數(shù)字化實驗在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

吳惠華

實驗主要是指學(xué)生利用化學(xué)儀器和試劑，通過實驗條件的改變和用量的控制觀察化學(xué)物質(zhì)變化，檢驗化學(xué)猜想或者論證化學(xué)結(jié)果的過程，是在教師的引導(dǎo)下運用化學(xué)知識解決化學(xué)問題的過程．當(dāng)前階段的高中化學(xué)課程中大部分內(nèi)容都需要在實驗環(huán)境下進行講解，但有些學(xué)校缺乏相關(guān)的教材、設(shè)備，有些實驗有一定的危險性，有些實驗在短暫的課堂時間內(nèi)無法完成．面對這種情況，教師可以借助數(shù)字化實驗來解決．?dāng)?shù)字化實驗以計算機、傳感器、數(shù)據(jù)采集器和系統(tǒng)軟件構(gòu)成，讓學(xué)生借助數(shù)字化的實驗室，將傳統(tǒng)實驗和信息技術(shù)有機整合，使學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、合作學(xué)習(xí)能力得到全面的發(fā)展．

１ 數(shù)字化實驗在高中化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的重要價值

數(shù)字化實驗系統(tǒng)包含自主操作平臺、數(shù)據(jù)采集器、多類型傳感器和強大的函數(shù)圖像處理系統(tǒng)．該系統(tǒng)利用信息技術(shù)彌補了化學(xué)實驗存在的不足，能夠結(jié)合化學(xué)實驗和信息技術(shù)教學(xué)，在真實演示的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)信息技術(shù)和實驗教學(xué)的有機整合．對于高中化學(xué)而言，實驗所涉及的氣體部分是有毒的，因此學(xué)校實驗室需要配備通風(fēng)設(shè)備．但由于資金的限制和諸多學(xué)校對實驗的重視程度有限，很多學(xué)校的實驗室并沒有完整的通風(fēng)設(shè)備，導(dǎo)致很多化學(xué)實驗無法進行．?dāng)?shù)字化實驗的使用，能夠降低學(xué)校的實驗成本，而且能將危險規(guī)避掉，降低教學(xué)難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．在學(xué)生操作實驗的過程中，教師可借助數(shù)字化平臺清晰地展示錯誤的實驗操作所帶來的不利影響，這對提高學(xué)生的化學(xué)水平，促進教師教學(xué)能力的發(fā)展都有著突出的作用．

數(shù)字化實驗?zāi)軌蛲黄茣r間、地點的限制，能更好地滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需要．對于學(xué)校而言，開展數(shù)字化實驗?zāi)鼙Ｕ蠈W(xué)生的安全；對于教師而言，能夠?qū)⒏鞣N實驗展現(xiàn)在學(xué)生面前，同時對化學(xué)實驗涉及的重點和難點，可以集中在相關(guān)的平臺展現(xiàn)，使學(xué)生能夠更加有針對性地觀察實驗現(xiàn)象，這對提升教學(xué)效果有很大的幫助；對于學(xué)生而言，可以親自完成數(shù)字化實驗，反復(fù)驗證思考實驗原理，讓實驗在復(fù)習(xí)過程中也可以突破時間和地點等眾多因素的限制．

２ 數(shù)字化實驗在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用策略

２．１ 利用化學(xué)實驗，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

為了培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在教學(xué)過程中教師可以利用數(shù)字化實驗吸引學(xué)生的注意力，在實驗導(dǎo)入中將晦澀的化學(xué)文字描述轉(zhuǎn)化為具體形象的實驗過程，降低學(xué)生的理解難度，提升學(xué)習(xí)效率．

例如，弱電解質(zhì)的電離是高中化學(xué)教學(xué)中的難點，課本中對弱電解質(zhì)的電離度并沒有進行充分的分析解釋，也缺乏實踐操作，造成學(xué)生對此知識點理解起來比較困難．?dāng)?shù)字化實驗可以測試不同濃度的乙酸溶液ｐＨ 的變化，通過傳感器及數(shù)據(jù)采集器，在電腦中顯示出相關(guān)的數(shù)據(jù)．分析這些數(shù)據(jù)能夠幫助學(xué)生直觀了解到弱電解質(zhì)的濃度對其電離度的影響，從而得出最終的結(jié)論．?dāng)?shù)字化實驗的過程形象具體，既能幫助學(xué)生理解掌握知識，又能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣．

２．２ 利用探究實驗，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識

在傳統(tǒng)高中化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生很少有獨立思考和自主探究的機會，對化學(xué)知識的認識僅限于教師講解的內(nèi)容．為了培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和化學(xué)思維，教師需要通過實驗的方式引導(dǎo)學(xué)生進行設(shè)計和探究，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)．在探究實驗中，學(xué)生需要自主設(shè)計實驗步驟，設(shè)計實驗流程，選擇實驗器材和化學(xué)物質(zhì)，通過控制化學(xué)試劑的加入量和化學(xué)實驗條件等觀察不同的化學(xué)現(xiàn)象．在探究問題的引導(dǎo)下，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到提升，對化學(xué)知識的掌握更加全面．?dāng)?shù)字化實驗可以明顯提高學(xué)生的探究意識，可以引導(dǎo)學(xué)生拓展思路．例如，給學(xué)生一些有干擾性的選項，引導(dǎo)學(xué)生做出正確選擇，并了解錯誤選項存在的問題是什么，讓學(xué)生的探究意識得到更好的發(fā)展．

在蘇教版高中化學(xué)高一必修第一冊專題３ 第二單元“金屬鈉及鈉的化合物”教學(xué)中，教師提出問題：過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)會出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象？產(chǎn)生什么樣的結(jié)果？要求學(xué)生圍繞所提出的問題，進行實驗探究．但是在課堂上能夠給予學(xué)生實驗的時間是有限的．同時，實驗過程中相關(guān)的實驗記錄、實驗操作對學(xué)生而言也有極大的難度．面對這種情況，就需要將數(shù)字化實驗融入其中，通過數(shù)字化實驗將實驗過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行清晰詳細的記錄，然后學(xué)生圍繞著整體實驗過程進行總結(jié)，并得出結(jié)論．利用數(shù)字化實驗，學(xué)生可以圍繞著金屬鈉及鈉的化合物進行多樣化的研究．例如，在增加某些物質(zhì)后，會有哪些實驗現(xiàn)象的變化．

新課改要求，在高中化學(xué)實驗中，強調(diào)學(xué)生的主體性，鼓勵學(xué)生親自實驗．在這種情況下，教師可以借助數(shù)字化實驗調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性．例如，在學(xué)習(xí)苯酚的化學(xué)性質(zhì)時，可以讓學(xué)生互相討論，然后進行相關(guān)操作：取３ｍＬ 苯酚濁液于試管中，然后向其中逐漸滴加氫氧化鈉溶液，讓濁液變澄清．這時，繼續(xù)提出問題：如果將澄清的溶液分到２ 支試管中，向其中１支試管中加稀鹽酸，向另一支試管中通入二氧化碳氣體會產(chǎn)生怎樣的實驗現(xiàn)象？課堂上是無法給予充足的時間讓學(xué)生進行驗證的．通過數(shù)字化實驗，展開相關(guān)的觀察，讓學(xué)生能夠在親自動手操作的過程中，快速了解具體的現(xiàn)象．教師可以繼續(xù)提出相關(guān)的問題，讓學(xué)生鞏固課堂所學(xué)的知識．例如，苯酚溶液對皮膚有腐蝕性，如果不慎沾到皮膚上，要怎么處理？可以用熱水或氫氧化鈉溶液洗滌嗎？學(xué)生會發(fā)現(xiàn)兩者都不可以，因為借助實驗會發(fā)現(xiàn)，熱水可能會燙傷皮膚，氫氧化鈉溶液有極強的腐蝕性，會腐蝕皮膚，應(yīng)該用一種對人體沒危害的溶液來溶解苯酚試劑，即可以用酒精嘗試．利用數(shù)字化探究實驗，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識，體現(xiàn)學(xué)習(xí)過程中學(xué)生的主體地位，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力．

２．３ 數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，探究化學(xué)反應(yīng)原理

在高中化學(xué)教學(xué)過程中，數(shù)字化實驗有諸多優(yōu)勢，能夠?qū)⑽⒂^的化學(xué)現(xiàn)象以宏觀樣式呈現(xiàn)出來，把抽象的化學(xué)知識直觀化與具體化，但是也有一定的局限性，那就是學(xué)生無法直接操作化學(xué)儀器和使用藥品等展開研究，他們獲得的感知不夠真切，學(xué)習(xí)效果也會受到一定的影響．因此，高中化學(xué)教師應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容與實際情況，將數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗結(jié)合起來，分別展現(xiàn)各自的優(yōu)勢，一起探究化學(xué)反應(yīng)原理，帶領(lǐng)學(xué)生在雙重實驗?zāi)Ｊ较抡归_深度學(xué)習(xí)，助推學(xué)生真正理解化學(xué)反應(yīng)原理．

比如，在蘇教版高中化學(xué)高二選擇性必修第一冊專題３第一單元“弱電解質(zhì)的電離平衡”教學(xué)中，醋酸電離平衡是平衡思維具體應(yīng)用的一種，運用傳統(tǒng)實驗方法學(xué)生很難透徹理解，特別是在面對醋酸是否會出現(xiàn)電離平衡狀態(tài)，以及電離平衡狀態(tài)是否會出現(xiàn)移動等問題時，教師可采用數(shù)字化實驗和傳統(tǒng)實驗相結(jié)合的方式，體現(xiàn)出感性認知的同時穿插理性辨析，對醋酸電離平衡相關(guān)知識點展開探究，助推學(xué)生輕而易舉理解疑難知識，讓他們順利了解醋酸在弱電解質(zhì)狀態(tài)下的活動行徑，具體探究過程如下．

探究１：證明醋酸是弱電解質(zhì)．

教師先使用試管演示實驗，在相同濃度、相同體積的醋酸和鹽酸中，分別加入鎂條，觀察反應(yīng)情況，發(fā)現(xiàn)鎂條上面出現(xiàn)氣泡的速度不同，并采取數(shù)字化實驗方式把ｐＨ 傳感器放入溶液中展開檢測，體現(xiàn)出醋酸部分電離是弱電解質(zhì)．

探究２：證明醋酸溶液中存在電離平衡．

為體現(xiàn)出醋酸電離是可逆反應(yīng)，首先可利用數(shù)字化實驗方式，通過強酸變?nèi)跛崤c化學(xué)平衡移動的方式，將傳統(tǒng)實驗中難以體現(xiàn)出來的現(xiàn)象在數(shù)字化實驗中明顯地展示出來，體現(xiàn)化學(xué)平衡移動現(xiàn)象，操作如下：

１）仔細分析醋酸在電離平衡狀態(tài)時，改變溫度會產(chǎn)生哪些影響．這時緩緩加熱，把ｐＨ 傳感器放入溶液里，會發(fā)現(xiàn)有明顯的變化．

２）分析醋酸電離平衡狀態(tài)下離子濃度所產(chǎn)生的變化與影響，往溶液中加入適量的醋酸銨粉末，這時把ｐＨ 傳感器放入溶液中，ｐＨ 會出現(xiàn)明顯變化．

３）分析醋酸溶液的濃度對電離平衡產(chǎn)生的影響，往原溶液中加入少量的蒸餾水，這時使用電導(dǎo)率傳感器可以發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率數(shù)值出現(xiàn)明顯變化．

綜上所述，化學(xué)與人們的生活息息相關(guān)，教師要擺脫傳統(tǒng)教學(xué)觀念的影響，將數(shù)字化實驗滲透在化學(xué)教學(xué)中，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生在數(shù)字化實驗中探究和掌握知識，獲得能力的發(fā)展．

（完）