探析數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

張艷華

摘要：隨著新課程改革的全面推進(jìn)，信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的整合研究成為當(dāng)前教學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。手持技術(shù)是一種高科技、現(xiàn)代化的方法，是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)改革和發(fā)展的有效手段。其設(shè)備簡(jiǎn)單，具有便捷、實(shí)時(shí)檢測(cè)、準(zhǔn)確、直觀顯示、綜合測(cè)定等突出的優(yōu)點(diǎn)。能夠改變傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中定性實(shí)驗(yàn)多、定量實(shí)驗(yàn)少，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)多、探究實(shí)驗(yàn)少，實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜，步驟繁瑣，時(shí)空局限性大的缺點(diǎn)。如何充分發(fā)揮數(shù)字化手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將其作為培養(yǎng)學(xué)生在高中化學(xué)學(xué)習(xí)期間強(qiáng)有力的工具，是一個(gè)值得深思與探討的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn);課堂教學(xué)

1緒論

新課程背景下，如何轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，如何改變教學(xué)模式，適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)的需求是高中化學(xué)課堂教學(xué)特別關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。在高中化學(xué)課堂中大多數(shù)學(xué)生已習(xí)慣于在教室中“聽(tīng)”化學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)自己的大腦來(lái)想或背誦化學(xué)實(shí)驗(yàn)，在題海里學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。在高中化學(xué)課堂教學(xué)過(guò)程中，要重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更要重視實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)，新課程改革的目標(biāo)與要求之一是教育信息化，教育信息化從本質(zhì)上講是使教學(xué)方式、學(xué)習(xí)方式、教學(xué)模式、信息的獲取方式、教學(xué)內(nèi)容體系、學(xué)校管理模式等發(fā)生根本的變化，以達(dá)到在信息化環(huán)境中的新平衡。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)即數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（簡(jiǎn)稱DIS），又稱手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)，是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+計(jì)算機(jī)（含配套使用的通用和專用軟件）”構(gòu)成的能夠采集化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并以圖表的形式呈現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)與技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步是密切相關(guān)的，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為一種現(xiàn)代化的新型教育手段，具有實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、便攜性、直觀性和綜合性的特點(diǎn)，已成為當(dāng)今科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究與課堂教學(xué)最有力的教學(xué)工具。

2數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)融入課堂教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

2.1新課導(dǎo)入中的應(yīng)用

為了有效地激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)潛能，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)趣味性、新穎性和價(jià)值性等作用，目前教師主要是從新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)入手，引入數(shù)字化手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生感受到高科技儀器對(duì)學(xué)好化學(xué)的幫助，進(jìn)一步點(diǎn)燃學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，在鞏固舊知識(shí)的同時(shí)掌握新知，確?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)課程高效展開(kāi)。例如：在“化學(xué)反應(yīng)速率”學(xué)習(xí)中，學(xué)生對(duì)外界影響因素和反應(yīng)速率的表示方法已經(jīng)有了基本的認(rèn)知和了解。但是，對(duì)“反應(yīng)速率的測(cè)量”這一知識(shí)點(diǎn)卻難以掌握。為此，教師可通過(guò)數(shù)字化手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行新課導(dǎo)入。首先，教師在授課前通過(guò)小組實(shí)驗(yàn)，利用抽濾瓶、數(shù)據(jù)采集器、手持遙控器、計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)接收器、壓強(qiáng)傳感器等數(shù)字化技術(shù)，測(cè)量硫酸與鋅粒反應(yīng)瞬時(shí)速率的實(shí)時(shí)變化，觀察反應(yīng)時(shí)壓強(qiáng)曲線的變化;然后，將壓強(qiáng)變化曲線和走向趨勢(shì)進(jìn)行定量分析，通過(guò)分段標(biāo)記，將宏觀現(xiàn)象、主要微粒、趨勢(shì)特點(diǎn)和符號(hào)表征進(jìn)行分析和概括;最后，引導(dǎo)學(xué)生利用原有圖像，制作成新的化學(xué)變化圖像，從中發(fā)現(xiàn)反應(yīng)速率在15秒之后開(kāi)始逐漸減小，并得出結(jié)論：硫酸在實(shí)驗(yàn)中逐漸消耗，降低了H+的濃度，因此減慢了反應(yīng)速率。

2.2探究性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

探究學(xué)習(xí)方式是課標(biāo)提出的一個(gè)重要理念，目前教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要的目的是為學(xué)生提供合作與探究的學(xué)習(xí)空間，促進(jìn)彼此間的交流與探討，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)方式的有效轉(zhuǎn)變。如：在影響鹽類水解的因素探究中，教師可應(yīng)用數(shù)字化手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)，借助色度傳感器與數(shù)據(jù)采集器等探測(cè)工具進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量生成物的濃度，通過(guò)采取到的具體數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)變化過(guò)程進(jìn)行分析，在確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性、真實(shí)性和價(jià)值性的同時(shí)，培養(yǎng)探究思維、圖表分析能力和科學(xué)的探究能力。具體實(shí)驗(yàn)操作方法：首先，準(zhǔn)備色度傳感器、比色皿、數(shù)據(jù)采集器、恒溫水浴鍋、溫度計(jì)等，并配置0.5mol/L的FeCl3溶液，將其加入比色皿中，之后放入色度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并記錄，同時(shí)設(shè)置20℃的初始溫度，并逐漸加熱至60℃，將不同溫度的FeCl3溶液放置到不同燒杯中，并滴入5滴鹽酸溶液。其次，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察，觀察發(fā)現(xiàn)：溶液吸光度不受時(shí)間的影響，但隨著鹽酸加入量的不斷增多，吸光度逐漸降低。最后，得出結(jié)論：加入鹽酸后，溶液中Fe（OH）3濃度降低了，說(shuō)明水解平衡發(fā)生了逆向移動(dòng)，證明了鹽酸對(duì)于FeCl3溶液水解具有抑制作用。

3數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)融入課堂教學(xué)的策略分析

3.1強(qiáng)化傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的有機(jī)融合

在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可以借助信息技術(shù)的輔助完成數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算工作，不再需要自己動(dòng)手參與分析和運(yùn)算，這種情況勢(shì)必會(huì)影響學(xué)生綜合能力的進(jìn)一步發(fā)展和提升?；诖耍谌粘；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)理性看待數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，不能完全用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)。相反地，為了進(jìn)一步提升學(xué)生的化學(xué)綜合素質(zhì)，充分發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，教師應(yīng)當(dāng)將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有機(jī)融合，確保兩種實(shí)驗(yàn)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)可以互補(bǔ)，切實(shí)提升化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。例如，在酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可以指導(dǎo)學(xué)生將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為一種驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的措施，先由學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析和計(jì)算，再通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)和運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于驗(yàn)證的結(jié)果，如果存在誤差，教師可以進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在誤差的原因，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中明確自身學(xué)習(xí)中存在的問(wèn)題。通過(guò)這樣的形式，不但可以提升學(xué)生實(shí)踐操作的能力及糾錯(cuò)能力，還可以促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

3.2立足教學(xué)目標(biāo)科學(xué)設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)流程

化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不同于單一課本知識(shí)的教學(xué)，其對(duì)學(xué)生的教育和影響作用是多元化的。在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，既要求學(xué)生能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程學(xué)會(huì)操作和深入理解化學(xué)知識(shí)，也需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的過(guò)程中逐步形成化學(xué)思維，培養(yǎng)自主探究學(xué)習(xí)能力。因此，在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用過(guò)程中，教師要善于圍繞教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生實(shí)際發(fā)展需求靈活設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)流程。一方面，教師要立足課本教學(xué)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)不同的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過(guò)程。例如，在化學(xué)知識(shí)拓展教學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，教師可以將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為展示性實(shí)驗(yàn)，即通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)操作指引為學(xué)生提供更多的化學(xué)實(shí)驗(yàn)專業(yè)技能呈現(xiàn)，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)視野。另一方面，在強(qiáng)調(diào)規(guī)范化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，由于需要學(xué)生深入了解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和反應(yīng)現(xiàn)象，教師在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程的過(guò)程中要突出真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作流程和細(xì)節(jié)，強(qiáng)化學(xué)生在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)規(guī)范化操作的掌握程度，同時(shí)通過(guò)自主實(shí)踐探究掌握必備的實(shí)驗(yàn)知識(shí)與技能?；诖耍跀?shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，教師要根據(jù)不同的教學(xué)需要靈活設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的流程，使數(shù)字化教學(xué)的作用和價(jià)值最大化，為學(xué)生化學(xué)課程的學(xué)習(xí)創(chuàng)造良好的條件。

3.3借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生自主探究

在以往的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師大多是按照課本中既定的實(shí)驗(yàn)流程，按部就班地再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。由于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果都已提前知曉，在參與實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中缺乏探究學(xué)習(xí)動(dòng)力，不能積極地參與到實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過(guò)程中，化學(xué)實(shí)驗(yàn)也難以發(fā)揮出應(yīng)有的作用?；诖?，教師可以借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為學(xué)生拓展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生積極地參與探究學(xué)習(xí)的過(guò)程，提高學(xué)生自主分析和探究學(xué)習(xí)的能力。例如，對(duì)于碳酸鈉溶液中滴入鹽酸的反應(yīng)，學(xué)生常常不能準(zhǔn)確地理解CO32-與H+的反應(yīng)情況，這時(shí)教師可以引導(dǎo)學(xué)生利用pH傳感器和CO2傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并探究有關(guān)反應(yīng)情況。通過(guò)教師的指導(dǎo)和點(diǎn)撥，學(xué)生從反應(yīng)方程式、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等多個(gè)層面進(jìn)行分析和探究，既能夠熟練地掌握CO32-與H+的反應(yīng)情況，又可以鍛煉自身的自主探究能力。

4結(jié)語(yǔ)

信息技術(shù)與學(xué)科課程整合已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際基礎(chǔ)教育改革的趨勢(shì)與潮流。數(shù)字化傳感技術(shù)作為一種新型的教學(xué)實(shí)驗(yàn)工具，具有便攜性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、綜合性、直觀性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了它會(huì)對(duì)科學(xué)教育產(chǎn)生重大的影響和幫助。在化學(xué)教學(xué)過(guò)程中，數(shù)字化傳感技術(shù)不僅僅是一種單一的技術(shù)手段，而應(yīng)該成為教學(xué)創(chuàng)新的支點(diǎn)?；跀?shù)字化傳感實(shí)驗(yàn)的探究學(xué)習(xí)過(guò)程可以增加學(xué)生合作交流的機(jī)會(huì)，學(xué)生利用傳感實(shí)驗(yàn)得到的定量數(shù)據(jù)，可以自我建構(gòu)對(duì)化學(xué)理論的理解。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，我們需要不斷地更新教育理念，依托新的教育技術(shù)來(lái)進(jìn)行教育改革。

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本文系2021年鶴壁市教科研課題“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究”之成果，課題批準(zhǔn)號(hào)：2021-JKLX-107