“數(shù)字化實驗”在信息技術(shù)推動和教學改革中的價值分析

王玲玲 丁嬌陽 余騰

[摘要]數(shù)字化實驗是信息技術(shù)發(fā)展的代表產(chǎn)物，在高中化學教學中引入數(shù)字化實驗，可幫助學生構(gòu)建化學認知模型，促進學生化學概念的建構(gòu)，培養(yǎng)學生科學探究的關(guān)鍵能力，突顯教育的核心價值，推進信息技術(shù)與教育教學深度融合。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字化實驗;教學改革;信息技術(shù);價值分析

[中圖分類號]G633.8

[文獻標識碼] A

[文章編號] 1674-6058（ 2020）35-0063-02

國務(wù)院辦公廳頒布的《關(guān)于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》明確指出，在“創(chuàng)新教學組織管理”中要深化課堂教學改革，推進信息技術(shù)與教育教學深度融合，加強教學研究和指導。數(shù)字化實驗是信息技術(shù)發(fā)展的代表產(chǎn)物，對優(yōu)化中學化學實驗，促進實驗教學有極大的幫助，也能有效促進學科核心素養(yǎng)的落地。

一、利用數(shù)字化實驗構(gòu)建化學認知模型

化學認知的發(fā)展包含化學知識積累和認識方式的豐富?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》中要求“通過分析、推理等方法認識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學的本質(zhì)和規(guī)律”。

【案例1】通過學習人教版化學選修4《原電池》一課，學生雖然已經(jīng)知道化學能與電能的轉(zhuǎn)化，但對于建立由單液原電池到雙液原電池的認知模型，特別是引入鹽橋裝置，理解原電池的工作原理還存在很大困難。

教材中引入實驗4-1（如圖1），用充滿電解質(zhì)溶液的鹽橋，將放置Zn片的硫酸鋅溶液和放置Cu片的硫酸銅溶液進行連接，然后將Zn片和Cu片用導線連接，并在中間串聯(lián)一個電流表，讓學生觀察實驗現(xiàn)象。

理論上的實驗現(xiàn)象為：①插入鹽橋時電流表指針偏轉(zhuǎn);②Zn片逐漸溶解;③Cu片表面附著有銅單質(zhì)。結(jié)合宏觀現(xiàn)象推出微觀本質(zhì)：Zn較Cu活潑，易失電子，電子經(jīng)過導線到達Cu片，硫酸銅溶液中的Cu2+在Cu片上得電子生成Cu單質(zhì)。KCI鹽橋中Cl-向負極Zn片的燒杯中移動，K+向正極Cu片的燒杯中移動。問題來了，鹽橋內(nèi)離子是如何移動的？

教材中對該問題的解釋是：由于鋅原子失去電子變成鋅離子，導致硫酸鋅溶液中正電荷增加;同時銅離子獲得電子變成銅單質(zhì)析出，使硫酸銅溶液中硫酸根濃度相對增加而帶負電荷;為平衡電荷，KCI鹽橋中鉀離子移向硫酸銅溶液，氯離子移向硫酸鋅溶液，使得氧化還原反應(yīng)得以進行，從而源源不斷產(chǎn)生電流。但對于學生來說，原電池中的正極和負極的判斷、電池反應(yīng)、電子移動方向、電流方向等一系列問題綜合在一起時，純粹的記憶和抽象的理解都不利于他們真正掌握原電池的知識。最好的方法是讓學生親自體驗到“陽離子移向正極，陰離子移向負極”。

數(shù)字化實驗的引入就使得學生對以上問題有了直觀、準確的認識，加深了學生對雙液原電池的模型認知。比如通過鉀離子濃度傳感器（如圖2）檢測雙液原電池（氯化鉀鹽橋）電解液正極Cu片燒杯中的鉀離子濃度，展示鉀離子濃度的變化趨勢，實時、直觀地呈現(xiàn)出鉀離子的移動方向（如圖3），幫助學生對復雜現(xiàn)象形成直觀理解，得出離子移動的規(guī)律，最后驗證實驗結(jié)論的正確性。

數(shù)字化實驗系統(tǒng)比人的感知更敏感、直觀、準確，使得學生對過程變化的了解更全面、深入。部分數(shù)字化實驗，教師易于操作，學生易于理解。比如，pH傳感器可以在溶液渾濁或有沉淀、有顏色時測定體系的pH值;氧氣濃度傳感器可以測氫氧化亞鐵轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵時氧氣濃度的變化，從而確定發(fā)生微觀反應(yīng)，有助于學生理解反應(yīng)是什么，過程為什么。

另外，數(shù)字化實驗有非常強大的信息分析處理性能。數(shù)據(jù)采集時間間隔短，且可自行記錄及處理，圖像繪制可自動生成，大大提高了獲得實驗圖像、數(shù)據(jù)和結(jié)果的速率，提高了實驗的效率。所有數(shù)據(jù)資料可及時儲存，這使得學生能更加直接地觀測到實驗進程和實驗曲線，從而深刻理解化學變化的基本原理，如此便給學生提供了更多有意義的思考，并通過分析定量數(shù)據(jù)，促進學生認知的深化。

二、利用數(shù)字化實驗促進化學概念的建構(gòu)

概念原理是一類具有共同特性事物的抽象概括。在化學概念教學中，依托化學實驗，基于真實問題情境，一直是概念教學的常用方法。學生通過親身感受宏觀現(xiàn)象的發(fā)生，體驗實際問題的解決過程，逐漸領(lǐng)悟概念的本質(zhì)。

【案例2】以“酸堿中和滴定曲線的繪制”這一實驗為例，該實驗是中學化學學習中的一個代表性實驗，其中涉及重要概念，由于這部分知識內(nèi)容豐富（涉及滴定原理、中和反應(yīng)、滴定曲線、酸堿指示劑、滴定突躍、化學計量點、滴定終點等概念），學生學習起來相對抽象，人為操作引起的誤差很大。且實驗前要進行較長時間的準備，比如酸式、堿式滴定管的檢漏、潤洗等;接近變色點時要十分謹慎地滴加，同時還要準確讀數(shù);等等。這些煩瑣的工作使得實驗教學效果較差。

而通過數(shù)字化實驗，不僅使滴定操作更簡單，曲線繪制更精細，而且讓學生對反應(yīng)的本質(zhì)以及滴定概念的理解更清晰、具體和準確。比如，滴數(shù)傳感器和pH傳感器可以聯(lián)合使用，設(shè)定合適的液體滴加速度，實時監(jiān)測溶液pH變化，并以圖片的形式直觀呈現(xiàn)。又如，在傳統(tǒng)課堂教學中，通常用指示劑來指示酸堿滴定過程中溶液的pH變化，但只有突變點才能看到顏色的變化，無法看到整個過程中pH的變化，從表面上看似乎溶液pH沒有太大變化，但實質(zhì)上變化很大。這樣，學生就更難理解為什么指示劑的變色點不在pH=7處，卻用指示劑的突變來反映化學計量點。但引人數(shù)字化實驗來描繪滴定過程的曲線，同時對滴定數(shù)據(jù)進行處理，就能很好地展示滴定終點的判斷、指示劑的選擇、突躍范圍之間的相互聯(lián)系。

三、利用數(shù)字化實驗突顯教育的核心價值

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》提出，教育改革發(fā)展的核心包括“著力提高學生服務(wù)國家、服務(wù)人民的社會責任感”，這與新課程標準“立德樹人”的教育理念不謀而合。培養(yǎng)社會責任意識也是當下化學學科核心素養(yǎng)的重要組成部分。化學本身來源于生活，同時也擔負著服務(wù)生活的使命，但受限于諸多因素，使得社會責任教學和化學學科教學未能有機融合，尤其缺少課外探究形式的教學，讓學生難以將知識應(yīng)用于生活，體會不到“學以致用”的成就感，也就更難認清自身的使命和責任。

數(shù)字化實驗具有使用便捷高效的特點，傳感器和數(shù)據(jù)采集器也便于在戶外探究使用，讓學生可以自行研究身邊的化學現(xiàn)象，引發(fā)學習興趣，領(lǐng)略化學的魅力，及時關(guān)注與化學相關(guān)的社會熱點問題，并能自己獨立思考。

【案例3】數(shù)字化實驗“跟蹤監(jiān)測長江水質(zhì)變化的調(diào)查研究”。2018年，習總書記來到湖北宜昌，視察長江沿岸生態(tài)保護情況時再一次指出“綠水青山就是金山銀山”。我?！八{天白云社”的學生到戶外開展探究性實驗，利用數(shù)字化實驗進行真實場景中的實驗調(diào)查，以主人公的身份完成實驗。比如，對長江水酸堿度、電導率、溶解氧、水溫等進行現(xiàn)場測試調(diào)查，并得出長江水質(zhì)檢測報告，再通過長時間的跟蹤調(diào)查，整理出長江水質(zhì)變化報告。利用數(shù)字化實驗進行的簡單的課外實驗，不僅讓學生產(chǎn)生了科研的成就感，也讓保護環(huán)境的責任意識深深烙在了學生心里。

這樣，學生利用數(shù)字化實驗走進自然、走進社會進行考察，像科學家一樣進行研究，有助于他們勇于探索、理性分析、務(wù)實求真的科學態(tài)度和科學品質(zhì)的養(yǎng)成，同時增強了學生的社會屬性，幫助他們認識社會、融人社會以及服務(wù)社會，培養(yǎng)社會責任感。

四、數(shù)字化實驗培養(yǎng)科學探究的關(guān)鍵能力

由于數(shù)字化實驗儀器具有攜帶方便、精密度高、研究量化等優(yōu)越性，故很適合用于開展學生的探究活動。比如，學生在開展“測定長江水質(zhì)變化”“探究消毒液氧化性和酸度”等探究活動中，自行查閱資料、制訂實驗計劃、觀察、評估、適時調(diào)整實驗等，靈活運用各種知識與技能。有時需要對不同的變量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)或因果關(guān)系做進一步的探討，對變量的關(guān)系進行假設(shè)并設(shè)計相應(yīng)的實驗來驗證，這一過程極大地訓練了學生發(fā)現(xiàn)問題和分析問題的能力、假設(shè)和推理的能力、實驗設(shè)計與調(diào)控的能力、動手操作和觀察的能力、收集和處理數(shù)據(jù)的能力、總結(jié)和歸納的能力、解釋與表達的能力等。在這一過程中，學生收獲了科學的研究方法，學會多角度觀察、思考、發(fā)現(xiàn)和解決問題，提高了對探究活動的興趣，發(fā)展了實踐能力以及科學探究的關(guān)鍵能力。

（責任編輯 羅艷）