引入數(shù)字化實驗 點亮化學(xué)新課堂

摘 要 數(shù)字化實驗?zāi)軌虬褜嶒灲Y(jié)果以數(shù)據(jù)形式顯示出來，使實驗結(jié)果更直觀、精確。在“常見的堿”化學(xué)課堂教學(xué)中，利用氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)原理設(shè)計的兩個數(shù)字化實驗，不僅是對傳統(tǒng)實驗的輔助和補(bǔ)充，還能促進(jìn)學(xué)生了解先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，培養(yǎng)思維能力，學(xué)會數(shù)據(jù)分析，提高探究水平，有助于提升學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 初中化學(xué) 數(shù)字化實驗

數(shù)字化實驗系統(tǒng)（DIS）是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和配套軟件組成，與計算機(jī)相連接并進(jìn)行定量采集和處理數(shù)據(jù)的實驗技術(shù)系統(tǒng)。數(shù)字化實驗不僅能看到一般傳統(tǒng)實驗所呈現(xiàn)的宏觀現(xiàn)象，還能把實驗結(jié)果以數(shù)據(jù)形式顯示出來，使實驗結(jié)果更直觀、精確，有利于分析實驗，得出結(jié)論。數(shù)字化實驗在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用越來越多，在化學(xué)試題中也頻頻出現(xiàn)。在筆者觀摩的“常見的堿”一課中，上課教師利用氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)原理設(shè)計的兩個實驗，就是用壓強(qiáng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器和配套軟件與計算機(jī)相連，把實驗中變化的氣體壓強(qiáng)用波形圖直觀地展示給學(xué)生。以下是筆者對該課所做的總結(jié)、評析和反思，希望對致力于研究和應(yīng)用數(shù)字化實驗的教師有所幫助。

一、亮點一：設(shè)計數(shù)字化趣味實驗，創(chuàng)設(shè)精彩教學(xué)情境

（一）課堂再現(xiàn)

“雞蛋爬升”趣味實驗[1]的實驗裝置如圖1所示，實驗現(xiàn)象如圖2所示。

【師】演示“雞蛋爬升”實驗。

【生】興奮、好奇——為什么雞蛋能從管底爬升到管頂？（實驗使課堂氣氛活躍）

【師】組織學(xué)生小組討論并回答：為什么雞蛋能從管底爬升到管頂？

【生】在亞克力管內(nèi)，雞蛋上方的氣體壓強(qiáng)小于外界大氣壓。

【師】多媒體展示：實驗結(jié)束后，亞克力管內(nèi)雞蛋上方氣體壓強(qiáng)變化波形圖（見圖3）。

【師】對照波形圖，回顧實驗過程：用注射器向亞克力管中注入少量液體并振蕩后，管內(nèi)雞蛋上方的氣體壓強(qiáng)（以下簡稱“壓強(qiáng)”）逐漸減小，由起始點的100.4 kPa降低到最低點的28.6 kPa。用手捏緊亞克力管最下端的膠皮管，松開彈簧夾K2，再一點一點放松亞克力管最下端的膠皮管，雞蛋不斷向上爬升。在雞蛋向上爬升的同時“壓強(qiáng)”也不斷上升，由28.6 kPa逐漸上升到起始點的100.4 kPa，然后保持不變。此時雞蛋也停止了上升。雞蛋爬升運(yùn)動與“壓強(qiáng)”波形圖曲線的上升同步進(jìn)行。是波形圖讓我們看到了“壓強(qiáng)”的變化。由于“壓強(qiáng)”減小且小于大氣壓，雞蛋就“爬升”了。

【師】同學(xué)們，你們現(xiàn)在肯定對“注射器中的液體是什么”感到很好奇。它就是氫氧化鈉溶液。而實驗開始前，亞克力管中充滿的是二氧化碳?xì)怏w。它們通過什么神奇的反應(yīng)使雞蛋爬升了呢？這就是我們今天要研究的課題——“常見的堿”重點探究的內(nèi)容。下面我們一起來學(xué)習(xí)“常見的堿”。

【生】興致勃勃地投入到新課學(xué)習(xí)中。

（二）教學(xué)評析

創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境已經(jīng)是現(xiàn)在課堂教學(xué)的常態(tài)。好的教學(xué)情境具有科學(xué)性、合理性、實效性，即情境安排科學(xué)、合理、有效。有效的教學(xué)情境應(yīng)當(dāng)如催化劑一樣，使學(xué)生身心愉悅，感覺學(xué)習(xí)的過程充滿樂趣，能夠積極主動地迅速投入到學(xué)習(xí)中去。好的教學(xué)情境有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效果。

“雞蛋爬升”數(shù)字化趣味實驗就是一個有效的教學(xué)情境?！半u蛋爬升”實驗比熟悉的“噴泉實驗”和“瓶吞雞蛋”實驗更能使學(xué)生感到新奇，由陌生感產(chǎn)生強(qiáng)烈的好奇——“怎么這樣？”“為什么？”，強(qiáng)烈的好奇又引發(fā)強(qiáng)烈的求知欲。此時，數(shù)字化實驗的“壓強(qiáng)”波形圖被恰當(dāng)?shù)卣故境鰜?。通過數(shù)據(jù)分析，學(xué)生明白了雞蛋爬升的原因，完成了對知識的感知，并為下一步知識的遷移做了鋪墊。數(shù)字化實驗在此起到了畫龍點睛的作用。

“雞蛋爬升”數(shù)字化趣味實驗在上課伊始便引起了學(xué)生的強(qiáng)烈好奇，撥動了學(xué)生求知的神經(jīng)，直觀的實驗結(jié)果使學(xué)生透過事物的表象看到事物的本質(zhì)。實驗中學(xué)生產(chǎn)生的疑問符合杜威“五步思維法”中所說的第一步“問題”，有效地激發(fā)了學(xué)生的科學(xué)思維。并且教師在引入新課時提出的氫氧化鈉和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)的問題，與新課即將學(xué)習(xí)的新知識核心內(nèi)容相呼應(yīng)，為后面的學(xué)習(xí)打下伏筆。

可見，這節(jié)課用“雞蛋爬升”數(shù)字化趣味實驗創(chuàng)設(shè)的教學(xué)情境不失為一個精彩的教學(xué)情境。

二、亮點二：分組完成數(shù)字化實驗，突出重點、實破難點

（一）課堂再現(xiàn)

當(dāng)學(xué)習(xí)到氫氧化鈉的化學(xué)性質(zhì)——氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)時，教師和學(xué)生一起分析了“雞蛋爬升”數(shù)字化實驗設(shè)計的原理，并根據(jù)此原理設(shè)計了數(shù)字化探究氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的對比實驗[2]，實驗裝置如圖4所示。

教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組實驗，然后把各個小組實驗結(jié)果一一展示，選取其中一個實驗小組的壓強(qiáng)波形圖（見圖5）展示在大屏幕上。

教師和學(xué)生一起分析討論這個實驗結(jié)果。

【師】大屏幕上壓強(qiáng)波形圖中曲線的起始部分反映的是什么？

【生】瓶內(nèi)起始?xì)鈮骸?/p>

【師】曲線上升一點，說明氣壓增大一點，這是什么原因？

【生】由于注入50毫升水對瓶內(nèi)氣體形成擠壓，導(dǎo)致氣壓增大。

【師】震蕩瓶子后，曲線下降一些，說明氣壓減小，這又是什么原因？

【生】由于水與部分二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，使瓶內(nèi)氣體減少，氣壓減小。

【師】接著曲線又上升一點，這又是什么原因？

【生】由于注入的50毫升氫氧化鈉溶液對瓶內(nèi)氣體形成擠壓，導(dǎo)致氣壓增大。

【師】又震蕩瓶子后，曲線迅速大幅度下降，這說明什么？

【生】說明大量二氧化碳與氫氧化鈉溶液發(fā)生反應(yīng)。

【師】前后兩段下降曲線下降的幅度明顯不同，形成鮮明對比，這又說明什么？

【生】說明氫氧化鈉反應(yīng)掉大量二氧化碳。

【師】為什么？

【生】如果二氧化碳不與氫氧化鈉反應(yīng)，只與水反應(yīng)，那么兩段曲線下降的幅度應(yīng)該一樣。實際上是后面一段曲線下降的幅度大很多，說明大量二氧化碳與氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)。

【師】小結(jié)：分析得很好。這個數(shù)字化實驗精確、直觀地驗證了氫氧化鈉與二氧化碳發(fā)生了反應(yīng)。下面我們來書寫反應(yīng)方程式。

（二）教學(xué)評析

氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)是這節(jié)課的重點和難點。人教版九年級化學(xué)教材沒有單獨介紹氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的探究方法，而是通過回憶檢驗二氧化碳的反應(yīng)來推知氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)，并直接書寫化學(xué)反應(yīng)方程式，致使學(xué)生在掌握氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)上感到困難。為了突出這個重點和突破這個難點，針對二氧化碳通入氫氧化鈉溶液中無明顯反應(yīng)現(xiàn)象的情況，教師設(shè)計了多種有明顯現(xiàn)象的實驗裝置來演示氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的實驗。常見的實驗有“軟塑料瓶變癟”“氣球脹大”“噴泉實驗”“瓶吞雞蛋”等，這些實驗為了確證氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)，還需做對比實驗來排除水的干擾或用稀鹽酸驗證反應(yīng)后的產(chǎn)物，實驗過程比較繁瑣，有時效果不是很理想。

這節(jié)課設(shè)計的探究氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的數(shù)字化實驗，定量、直觀地證明了氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)，使學(xué)生有了深刻的感性認(rèn)識。從課堂反饋看，學(xué)生能夠較好地理解和掌握氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)，充分體現(xiàn)出數(shù)字化實驗的優(yōu)勢，它能將“無明顯現(xiàn)象”的化學(xué)反應(yīng)以數(shù)字化形式呈現(xiàn)出來，使實驗結(jié)果更加精確，通過分析波形圖及相應(yīng)數(shù)據(jù)，可以培養(yǎng)學(xué)生分析處理數(shù)據(jù)的科學(xué)素養(yǎng)。

三、教學(xué)反思

“常見的堿”這節(jié)課的重點是氫氧化鈉的主要性質(zhì)，其中氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)是氫氧化鈉的重要化學(xué)性質(zhì);這節(jié)課的難點是探究氫氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)，體會對比的科學(xué)探究思想。這節(jié)課的兩個數(shù)字化實驗都是利用氫氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)原理設(shè)計的，前后呼應(yīng)、相得益彰?！半u蛋爬升”數(shù)字化實驗激趣、設(shè)疑，為后面的學(xué)習(xí)做鋪墊;探究氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的數(shù)字化實驗是對比探究實驗，肉眼可見氣體壓強(qiáng)波形圖曲線前后變化趨勢明顯不同。學(xué)生通過分析，得出氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的重要化學(xué)性質(zhì)，并體會了對比的科學(xué)探究思想?！半u蛋爬升”數(shù)字化實驗有“雞蛋爬升”的明顯現(xiàn)象，可以幫助判斷氫氧化鈉與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，但是沒有排除水的干擾。探究氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的數(shù)字化實驗通過對比，排除水的干擾，確證氫氧化鈉與二氧化碳發(fā)生了反應(yīng)。學(xué)生對氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)有了直觀的感性認(rèn)識。這節(jié)課引入的兩個數(shù)字化實驗是成功的，既突出了這節(jié)課的重點，又突破了這節(jié)課的難點。

數(shù)字化實驗不斷在教學(xué)實踐中展示出優(yōu)勢，它可以將肉眼無法觀察到的實驗事實以數(shù)字化形式呈現(xiàn)出來，使實驗結(jié)果更加精確，實驗結(jié)果可以保存，供反復(fù)研究使用。在化學(xué)課堂教學(xué)中引入數(shù)字化實驗，不僅能對傳統(tǒng)實驗進(jìn)行輔助和補(bǔ)充，還能促進(jìn)學(xué)生了解先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，培養(yǎng)思維能力，學(xué)會數(shù)據(jù)分析，提高探究水平，有助于提升學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。化學(xué)教師若能在課堂教學(xué)中結(jié)合具體情況設(shè)計并開展數(shù)字化實驗，化學(xué)課堂就會煥發(fā)新活力，數(shù)字化實驗也會成為化學(xué)課堂的新亮點。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]葛德新，施維.“雞蛋爬升”實驗[J].中小學(xué)實驗與裝備，2018（6）：30-31.

[2]陳繼清.用DIS實驗探究NaOH與CO2的反應(yīng)[J].中小學(xué)實驗與裝備，2018（3）：15-16.

（責(zé)任編輯：趙曉梅）

作者簡介：陳繼清（1970—），男，江蘇南通人，江蘇省南通市虹橋二中一級教師，大學(xué)本科，研究方向：化學(xué)實驗教學(xué)。