核心素養(yǎng)下數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

李愛玲

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。化學(xué)教學(xué)更是離不開化學(xué)實(shí)驗(yàn)?？梢哉f如果離開化學(xué)實(shí)驗(yàn)，化學(xué)教學(xué)就成了“無源之水，無本之木”?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)在為教師進(jìn)行化學(xué)教學(xué)提供真實(shí)的情境問題的同時，也為學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)概念和化學(xué)反應(yīng)原理等理論知識提供了事實(shí)依據(jù)。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計、實(shí)驗(yàn)觀察時，還可以培養(yǎng)學(xué)生的思考能力和觀察能力，滲透了“宏觀辨識與微觀探析”核心素養(yǎng)，發(fā)展了“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)，提高了“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”核心素養(yǎng)。

從古到今，人類探索未知世界的方法與手段總是不斷在進(jìn)步?？v觀化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的歷史發(fā)展：早期由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以老師講實(shí)驗(yàn)為主，輔以少量演示實(shí)驗(yàn);中期隨著教育理念的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)條件的完善，化學(xué)教師對教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改造和創(chuàng)新，同時每學(xué)期的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)都安排有一定數(shù)量的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn);隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)視頻、計算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)處處可見，這些信息技術(shù)手段的使用，將實(shí)驗(yàn)微觀過程可視化、三維化、立體化。

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）年》指出：信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，必須高度重視。如何切實(shí)加強(qiáng)信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的融合，現(xiàn)在已越來越引起教育行政部門和廣大中小學(xué)的普遍關(guān)注，已成為教育信息化的一個重要目標(biāo)。目前許多一線教師已參與到其中，但教師對信息技術(shù)與學(xué)科融合還存在以下問題：認(rèn)識理解不到位（認(rèn)為使用多媒體課件、播放視頻、微課錄播等就是融合）;對它的開展存在懶于改變、畏懼困難的心理;自身掌握的技術(shù)操作欠缺等。因此對信息技術(shù)與學(xué)科融合研究較多的、成果顯著的偏向于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)、資源豐富的學(xué)校，而不發(fā)達(dá)地區(qū)和農(nóng)村學(xué)校受設(shè)備、技術(shù)等條件的影響研究較少。

基于以上認(rèn)識，筆者（所處學(xué)校為農(nóng)村中學(xué)）將數(shù)字化手持技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)的案例與大家分享。

一、應(yīng)用pH數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究濃度對鹽類水解的影響

1. 教材實(shí)驗(yàn)分析

以蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》專題三第三單元“影響鹽類水解的因素”為例。濃度對鹽類水解的影響，教材提供的實(shí)驗(yàn)方案：在小燒杯中加入5ml 0.1mol·L-1的氯化鐵溶液，測pH;加水稀釋到50ml，再測該溶液的pH。該實(shí)驗(yàn)方案根據(jù)氯化鐵溶液稀釋10倍，推測溶液pH變化為1，但實(shí)際測得溶液pH變化小于1，由此說明氯化鐵溶液存在水解平衡，加水稀釋促進(jìn)氯化鐵溶液的水解。由于測稀釋前后溶液的pH，不能直觀地呈現(xiàn)加水稀釋氯化鐵溶液pH先瞬間增大再逐漸減小的過程，學(xué)生在學(xué)習(xí)該知識點(diǎn)時總是靠死記硬背結(jié)論（如越稀越水解）。

利用pH數(shù)字傳感器，可將加水稀釋溶液的pH先瞬間增大再逐漸減小的過程以曲線的形式呈現(xiàn)出來。

2. pH數(shù)字傳感器實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)儀器：磁力攪拌器、磁子、pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)及相應(yīng)配套軟件、燒杯。

實(shí)驗(yàn)藥品：0.1mol·L-1的氯化鐵溶液、蒸餾水

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1） 將pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)三者相連。

（2） 將磁子放入裝有20ml 0.1mol·L-1的氯化鐵溶液的小燒杯中，燒杯放在磁力攪拌器上攪拌，將pH傳感器探頭浸沒于溶液中。打開計算機(jī)中DISL軟件，選擇“曲線顯示”，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，按“開始”進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（3） 把20ml蒸餾水一次性快速加入氯化鐵溶液中（在磁子上方快速加入蒸餾水），繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，按“停止”停止數(shù)據(jù)采集。

（4） 對圖像的X軸和Y軸進(jìn)行平移和縮放處理。

濃度對氯化鐵溶液水解的影響如圖1所示。

從圖1可知0.1mol·L-1氯化鐵溶液pH約為1.8;加水的一瞬間，pH迅速變大，達(dá)到2.2，接著pH又逐漸減小到1.98。從數(shù)據(jù)變化，可以推知，0.1mol·L-1的氯化鐵溶液在加水稀釋的一瞬間，水解平衡還沒發(fā)生移動，因此溶液中氫離子濃度迅速減小，pH變大，但由于氯化鐵濃度減小，平衡向水解方向移動，使得pH又變小。根據(jù)勒夏特列原理，平衡移動只能減弱濃度降低的變化而不能抵消。利用數(shù)字化手持技術(shù)，將鹽溶液水解平衡移動的微觀行為通過宏觀圖像呈現(xiàn)出來，學(xué)生直觀地“看”到了平衡的移動，對水解平衡移動不再感到抽象和難以理解。

化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)中，很多知識點(diǎn)可以利用數(shù)字化手持技術(shù)將抽象的平衡移動問題以直觀的形式呈現(xiàn)給學(xué)生。如濃度對醋酸電離平衡的影響、壓強(qiáng)對化學(xué)平衡的影響、溫度對氯化銨水解的影響等。

二、應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究離子反應(yīng)

1. 教材實(shí)驗(yàn)回顧

《離子反應(yīng)》是高中教學(xué)的一個重點(diǎn)，學(xué)生要依據(jù)宏觀現(xiàn)象在頭腦中建立起微粒之間的微觀反應(yīng)，這對學(xué)生來說是一個挑戰(zhàn)。蘇教版教材是回顧初中碳酸鈉溶液分別與氯化鈣溶液、澄清石灰水反應(yīng)，都有白色沉淀生成。通過電解質(zhì)在水中的電離以及“寫、拆、刪、減”，由此得出這兩個反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是鈣離子與碳酸根結(jié)合生成碳酸鈣沉淀。該方法的不足之處在于無法判斷溶液中的其它兩種離子是不是結(jié)合成了肉眼看不見的物質(zhì)。

2. 綜合不同版本教材實(shí)驗(yàn)新方案

針對以上不足，綜合其它教材該實(shí)驗(yàn)的方案：用一定量的氫氧化鋇溶液（滴加酚酞）進(jìn)行導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)燈泡較亮;向其中逐滴滴加硫酸溶液，發(fā)現(xiàn)燈泡亮度先逐漸變暗，后又逐漸變亮，溶液顏色變淺，出現(xiàn)白色沉淀。該方案通過燈泡亮度變化衡量溶液離子的濃度大小，燈泡變暗，說明離子濃度減小。溶液顏色變淺，說明氫氧根與氫離子反應(yīng)H++OH- ==H2O，導(dǎo)致氫氧根濃度減少。白色沉淀生成，說明鋇離子和硫酸根反應(yīng)Ba2++SO42-==BaSO4↓。該實(shí)驗(yàn)較直觀地呈現(xiàn)了離子之間的反應(yīng)。但如何用一個方程式表示這兩組反應(yīng)呢？學(xué)生會有以下兩種答案：Ba2++SO42-+2H++2OH-==BaSO4↓+2H2O、Ba2++SO42-+H++OH-==BaSO4↓+H2O。

3. 利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入

高中化學(xué)教師在帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究時，往往無法直接引領(lǐng)學(xué)生對于化學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生正確的認(rèn)識與理解。如果化學(xué)教師直接帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，學(xué)生同樣會難以適應(yīng)這一形式新穎但陌生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。此時，教師就要以循序漸進(jìn)的形式，引導(dǎo)學(xué)生逐步接受數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，在日常的授課過程中，就為學(xué)生導(dǎo)入“數(shù)字化”思想。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生既掌握了利用數(shù)字化形式來解決化學(xué)問題的能力，同時又能夠適應(yīng)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)高效學(xué)習(xí)。

在開展教學(xué)活動時，高中化學(xué)教師就可以借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，對學(xué)生進(jìn)行化學(xué)知識的導(dǎo)入以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)。以《離子反應(yīng)》這一部分化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為案例，高中化學(xué)教師在對學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)授課之前，就已經(jīng)能夠充分了解到：學(xué)生難以通過自身的想象力，在腦海之中建立起對于離子實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確認(rèn)識與正確理解，在學(xué)習(xí)《離子實(shí)驗(yàn)》這一部分化學(xué)知識以及實(shí)驗(yàn)操作的過程中，會遇到諸多困難。而這個時候，高中化學(xué)教師就可以引入“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”這一概念以及實(shí)驗(yàn)形式，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、知識探討與學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對于化學(xué)知識的準(zhǔn)確掌握。比如，在開展實(shí)際授課活動時，化學(xué)教師可以從“數(shù)字化”這一個概念入手，來進(jìn)行“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”講解。以碳酸鈉溶液與氯化鈣溶液的混合為例，高中化學(xué)教師可以先帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行如下數(shù)字化實(shí)驗(yàn)分析：“同學(xué)們，一個碳酸鈣分子和一個氯化鈉分子，可以分別拆分為幾個離子呢？這些離子可以相互組合，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、變成其他的物質(zhì)嗎？能夠變成哪些物質(zhì)呢？”通過這種形式，學(xué)生將會初步樹立起數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的概念，從“數(shù)字”的角度來對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行思考與探究，確保學(xué)生能夠正確掌握將要學(xué)習(xí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

4. 利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)確定離子間數(shù)量關(guān)系

而針對學(xué)生在探討氫氧化鋇溶液與硫酸溶液的反應(yīng)過程中，所出現(xiàn)的兩種不同的分歧，教師仍然無法帶領(lǐng)學(xué)生通過建立數(shù)字化思想來加以解決。利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段無法解決的問題，我們現(xiàn)在依靠手持技術(shù)的電導(dǎo)率傳感器和pH傳感器可以輕松解決。電導(dǎo)率傳感器和pH傳感器可以同時測出，氫氧化鋇溶液逐滴滴加硫酸溶液時，pH和電導(dǎo)率的數(shù)值變化圖線。分析實(shí)驗(yàn)圖線可以發(fā)現(xiàn)在混合溶液pH=7時，混合溶液電導(dǎo)率的數(shù)值也近似為零?；旌先芤簆H=7說明H++OH- ==H2O反應(yīng)完成;混合溶液電導(dǎo)率數(shù)值近似為零，則說明Ba2++SO42-==BaSO4↓反應(yīng)也同時完成。再分析各種離子間的數(shù)量關(guān)系：Ba（OH）2==Ba2++2OH-，有1molBa2+同時有2molOH-;H2SO4==2H++SO42-，有2molH+同時有1molSO42-。因此氫氧化鋇和硫酸反應(yīng)的正確離子方程式只能是Ba2++SO42-+2H++2OH-==BaSO4↓+2H2O。該實(shí)驗(yàn)方案，通過數(shù)字直觀呈現(xiàn)了離子之間的反應(yīng)以及離子間的數(shù)量關(guān)系，幫助學(xué)生建構(gòu)了“宏觀辨識與微觀探析”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

帶領(lǐng)學(xué)生借助手持技術(shù)的電導(dǎo)率傳感器和pH傳感器來解決化學(xué)問題的過程，實(shí)質(zhì)上就是對學(xué)生進(jìn)行數(shù)學(xué)化實(shí)驗(yàn)演示的過程，也是幫助學(xué)生建立數(shù)字化實(shí)驗(yàn)思想、了解數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方式、掌握數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技能的過程。通過教師在課堂之中的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)演示，學(xué)生不僅能夠更加直觀、極為準(zhǔn)確地判斷出化學(xué)反應(yīng)的具體情況，同時更掌握了一種現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)方法，學(xué)會了以更加便捷的形式來探討化學(xué)問題，實(shí)現(xiàn)知識探究與學(xué)習(xí)。因此，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)之中的應(yīng)用，不僅能夠解決傳統(tǒng)形式教學(xué)下教師無法為學(xué)生進(jìn)行細(xì)致化實(shí)驗(yàn)講解、準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)剖析、生動性實(shí)驗(yàn)演示的缺點(diǎn)，更開拓了學(xué)生的視野，豐富了學(xué)生的思想，既讓學(xué)生掌握了化學(xué)知識、直觀觀察了化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，同時又培養(yǎng)了學(xué)生的核心素質(zhì)，帶領(lǐng)學(xué)生以現(xiàn)代化的角度來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，有助于學(xué)生的長遠(yuǎn)發(fā)展。

三、結(jié)言

核心素養(yǎng)下，化學(xué)實(shí)驗(yàn)科學(xué)融合信息技術(shù)，利用手持技術(shù)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果以數(shù)值、表格、圖片或圖表直觀表示出來，改變學(xué)生認(rèn)為化學(xué)抽象、難學(xué)的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。教材中的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)看起來有許多的不足和缺陷，但正是這些“留白”更能引發(fā)學(xué)生的思考，促使他們進(jìn)行探究，在解決問題中培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。同時傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是基于人體器官（如眼、耳、鼻、手等）通過看、聽、嗅、摸進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能感受豐富多樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及多姿多彩的變化規(guī)律。因此我們應(yīng)該在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，合理有效地使用信息技術(shù)，這樣我們的化學(xué)學(xué)科才會散發(fā)出更大的魅力。

*本文系2020年南安市基礎(chǔ)教育教學(xué)改革專項課題《信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合的實(shí)踐研究》（NJYZ2020-50）的研究成果。