初中數(shù)字化化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)踐與辨析

楊云

[摘 ? 要]探析數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)從定性到定量、從表象到本質(zhì)、從質(zhì)疑到探究的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，并對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合問題進(jìn)行反思，旨在讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)更具科學(xué)性和說服力，加快新課程改革的步伐。

[關(guān)鍵詞]初中化學(xué);數(shù)字化實(shí)驗(yàn);設(shè)計(jì);實(shí)踐;辨析

[中圖分類號] ? ?G633.8 ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號] ? ?1674-6058（2020）26-0064-02

大數(shù)據(jù)時(shí)代的今天，數(shù)據(jù)與自然資源、人力資源一樣已成為重要的戰(zhàn)略資源，在當(dāng)前社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。對化學(xué)教師而言，已經(jīng)不需要再去討論數(shù)字化是否要引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而是去探索如何更好地讓數(shù)字化為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。本文探索數(shù)字化化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，嘗試將九年級教材中的一些實(shí)驗(yàn)改為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行一些反思，旨在讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)更具科學(xué)性和說服力，為新課程改革貢獻(xiàn)綿薄之力。

一、更新設(shè)計(jì)，數(shù)字化下的教學(xué)模式

數(shù)字化化學(xué)實(shí)驗(yàn)的一次教學(xué)升級，它不僅僅是儀器和操作方法的改變，更是本質(zhì)上的變革，將新課程、新理念融入其中，建立一個(gè)傳統(tǒng)與創(chuàng)新并舉的課堂模式。鑒于這一點(diǎn)，筆者所在教研組對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比，通過集體討論和反復(fù)實(shí)踐，建立了如圖1所示的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有操作簡單、現(xiàn)象清楚的優(yōu)點(diǎn)，但對于較為復(fù)雜的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很難觀測到快速變化的過程，并進(jìn)行及時(shí)的讀數(shù)和記錄。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，借用信息技術(shù)、傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測量，且能夠高速度、高精度地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，準(zhǔn)確記錄每一個(gè)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，有利于學(xué)生對動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合、多維的分析和討論。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式并不是完全將傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式擯棄掉，而是傳統(tǒng)與創(chuàng)新相結(jié)合，在學(xué)生感性認(rèn)知與理性認(rèn)知之間搭建一座橋梁，為學(xué)生提供更多的數(shù)據(jù)支持，帶給學(xué)生的不僅僅是“驗(yàn)證”更是“推理”，最大限度地挖掘與推進(jìn)學(xué)生的潛能和思維。這樣的教學(xué)模式，開拓了師生視野，培養(yǎng)了學(xué)生的研究意識與創(chuàng)新精神，激發(fā)了學(xué)生更大的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

二、實(shí)驗(yàn)嘗試，數(shù)字化下的課堂實(shí)踐

實(shí)效決定了改革的成敗。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用是一項(xiàng)實(shí)戰(zhàn)性技術(shù)，要經(jīng)得起課堂實(shí)踐的檢驗(yàn)，就要進(jìn)行系統(tǒng)的研究，在教學(xué)細(xì)節(jié)上出新、出彩。下面結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，從三個(gè)方面進(jìn)行討論研究。

1.定性到定量，有利于實(shí)驗(yàn)定量處理

直觀、清晰的圖像能夠更好地反映實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，而圖像需要數(shù)據(jù)作為支撐。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要靠觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來推導(dǎo)結(jié)論，很難對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量化處理。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)引入了數(shù)字傳感技術(shù)，可以采集到實(shí)驗(yàn)過程中的所有數(shù)據(jù)，并由計(jì)算機(jī)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并以表格和圖像的形式呈現(xiàn)出來，使學(xué)生能夠方便快捷地進(jìn)行定量分析。

例如，在學(xué)習(xí)“空氣的成分”時(shí)，有這樣一道思考題：請你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證呼吸作用確實(shí)產(chǎn)生了二氧化碳?xì)怏w。結(jié)合課本知識，空氣中的二氧化碳約占0.03%;通過查閱相關(guān)資料，人體呼出的氣體中二氧化碳約占0.4%。結(jié)合這兩組數(shù)據(jù)，學(xué)生設(shè)計(jì)了一組對比實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)方案：取兩支試管，分別倒入少量的澄清石灰水。用洗耳球在第一支試管中鼓入空氣，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;在第二支試管中直接吹入呼出的氣體，觀察實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象。如果第二支試管中的澄清石灰水變渾濁，則說明呼出的氣體中含有二氧化碳?xì)怏w較多。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)雖然解決了問題，但卻無法知道具體的數(shù)據(jù)。而引入數(shù)字化技術(shù)，就可以對此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行提升和改進(jìn)，幫助學(xué)生從定性分析過渡到定量分析。將數(shù)據(jù)采集器連接到電腦上，設(shè)置“以時(shí)間為基準(zhǔn)”，將傳感器分別插入盛有空氣、呼出氣體的保鮮袋中，對空氣和呼出氣體中的二氧化碳進(jìn)行測量，得出相關(guān)的曲線圖，并進(jìn)行對比分析。兩條不同的曲線圖，讓學(xué)生清楚地看到了空氣與呼出氣體中二氧化碳含量的差異。這樣的教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)定性實(shí)驗(yàn)的定量化改造。

2.表象到本質(zhì)，有利于實(shí)驗(yàn)原理研究

數(shù)據(jù)的說服力是最有效的，也是最能揭示化學(xué)本質(zhì)的。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，有些科學(xué)概念和原理單從表象進(jìn)行解釋，學(xué)生很難對其進(jìn)行想象和理解。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融合了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中的觀察體驗(yàn)，借助DIS直觀演示和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，將各個(gè)階段的化學(xué)變化數(shù)據(jù)進(jìn)行了展示和分析，科學(xué)、客觀地再現(xiàn)了化學(xué)本質(zhì)，將學(xué)生順利從表象感知推向本質(zhì)學(xué)習(xí)，促進(jìn)了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的深層次研究。

例如，在學(xué)習(xí)“溶液導(dǎo)電性”的相關(guān)知識時(shí)，有這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)探究：通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證鹽酸、硫酸、氫氧化鈉溶液、蒸餾水和乙醇的導(dǎo)電性強(qiáng)弱。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)：取五個(gè)燒杯，分別倒入鹽酸、硫酸、氫氧化鈉溶液、蒸餾水和乙醇，其中鹽酸、硫酸、氫氧化鈉溶液的體積、濃度相等。分別連接相同電壓的電源和相同規(guī)格的燈泡，觀察燈泡的明亮程度。

燈泡的明亮程度雖然在一定程度上說明了上述液體的導(dǎo)電性強(qiáng)弱，但有時(shí)微弱的區(qū)別會(huì)影響學(xué)生的觀察，甚至還會(huì)出現(xiàn)與理論相違背的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。而在此基礎(chǔ)上將其升級為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，就可以借用低壓電源（安全）和靈敏電流表來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和記錄收集。數(shù)字化改進(jìn)，巧妙地將“燈泡明暗程度”的表象轉(zhuǎn)變成了“真真切切的數(shù)據(jù)”本質(zhì)，避免了學(xué)生通過主觀現(xiàn)象來理解知識的經(jīng)驗(yàn)主義傾向，使學(xué)生從感性的經(jīng)驗(yàn)主義泥沼中跳了出來，更進(jìn)一步地推進(jìn)了學(xué)生對知識的理解辨析，使化學(xué)本質(zhì)的探究更為客觀、科學(xué)，具有說服力。

3.質(zhì)疑到探究，有利于實(shí)驗(yàn)問題解決

“疑是思之始，思是行之端?！辟|(zhì)疑能力的培養(yǎng)需要有一個(gè)釋疑、解疑的探究過程，這一過程的建立才是課堂落實(shí)的關(guān)鍵。然而在傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)預(yù)期不同的狀況時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制而無法繼續(xù)深入探究，這無疑會(huì)打擊學(xué)生的積極性，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)就可以進(jìn)行定量的、細(xì)致的操作分析，讓數(shù)據(jù)說話，讓事實(shí)說話，讓課堂質(zhì)疑的“意外資源”有一個(gè)更好的探究平臺(tái)，把新課程理念和目標(biāo)落到實(shí)處。

例如，在質(zhì)量守恒定律的探究實(shí)驗(yàn)中，要求對“白磷燃燒前后的總質(zhì)量”進(jìn)行測定。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)：如圖2所示，連接好裝置。（1）在錐形瓶的底部鋪一層細(xì)沙，作用是;（2）燃燒前錐形瓶的總質(zhì)量是;（3）白磷在燃燒過程中的現(xiàn)象是 ;（4）白磷燃燒過程中，托盤天平指針的偏轉(zhuǎn)情況： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ;（5）白磷燃燒? ? ? ? ?（“遵循”或“不遵循”）質(zhì)量守恒定律，理由是? ? ? ? ? ? 。

實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的是托盤天平，靈敏度比較低，使得部分學(xué)生得出“白磷燃燒不遵循質(zhì)量守恒定律”的結(jié)論。教師若對此進(jìn)行口頭解釋，只會(huì)顯得蒼白無力，讓人難以信服。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)就可以對此進(jìn)行改進(jìn)，將托盤天平換成電子天平，利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)使質(zhì)量測量更為精確，同時(shí)也有效避免了人為讀數(shù)造成的影響。通過這樣的改進(jìn)，讓質(zhì)疑擁有了生長的土壤，實(shí)現(xiàn)了對化學(xué)知識的精細(xì)化學(xué)習(xí)，推進(jìn)了學(xué)生追求卓越的精神。

三、反思?xì)w納，數(shù)字化下的問題辨析

1.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用被傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)拒絕的問題

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的出現(xiàn)，勢必會(huì)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)造成一定的沖擊。在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展中，中考實(shí)驗(yàn)還停留在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)框架中，較大的實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入、傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和自我學(xué)習(xí)的惰性，都是教師排斥和拒絕數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理由。其實(shí)，這是對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)認(rèn)識不夠的體現(xiàn)，缺乏一定的前瞻性。在聯(lián)合國教科文組織提出的“學(xué)會(huì)求知、學(xué)會(huì)做事、學(xué)會(huì)合作、學(xué)會(huì)生存”的四大教育支柱之下，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)不可拒絕。

2.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)全盤替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題

改革并不是一種顛覆，而是一種創(chuàng)新性繼承。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)質(zhì)上是對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一種改良、優(yōu)化與完善，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)化學(xué)、理解化學(xué)的工具，為學(xué)生提供一個(gè)圖文并茂、人機(jī)交互、即時(shí)反饋的學(xué)習(xí)環(huán)境，旨在為師生、課堂提供更為廣闊的平臺(tái)，解放師生的思維，特別是要讓學(xué)生的思想得到實(shí)踐與深化。如果用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)全盤替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，勢必會(huì)讓教師成為演示員，學(xué)生成為觀察員，缺少了師生、生生之間的情感交流與互動(dòng)合作，圖像、數(shù)據(jù)就會(huì)是過眼云煙，失去了思維應(yīng)有的生命力。故數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)要與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)并存，相互取長補(bǔ)短、相得益彰。

3.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合問題

融合不是簡單的加法，更不是簡單的混合展示。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多是對化學(xué)概念、原理做一個(gè)定性的分析，更側(cè)重于實(shí)驗(yàn)儀器的使用、操作的規(guī)范、現(xiàn)象的觀察;數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，依據(jù)數(shù)據(jù)的變化趨勢推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，側(cè)重于對實(shí)驗(yàn)過程的探究和學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。兩者之間并非是矛盾和排他的，而是實(shí)驗(yàn)演進(jìn)和優(yōu)化的不同階段。只要能夠根據(jù)學(xué)生的需求適時(shí)選用，相互融合，就能達(dá)到最理想的實(shí)驗(yàn)教學(xué)狀態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的和諧統(tǒng)一。

總之，數(shù)字化化學(xué)實(shí)驗(yàn)是體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)的必然要求，是信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)深度融合的重要途徑，是發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的需要。廣大化學(xué)教師應(yīng)適應(yīng)課程改革的需要，創(chuàng)造性地開發(fā)、設(shè)計(jì)和運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，積極參加各級各類化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)成果交流，通過教育資源的有效共享促進(jìn)自身專業(yè)成長。

（責(zé)任編輯 羅 ? 艷）