數(shù)字化實驗在初中化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用實踐

江蘇省蘇州太湖國家旅游度假區(qū)香山中學(xué) 張靜文

一、數(shù)字化實驗概述

（一）數(shù)字化實驗的組成

數(shù)字化實驗是以真實的實驗為載體，利用傳感技術(shù)進行的化學(xué)實驗。在《手持技術(shù)在理科實驗中的應(yīng)用研究》一書中，作者錢揚義對于數(shù)字化實驗的界定是：以計算機作為實驗的基礎(chǔ)，將信息技術(shù)與化學(xué)實驗教學(xué)進行深度的結(jié)合。通常來說，數(shù)字化實驗由硬件和軟件兩部分組成：硬件是指計算機、各種類型的傳感器探頭以及數(shù)據(jù)采集器，軟件即實驗數(shù)據(jù)化處理程序。目前，應(yīng)用于化學(xué)實驗的傳感器主要包括氧氣、二氧化碳、氣壓、溶解氧、pH、溫度、電流、電壓等。傳感器探頭將實驗過程中的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號傳遞給數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器再將收到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸給計算機。計算機利用配套的應(yīng)用程序進行數(shù)據(jù)的分析處理，再將收集到的數(shù)據(jù)以圖像、表格、數(shù)字等方式直觀地、實時地呈現(xiàn)在實驗者眼前。本研究中采用的是遠大朗威教育科技股份有限公司出品的數(shù)字化傳感設(shè)備及其配套的數(shù)字化實驗系統(tǒng)。

（二）數(shù)字化實驗的優(yōu)勢

1.數(shù)字化實驗更直觀

在傳統(tǒng)化學(xué)實驗的基礎(chǔ)上，數(shù)字化傳感技術(shù)的應(yīng)用使得實驗數(shù)據(jù)的采集更加直接高效。在化學(xué)實驗中，實驗數(shù)據(jù)的采集、分析和處理是進行科學(xué)探究的重要環(huán)節(jié)。利用數(shù)字化傳感技術(shù)，可以直接獲得實驗過程中的溫度、氣體濃度、pH值、電流、壓強等數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)可以將化學(xué)變化的過程以曲線圖的形式直接展現(xiàn)出來，學(xué)生通過曲線圖可以對化學(xué)反應(yīng)的變化過程有更加直觀的印象。尤其是那些肉眼無法觀察到的現(xiàn)象，例如物質(zhì)溶解過程中的能量變化、溶液導(dǎo)電性的變化、金屬與酸反應(yīng)過程中溫度的變化、氫氧化鈉和稀鹽酸反應(yīng)的中和熱測定等。利用數(shù)字化實驗可以將上述實驗中變化的物理量以圖像的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，幫助學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)原理。

2.數(shù)字化實驗更準確

數(shù)字化實驗的應(yīng)用使得一些傳統(tǒng)實驗得到數(shù)據(jù)方面的優(yōu)化，也使得實驗過程中數(shù)據(jù)的采集工作變得更加簡便準確。一般情況下，數(shù)字化實驗采用的是計算機實時收集數(shù)據(jù)，當(dāng)然實驗者也可以根據(jù)需要設(shè)置數(shù)據(jù)采集的頻率，手動收集數(shù)據(jù)以滿足個性化的實驗需求。通過這種方式采集到的數(shù)據(jù)可以有效避免人工測量帶來的偶然誤差，使得實驗結(jié)果更準確。尤其是一些原理簡單、操作復(fù)雜的定量實驗，在引入了數(shù)字化化學(xué)實驗后變得操作簡便，省時高效，結(jié)果準確。

二、數(shù)字化實驗在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

筆者作為初三化學(xué)教師，以教育部審定的上海教育出版社出版的義務(wù)教育教科書《化學(xué)（2012 版）》上、下冊為內(nèi)容，進行了數(shù)字化實驗的化學(xué)實驗教學(xué)實踐。經(jīng)過一個學(xué)期的實踐研究，筆者認為數(shù)字化實驗在以下幾個方面促進了初中化學(xué)實驗教學(xué)的發(fā)展。

（一）數(shù)字化實驗可以彌補傳統(tǒng)化學(xué)實驗的不足

在傳統(tǒng)的化學(xué)實驗教學(xué)中，常常因為肉眼無法觀察到明顯現(xiàn)象或者數(shù)據(jù)采集困難，導(dǎo)致學(xué)生理解困難和教師講解障礙。在真實的傳統(tǒng)實驗中，引入數(shù)字化實驗的相關(guān)設(shè)備，可以有效彌補上述不足。

例如，在九年級化學(xué)上冊第一章第二節(jié)中“空氣中氧氣體積分數(shù)的測定”實驗中，傳統(tǒng)的實驗是在密閉容器中利用紅磷燃燒消耗氧氣產(chǎn)生壓強差，打開止水夾后燒杯中的水倒吸進入集氣瓶，觀察水進入集氣瓶的體積推算出氧氣的體積分數(shù)。用這種方式測定出的氧氣體積分數(shù)誤差較大，而且從實驗原理的角度，當(dāng)氧氣濃度低于一定值時紅磷就不再燃燒，無法耗盡氧氣?；谡n本上的傳統(tǒng)實驗，筆者引入了氧氣濃度傳感器，將傳感器探頭通過橡膠塞上的孔洞伸入，連接好數(shù)據(jù)采集器和計算機，就可以得到氧氣濃度隨時間變化的曲線圖。學(xué)生直接觀看教學(xué)一體機上的圖像，便能清楚地看到氧氣濃度的變化。在課本實驗的基礎(chǔ)上，筆者也做了相應(yīng)的改進，將紅磷換成鐵粉，同時延長數(shù)據(jù)采集時間，設(shè)置數(shù)據(jù)采集的頻率為一小時，將得到的曲線圖和紅磷對比，學(xué)生可以更加清楚直觀地看到兩者氧氣濃度的差別。

再如活潑金屬與酸的反應(yīng)中，我們通常通過氣泡產(chǎn)生的快慢來判斷金屬的活動性順序。在真實的課堂實驗中，由于鋅和鐵的活動性差別較小，通過肉眼往往難以比較兩者與酸反應(yīng)產(chǎn)生氣泡的快慢。因此，學(xué)生對于金屬鋅和鐵的活動性比較大多是根據(jù)教師的解釋以及死記硬背來記住相關(guān)知識。筆者在傳統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上，引入了溫度傳感器，利用相同時間內(nèi)不同金屬與酸的反應(yīng)熱引起的溫度差異來比較金屬的活動性。學(xué)生通過實時的溫度與時間關(guān)系的曲線圖，可以直觀地看到不同曲線表示的金屬，從而直接根據(jù)數(shù)據(jù)比較金屬的活動性差異。通過數(shù)據(jù)分析推導(dǎo)出活動性差異，比之前死記硬背效果好得多。

（二）數(shù)字化實驗有助于學(xué)生突破重難點

將數(shù)字化實驗引入傳統(tǒng)的化學(xué)實驗教學(xué)后，由于其直觀準確的數(shù)據(jù)和圖像，學(xué)生更容易理解學(xué)習(xí)過程中的重點和難點。

例如，九年級化學(xué)下冊第六章第一節(jié)的“探究水溶液的導(dǎo)電性”，傳統(tǒng)的化學(xué)實驗是將溶液連接到電路中，通過小燈泡是否發(fā)亮來判定溶液是否導(dǎo)電。在實際操作過程中，由于外界因素以及不同種類溶液導(dǎo)電能力的差異，即使是電解質(zhì)溶液也常常出現(xiàn)小燈泡不亮的現(xiàn)象。由于小燈泡不亮，學(xué)生無法直觀地體會到溶液的導(dǎo)電性增強，從而造成理解上的困難。筆者在真實的化學(xué)實驗基礎(chǔ)上，將微電流傳感器探頭伸入溶液中，通過數(shù)據(jù)采集器，計算機上便會呈現(xiàn)出電流大小的數(shù)據(jù)，學(xué)生可以直接看到電流從零到有，從而加深對溶液導(dǎo)電性的理解。

再如九年級下冊第七章氫氧化鈉和稀鹽酸的反應(yīng)，由于反應(yīng)現(xiàn)象不明顯，學(xué)生根本無法判斷二者時間是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。在傳統(tǒng)的化學(xué)實驗中，對于這一教學(xué)難點是通過指示劑顏色的變化來理解的。筆者在教學(xué)中引入了pH 傳感器和溫度傳感器，將反應(yīng)過程中的pH 值的變化和溫度的變化以圖像的形式展示出來，學(xué)生通過觀察曲線圖，認識到隨著氫氧化鈉中不斷滴入鹽酸，溶液的pH 值不斷變小，溶液的溫度也在不斷升高。通過分析pH 值的變化，學(xué)生認識到氫氧化鈉不斷減少，從而判斷該反應(yīng)的發(fā)生。學(xué)生再分析反應(yīng)過程中的溫度變化，可以推斷出該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，甚至可以直接在此實驗的基礎(chǔ)上直接進行中和熱的測定，可謂是一舉兩得。

（三）數(shù)字化實驗有助于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力

證據(jù)推理是化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一。在化學(xué)實驗學(xué)習(xí)中，學(xué)生通過實驗現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)等證據(jù)進行推理得出實驗結(jié)論。傳統(tǒng)的化學(xué)實驗中，由于一些現(xiàn)象肉眼難以觀測，或者實驗數(shù)據(jù)獲得較為困難，教師往往通過告知學(xué)生結(jié)果讓學(xué)生直接記憶。這樣直接告訴學(xué)生結(jié)果不利于學(xué)生邏輯思維的培養(yǎng)，不利于學(xué)生證據(jù)推理素養(yǎng)的形成，不利于學(xué)生理科思維的培養(yǎng)。將數(shù)字化實驗引入真實的化學(xué)實驗教學(xué)，可以有效彌補這一不足。數(shù)字化實驗系統(tǒng)中的傳感器作為高精度的設(shè)備，可以獲得更加精確的實驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器可以間隔很短的時間做到連續(xù)采集數(shù)據(jù)，從而獲得更多的數(shù)據(jù)。將大量更精確的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器傳輸給計算機，計算機可通過軟件處理將實驗數(shù)據(jù)以表格、曲線圖等形式直觀地展現(xiàn)在學(xué)生眼前。學(xué)生從獲得的大量的高精度的真實數(shù)據(jù)進行推理或預(yù)判，更容易發(fā)現(xiàn)隱藏在背后的化學(xué)原理和化學(xué)規(guī)律。此外，在傳統(tǒng)的化學(xué)實驗中，我們常常根據(jù)實驗現(xiàn)象提出猜想和假設(shè)，但是引入了數(shù)字化實驗后，由于獲得了大量的高精度數(shù)據(jù)，我們還可以針對實驗數(shù)據(jù)提出問題，幫助學(xué)生擴大思考的范圍，鍛煉思維的廣度和深度。

例如在測定空氣中氧氣含量的實驗中，筆者設(shè)計了對比實驗，將傳統(tǒng)的紅磷用鐵粉代替進行實驗，在常規(guī)實驗的基礎(chǔ)上引入氧氣濃度傳感器進行數(shù)字化實驗。獲得數(shù)據(jù)經(jīng)由計算機以曲線圖的方式呈現(xiàn)，學(xué)生通過對數(shù)據(jù)的分析和比較得出結(jié)論，鐵粉能充分消耗氧氣，更適合作為藥品測定空氣中的氧氣含量。在得出結(jié)論的同時，同學(xué)們也發(fā)現(xiàn)了用紅磷作為藥品在實驗設(shè)計原理方面的缺陷。

綜上所述，信息化的洪流已勢不可擋，數(shù)字化實驗必將更多地進入中小學(xué)課堂。數(shù)字化實驗的出現(xiàn)將現(xiàn)代信息技術(shù)與真實的化學(xué)實驗相結(jié)合，彌補了傳統(tǒng)化學(xué)實驗的不足。數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)化學(xué)實驗相結(jié)合，有助于學(xué)生突破學(xué)習(xí)重難點，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。