新高考背景下化學數字化實驗的應用研究

黃俊峰

摘 要：科學技術的提高，離不開化學實驗。實驗在高中化學教學中尤為重要，伴隨大數據信息時代的到來，數字化實驗在高中化學中的應用越來越頻繁，已被中學教師們作為化學課程中首選的教學資源。但是，由于數字化教學實驗的運用還處在起步階段，因此教師們必須在實驗中不斷創(chuàng)新。在課堂教學中，化學教師們應善于剖析數字化課堂教學的優(yōu)點，并認真探討數字化教學在化學課程中的運用技巧，以有效培養(yǎng)學生的科研實驗能力，提升信息化管理水平。

關鍵詞：高中化學;數字化實驗;教學探究

在新高考背景下，化學教學模式的不斷更新是提升化學教學質量的關鍵，化學實驗也是高中化學課程的重點教學手段。怎樣把數字化實驗運用于化學課堂中，是化學教育必須重視的問題。在我國傳統(tǒng)的化學教學方法中，教師灌輸教育給學生的方法往往就是被動地在課堂開展化學實驗，而數字化教學則為高中化學實驗提供了無限的活力，怎樣在高中化學教育中充分發(fā)揮數字化實驗的優(yōu)越性，是本文探究的重點課題[1]。

一、數字化實驗的優(yōu)點

在傳統(tǒng)化學實驗教學中，由于人工完成整個實驗過程，出現(xiàn)誤差甚至錯誤也是在所難免，因此影響了學生對知識的理解。教師們只能用語言來描述一個實驗，這樣會嚴重削弱學生的學習興致，無法營造愉快有趣的課堂氣氛。若能借助先進的數字化實驗設備，利用其實際操作虛擬化和數字化的優(yōu)勢，從而改變傳統(tǒng)實驗的分散性，使得實驗操作更加便捷，數據更加精準，效果也更加直觀、清晰。還有，數字化實驗設備的先進性、高效性，不僅加快了實驗速度，而且實驗結果也更靠譜，有效提升了學生的學習興趣。

另外，利用數字化傳感器技術的優(yōu)點可替代傳統(tǒng)實驗過程不明朗、不能體現(xiàn)實驗本質、不能定量監(jiān)測的實驗。比如，通過電導率測定碳酸鈣溶于水的平衡移動實驗、壓強對化學平衡移動影響的研究、根據濁度計度測量碳酸鈣飽和溶液中加入Na2CO3或CaCl2的實驗案例。

二、數字化實驗在高中化學的應用

數字化實驗在高中化學教學的作用體現(xiàn)在以下幾個方面：可以創(chuàng)設新的學習環(huán)境，能夠形成新的探究工具，可以提高實驗教學效率，能夠實現(xiàn)對傳統(tǒng)實驗的優(yōu)化改進。運用數字化實驗教學將有利于新課程改革向縱深發(fā)展，有利于探究教學活動的開展，可以增強學生間的交流與合作，能夠豐富化學實驗評價的內涵，能夠培養(yǎng)學生數圖結合解決問題的能力[2]。

（一）應用數字化教學理解微觀本質

在高中化學教學中，分子物理性質是人眼看不見的，因此需要充分發(fā)揮數字技術的優(yōu)勢，通過借助力傳感器演示液體拉力實驗，來比較正辛烷和水的分子間作用力大小的全過程，使學生能夠清晰直觀地通過實驗圖像觀察到水的液體拉力大于正辛烷等相應的化學現(xiàn)象，從而加深了范德華力和氫鍵作用力的理解。在標準清晰的實驗視頻中，學生可以輕松觀察物質內部的化學反應，動態(tài)體驗物質的變化過程，感受化學知識之美。數字化實驗方法可以解決教師和學生無法從微觀上觀察實驗現(xiàn)象的困擾，從而為教學工作注入更多的活力。在講述“相似相溶”過程時，筆者用少許洗滌劑“推開”浮在水面的五香粉的實驗形式，介紹了洗滌劑是親油基團將五香粉“拉著水”跑。在這種逼真的情境中，學生的感知器官會被調動起來。此外，筆者在演示實驗時還會添加相應的旁白，以達到實驗的最佳效果，有助于學生深入理解實驗原理，加深對實驗現(xiàn)象的印象，牢牢記住實驗內容和結論。通過數字化實驗方式，學生能夠看到化學反應的內在轉變過程，進而提高對有關知識點的掌握[3]。

（二）應用數字化教學增強觀察效果

在化學實驗中，許多實驗反應速率快、具有毒性、污染性和高風險性的特點，這不能有效地讓學生理解反應的實質。對于此類實驗，教師可能希望使用數字化實驗的教學方法。在數字化實驗中，教師借助計算機、數據采集器、連接實驗，通過傳感器發(fā)送的數據從而取得實驗本質的良好實驗效果，給學生留下深刻印象，避免錯誤理解。標準化操作視頻可以提高對學生的良好指導，規(guī)范學生的實驗操作。在解釋“過氧化鈉的強氧化性”時，學生很難理解到反應的實質，例如過氧化鈉與二氧化硫的反應，反應現(xiàn)象非常劇烈。學生雖然很清楚地看到整個實驗過程，但實驗的本質他們卻不能完全理解。針對以上問題，作者采用數字演示實驗，通過傳感器采集三頸燒瓶氧氣含量的變化，借助計算機生成曲線變化圖像展示上述整個實驗過程裝置中氧氣的量先增加后減少，加深學生對實驗本質的理解。數字化實驗可以通過規(guī)范學生的操作步驟和實驗過程，避免操作不當造成的危險后果，達到一舉兩得的教學效果。

（三）應用數字化教學突破教材難點

在化學教材中，很多知識點往往都與現(xiàn)實生活有關。教師可以依托數字化實驗，利用其實際操作虛擬化、數字化的優(yōu)勢，從而還原實驗的整個過程，這有助于幫助學生突破教材中的困難。傳統(tǒng)的實驗方法，通過教師的教學和實驗的操作過程，往往耗費大量的時間，導致關鍵內容最終出現(xiàn)時間不足。利用數字化實驗過程可以節(jié)省實驗時間，同時回放實驗過程，使學生能夠回放不理解的難點，提高學習質量，有利于教師的課堂教學。

在教學“強電解質和弱電解質”這節(jié)知識時，因為我們無法觀察和觸摸離子的特性，因此，這一節(jié)知識已成為高中化學課程中的一項難題。為此，作者通過數字化實驗，并利用相關的實驗設計，巧妙地使用了pH值數據傳感器檢測各種濃度醋酸溶液pH值的變化規(guī)律，然后再對數據加以收集、處理與匯總，再利用計算機軟件對以前的數據進行分析。分析過程完成后，學生通過探索得出電解液對電離度影響的結論，即醋酸的加速稀釋會導致弱電解液的電離度增加，隨著醋酸濃度的降低，對弱電解液電離的影響會增加。通過數字化實驗過程，學生可以快速完成相關實驗的分析，從而得出正確的結論，最終快速突破教學難點[4]。

（四）開闊學生視野，支持課外探究

數字化實驗并不一定局限于課堂，教師還應將先進的技術和設備應用到課外興趣活動中，加強跨學科聯(lián)系，開闊學生的視野，激發(fā)學生學習化學的興趣和熱情。

課外興趣活動是課堂知識學習的有效拓展，開展數字化探索性課外興趣活動，學生可根據自身需要和實驗要求選擇必要的儀器設備，開展主題式的數字化實驗，并將它與傳統(tǒng)實驗的學習效果進行對比。如，根據當地土壤的特征開展主題為“鄉(xiāng)土地理環(huán)境中土壤pH和酸雨測定”，通過引導學生探究生活中事例，復習了H2SO4、HNO3等酸雨知識，培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)、創(chuàng)新精神和實踐能力，提升了分析、解決實際問題的能力，促進學生的全面發(fā)展，豐富學生有益的課外興趣活動。

三、數字化與高中化學實驗的融合

（一）數字化實驗技術在課程中的運用分析

實驗是高中化學課的主要教學手段。但隨著化學課程的不斷更新與完善，傳統(tǒng)的化學教學實驗方式已不適應一些新的化學內容的教學要求，甚至出現(xiàn)了實驗教學成效不好的問題。而數字化實驗教學模式則恰恰克服了這一缺點。在數字化參與化學課堂教學的過程中，學生在傳統(tǒng)課堂中難以掌握的化學基本原理與概念因為數字化講授而更加簡潔易懂，化學實驗結果也較過去更為清晰，學生的化學認識也非常透徹。比如：在教學“酒精燈火焰溫度的變化”知識時，傳統(tǒng)的教學模式是由教師反復強調，加溫時應該采用更高熱的外部火苗與加溫塊，這只有理論知識，也沒有實驗數據支撐。學生只能死記硬背，而不能真正理解。用大數據試驗方法來處理上述問題要簡單得多。因為我們只要求通過溫度傳感器來簡單地計算酒精燈的內部火焰和外圍火焰即可，而試驗中獲取的這些信息都具有高度可靠性，從而使他們能夠用令人印象深刻的方法了解所學內容。由此可見，數字化試驗方法徹底解決了傳統(tǒng)化學試驗手段所不能處理的問題，把化學實驗能力提升到了一種全新的層次上。在大數據實驗中，能夠快速處理復雜問題的優(yōu)點也十分突出。它能夠應用于計算機技術和有關軟件，正確地處理傳感器在變化中所收集的大量信息。而加工過程的結果也是整個實驗的重要依據，從而有助于整個化學實驗流程的完成。這樣，通過對復雜信息的有效處理，甚至對轉換結果、擬合曲線、計算誤差等復雜程序錯誤的有效處理，再對研究成果進行對比分析與總結，讓學生在認識信息的過程中親身感受知識生成的過程，從而極大地提高了學生的分析方法與解決問題的能力。

（二）數字化實驗與傳統(tǒng)實驗結合的分析

我們應當充分發(fā)揮數字化的先進性，利用傳統(tǒng)實驗方式的合理性，但二者的結合還需要認真衡量，合理安排。學生必須能夠掌握儀器的基本操作原理與應用方式，并在抽象現(xiàn)象中得出正確結論。二者都具有相應的優(yōu)點。兩種實驗教學模式的有效組合，將能夠發(fā)揮化學實驗的功能，從而建立有效的化學課程，極大地提高了學生的實驗水平和創(chuàng)造力。同時，在新舊教學模式相結合的化學實驗中，學生也能夠看到二者的互動，以及對完成化學實驗任務的微妙影響，從而啟發(fā)了學生自己動手實驗的欲望。因此，在“制氨”的實驗中，NH4Cl在和Ca（OH）2進行化學反應后，會形成氣體，而本實驗的主要目的是使學生體驗氣體的味道，并需要靠近儀器捕捉氣體。但是，由于氨氣有著很大的水溶性，而且只有加熱才可以促進氨氣的溢出，所以最好的實驗效果就是學生們都會仔細觀察整個實驗過程，并且感受會比較深刻。這是將數字化實驗方法和傳統(tǒng)化學實驗教學相結合的一種新教學模式，能夠有效訓練學生的思考與觀察能力，從而提升學生的運算能力與推理水平。

（三）數字化實驗優(yōu)化手段的分析

傳統(tǒng)的化學實驗主要基于實驗設備，這些硬件設施是實驗成功的唯一基礎，它們使實驗過程具有可視性和可操作性，使學生有更多的觀察和分析機會。在這個過程中，他們可以理解實驗原理，發(fā)現(xiàn)物質規(guī)律和真理?；瘜W實驗裝置同時也是硬件與軟件的結合體，其中軟件更新至關重要。改進化學實驗手段的主要途徑就是通過全面整合教學資源，進一步發(fā)揮數字化實驗與立體化教學方法的優(yōu)點，進一步訓練學生的思維能力、動手能力及其解決問題的能力。在化學實驗資源整合中，優(yōu)化化學數字實驗的功能可以從如下兩點著手。第一，優(yōu)化硬件設備是高質量實驗的前提條件，而化學課程數字化實驗又離不開各種實驗裝置的支撐。主要是計算機數據收集和管理系統(tǒng)，包括軟件、智能接口、在線或離線的操作系統(tǒng)等軟件;另外，我們應積極學習flash和PPT為主的多媒體教學軟件。這些軟硬件設備都是數字實驗的必要條件。第二，基于數據的實驗往往也需要大量實驗資料，如教學錄像、相關案例和數據光盤，以及其他收集材料的方法，比如各種學術期刊、教學計劃及其他有關化學輔助技術中含有的實驗數據和材料等。除此之外，我們還可以自己開發(fā)課堂教學所需要的有關化學實驗材料，以及課堂教學所需要的有關化學實驗過程的微視頻和有關化學實驗照片，而最好的方法就是可以把這些照片制作成有關化學實驗動畫，以充分調動學生的積極性，培養(yǎng)化學試驗能力。同時，可以把這些生動的實驗錄像制作成化學實驗教材，提供給孩子復習和借鑒。綜上所述，現(xiàn)代數字化實驗給高中化學教材帶來了活力，它不但豐富了化學教學課堂，而且擴大了學生掌握化學的生存空間，從根本上改善了高中化學課的教學品質與效果。同時，也鍛煉了學生群體的動手實驗才能，提高了學生群體通過觀察與解析化學事件的能力，從而極大地提高了學?；瘜W課程的整體水準。

（四）科學定量分析，實現(xiàn)精準實驗

對于傳統(tǒng)實驗來說，數字化實驗可以更精準地做好數據處理。在傳統(tǒng)實驗教學中，因為人工完成整個實驗、設備操作等客觀因素影響實驗現(xiàn)象不確定，實驗數據有限，難以進行精準的分析，出現(xiàn)誤差甚至錯誤也是在所難免。通過數字化實驗，學生可以獲得想要的任何實驗數據，不會錯過實驗過程中的任何細節(jié)。在多次平行實驗中，所有的實時感知實驗數據通過傳感器傳輸到計算機，以圖像或表格的形式呈現(xiàn)出來，借助大數據助力我們分析，讓我們有一個更為全面的了解，從中得到更準確的實驗結論。只有正確的實驗數據才能提高實驗效果。例如：在教學《電解質溶液滴定曲線探究》這節(jié)課中，為了更精準地體現(xiàn)溶液pH值變化過程，先將計算機和pH測定傳感器相連，將傳感器的傳感部分先置于燒堿中，隨后再將稀釋過的HCl溶液逐滴滴入燒堿中。此時，在計算機屏幕上將出現(xiàn)曲線，不斷地顯示pH的變化，學生可以很容易地從酸堿滴定過程離子濃度隨pH的變化曲線圖像中學習新知，并得出實驗結論。

結束語

綜上所述，教學模式的改革對高中化學教育具有積極意義，將直接影響教學和課堂效果。而在高中化學教育中開展數字化實驗技術將發(fā)揮傳統(tǒng)實驗所不能比擬的優(yōu)勢，更有效地促進學生的化學學習方式的轉變。另外，這也對培養(yǎng)高中學生的綜合科研能力，訓練他們在探究科研領域中的創(chuàng)新能力，以及培育創(chuàng)新意識等發(fā)揮積極的作用。因此，高中化學教師應深入探究數字化實驗教學模式，以爭取在教學活動中獲得更科學合理的結果，并獲得更完善的教學。

參考文獻

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[4]何剛，季金杰，尹后慶.數字校園在高考新政背景下的實踐應用：一項持續(xù)七年的信息化應用行動研究[J].中小學數字化教學，2019，433（12）：43-44.

惠安縣教育科學“十四五”規(guī)劃（第一批）立項課題“新高考模式下數字化實驗教學策略的實踐與研究”（HA1451—052）。