表征形式之一。它不僅讓學生從本質上理解化學概念和實驗原理，還引導學生多角度思考問題，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維。

在對二氧化碳和氫氧化鈉反應的學習時，書本僅依據(jù)二氧化碳和氫氧化鈣溶液反應，類推出二者反應的方程式，對反應如何進行、反應物的量對實驗的影響等，學生并不了解，也不能理解。對此，用數(shù)字化實驗檢測向滴有酚酞的0.1mol/L的稀氫氧化鈉溶液中持續(xù)通二氧化碳時，溶液顏色及pH的變化情況。過程中，溶液由紅色逐漸變淺并褪為無色，pH曲線雖然整體下降，卻在10～13、8～10、6～8出現(xiàn)三個不同的變化階段。對第一階段的pH下降原因（pH在10～13之間），學生容易根據(jù)二氧化碳和氫氧化鈣反應類推解釋，即氫氧化鈉和二氧化碳反應，被消耗。第二階段變化的原因又是什么呢？為突破這個難點，引導學生向變渾濁的石灰水中繼續(xù)吹入CO2，灰水變澄清了！結合課本資料信息，學生分析，此變化的原因是CaCO3與CO2、H2O生成了可溶性Ca（HCO3）2，而Na2CO3和CaCO3同屬碳酸鹽，應該也可與CO2、H2O反應，生成碳酸氫鹽。學生經(jīng)過知識的類比與遷移，可解釋第二階段變化的原因是Na2CO3與CO2、H2O生成堿性更弱的NaHCO3（溶液淺紅色）。第三階段的變化，紅色褪為無色，應該是過量的CO2繼續(xù)與H2O反應生成了碳酸。此探究讓學生學習用四重表征研究化學反應，并對CO2與NaOH溶液反應有了全新的認識，順利建立了CO2與堿反應的一般規(guī)律，將學生思維引向深入，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)造性思維。

四、融入時代特色，提高學生綜合應用能力

在目前全國中考化學試題中，以能力測試為主導，體現(xiàn)學科思想的“曲線表征試題”越來越多。如2019年中考，北京、南京、成都等多地，都出現(xiàn)了數(shù)字化實驗信息類試題。安徽更是在2010年、2014年、2017年、2018年等年份中考中多次考到此類題目。

如2019年成都中考第19題，利用數(shù)字化實驗中壓強曲線表征，可直觀比較出足量鹽酸和含等量碳元素的碳酸鈉、碳酸氫鈉反應速率的不同，推理出碳酸鈉和鹽酸的分步反應，解釋了其反應速率慢所對應的宏觀現(xiàn)象的微觀本質，并用符號表征進行表述，考查了學生的實驗探究能力及信息處理能力，促進了學生對化學反應本質的理解，開拓了學生的思維。近年化學中考試題時代氣息濃厚，充滿了科技信息，數(shù)字化實驗是其表征之一。因此，親歷過數(shù)字化實驗的學生，就不會對以數(shù)字化實驗為背景的探究試題產(chǎn)生陌生感和畏懼感，在臨考中解答此類問題時優(yōu)勢凸顯。

數(shù)字化實驗與化學課堂的深度融合，為實驗探究的過程和方法提供了更為廣闊的天地。初中化學教師要跟上時代步伐，提高實驗教學技能，創(chuàng)新實驗教學模式，積極探索數(shù)字化實驗技術在化學教學中的合理運用，增強實驗教學的趣味性和吸引力，讓化學核心素養(yǎng)在新時代化學課堂上鏗鏘落地！

參考文獻：

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責任編輯：陸晨陽 唐丹丹