數(shù)字化實驗在高中化學教學中的應用研究

［摘 要］隨著科學的進步和時代的發(fā)展，信息技術與教學活動的聯(lián)系日益密切，越來越多的高中化學教師開始嘗試將傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗相結合，希望通過二者的優(yōu)勢互補，幫助學生獲取更加精準的數(shù)據(jù)，以更加深刻地認識化學反應的本質(zhì)。文章基于此，首先介紹了數(shù)字化實驗的發(fā)展趨勢，然后客觀闡述了在高中化學教學中應用數(shù)字化實驗的優(yōu)勢和弊端，最后再綜合以上情況，總結出相應的解決措施和方法策略。

［關鍵詞］數(shù)字化實驗；高中化學；應用

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）06-0040-03

教育信息化是大勢所趨，而高中化學涉及的知識范圍廣闊，學生既要掌握化學反應，又要開展實驗驗證，對此，數(shù)字化實驗無疑是“最優(yōu)解”和“必選項”。數(shù)字化實驗是一項綜合了計算機、傳感器、數(shù)據(jù)采集器以及相應的數(shù)據(jù)處理軟件等智能信息處理系統(tǒng)的手持技術實驗，簡稱DIS。它不僅能獲得傳統(tǒng)實驗的現(xiàn)象，還能獲取相關實驗數(shù)據(jù)，從而使得實驗更加具有說服力和可靠性。高中化學教師應改變傳統(tǒng)的教學觀念，結合先進的科學技術，借助儀器和設備開展數(shù)字化實驗，以提高化學實驗數(shù)據(jù)的精確度，從而將化學實驗“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”的效果最大化。

一、數(shù)字化實驗的發(fā)展趨勢

研究表明，數(shù)字化實驗可以提高學生的信息采集、獲取和處理能力，能充分激發(fā)學生的學習興趣，增強學生之間的合作與溝通。數(shù)字化實驗以其強大的探究功能，在化學教學中得到了推廣與應用，并發(fā)揮了巨大的作用。

《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》中提出“推進信息技術與教學融合”的理念?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》中也指出要在實驗教學中積極探索現(xiàn)代信息技術與中學化學教學的深度融合。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，國家對教育的投入不斷增加，越來越多的學校配備了數(shù)字化實驗設備，同時數(shù)字化實驗的優(yōu)勢也得到了一線教師的認可。隨著數(shù)字化實驗的普及，我們使用的教材中也開始加入一些利用手持技術進行探究的數(shù)字化實驗。

二、在高中化學教學中應用數(shù)字化實驗的優(yōu)勢

（一）數(shù)字化實驗是時代的“弄潮兒”

近年來我國的科學技術發(fā)展迅猛，智能設備在教學領域更是不可或缺的角色?，F(xiàn)在的教室基本都配備了多媒體教學系統(tǒng)，給教師的教學和學生的學習帶來了許多便利，既豐富了教學方式，也極大地提高了教學效率。化學是一門以實驗為基礎的科學。傳統(tǒng)的化學實驗在化學教學中有著舉足輕重的作用，但在微觀層面的探究上就顯得“力不從心”。數(shù)字化實驗能夠很好地彌補傳統(tǒng)實驗在這方面的缺陷，可以從多個維度測量和探究多種數(shù)據(jù)，如溶液的電導率、溫度、溶解氧、pH值以及壓強等，將這些實驗過程中看不到的微觀變化通過傳感器等數(shù)字化實驗設備以曲線或數(shù)據(jù)的形式表征出來，從而讓學生更直觀地認識微觀層面的問題。例如，在教學離子反應時，為了讓學生更好地認識離子反應的本質(zhì)，教師可以設計“測定硫酸與氫氧化鋇溶液反應的電導率和pH值”實驗。在滴有酚酞的氫氧化鋇溶液中滴加硫酸，用磁力攪拌器對溶液進行攪拌，利用手持技術測定反應過程中溶液的電導率和pH值，通過數(shù)字化實驗表征出來的曲線圖讓微觀的離子反應過程“看得見”。在實驗過程中，學生既能觀察到溶液的顏色變化，同時也能看到顏色變化過程中溶液的電導率和pH值的變化。

（二）數(shù)字化實驗是學習的“調(diào)味料”

化學作為一門自然科學，與生活有著密不可分的聯(lián)系，甚至可以毫不夸張地說，我們每時每刻都在享受著化學研究帶來的成果，所以學生對化學是具有親切感的。在目前信息技術環(huán)境的影響下，學生對數(shù)字化實驗教學的接受程度普遍較高。數(shù)字化實驗可以實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的可視化、數(shù)據(jù)收集的自動化，這些能夠解決學生的實驗操作問題。數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)的化學實驗有很大的區(qū)別，它更能吸引學生的注意力，提升學生的學習興趣。

（三）數(shù)字化實驗是安全的“保障書”

化學實驗多涉及化學反應，有些反應和實驗操作存在一定的安全隱患。如有些化學試劑具有一定的腐蝕性或毒性，部分化學實驗需要用到明火等。如果教師或?qū)W生操作失誤，就有可能遭受身體創(chuàng)傷，或造成財產(chǎn)損失。而合理使用數(shù)字化實驗，對相關實驗進行微型化創(chuàng)新改進，這些問題都能迎刃而解。因為數(shù)字化實驗在降低試劑的用量的同時，可以精確獲取相關實驗數(shù)據(jù)，既保證了實驗安全又節(jié)約了實驗試劑，從根源上阻斷了化學藥品的威脅。

三、在高中化學教學中應用數(shù)字化實驗的弊端

（一）學?！澳抑行邼?/p>

盡管我國格外重視教育投入，進行了多項政策保護，投入了大量資金支持，但仍有部分經(jīng)濟發(fā)展水平落后的地區(qū)無法采購先進的數(shù)字化實驗設備。況且如今物價日增，主流的數(shù)字化實驗設備價格高昂，縱使學校躍躍欲試，奈何囊中羞澀，只能望而卻步。當然，根據(jù)相關調(diào)查報告數(shù)據(jù)顯示，我國購買數(shù)字化實驗設備的學校越來越多，但是這些信息化技術設備非但沒有成為“新寵”，反而成了“擺設”。究其原因在于一線教師習慣傳統(tǒng)的教學模式，教學觀念較難轉變，加之教師的信息技術水平不高、數(shù)字化實驗儀器操作經(jīng)驗匱乏、相關教學資源較少等，使得數(shù)字化實驗的推廣進程緩慢。

（二）學生“偷工減料”

數(shù)字化實驗主要采用傳感技術獲取實驗數(shù)據(jù)，并通過相關配套軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，實驗過程中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)都將通過電腦自動輸出，當實驗結束時，結果也會公之于眾，這就意味著學生全程都不需要對實驗數(shù)據(jù)進行記錄和運算。這雖然在一定程度上推動了實驗教學的進度，但是也使學生形成了投機取巧、偷工減料的懶惰心理。因為在可以直接得到實驗結果的情況下，很少有學生會去思考實驗數(shù)據(jù)代表的含義，這對于學生而言何嘗不是一種得不償失。要知道在新高考中，對學生數(shù)據(jù)分析處理能力的要求越來越高，因此在數(shù)字化實驗教學中一定要引導學生對實驗數(shù)據(jù)進行分析，否則將對學生的數(shù)據(jù)處理、判斷和計算等能力產(chǎn)生嚴重的不良影響。

四、在高中化學教學中應用數(shù)字化實驗的策略

（一）在儀器設備正常運行的前提下指導學生使用

數(shù)字化實驗，顧名思義就是需要借助信息化、數(shù)字化的儀器設備開展的實驗活動。但是無論是何等高端的儀器設備，都會在使用過程中有所磨損，一旦“大限將至”，設備將無法提供精確的數(shù)據(jù)和正確的結果。因此，教師想要充分發(fā)揮數(shù)字化實驗的作用，首要任務就是對數(shù)字化設備的保養(yǎng)、維護和更新加以重視，做好檢查工作，在發(fā)現(xiàn)設備精密度出現(xiàn)問題時及時進行修復和調(diào)整。其次，教師必須耐心向?qū)W生介紹設備的使用注意事項和操作規(guī)范。在傳統(tǒng)的實驗教學中，學生在實際操作時往往會出現(xiàn)各種各樣的問題，所以在數(shù)字化實驗教學中，教師更需要對學生的操作進行重點培訓，以提高學生的實驗探究能力。不僅如此，教師自身也需要“支棱”起來，在潛意識里形成規(guī)范地使用數(shù)字化實驗設備來完成實驗過程、觀察實驗現(xiàn)象和完善實驗細節(jié)的習慣，以身作則，引領學生進行更深層次的探索和創(chuàng)新。

例如，利用數(shù)字化實驗探究“催化劑對過氧化氫分解反應速率的影響”時，除了要提前制作實驗發(fā)生裝置，還要按照正確的順序?qū)⒆灾频膶嶒灠l(fā)生裝置與氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機連接在一起，并設置好數(shù)據(jù)采集器的采集頻率等。同理，利用pH傳感器測定“食醋總酸含量”時，也需要事先向?qū)W生展示磁力攪拌器、pH傳感器等實驗儀器的使用方法，之后再讓學生進行數(shù)字化實驗操作。實驗結束后，要引導學生對實驗中使用的pH傳感器等儀器進行檢查，并按要求妥善保管。

（二）結合數(shù)字化實驗優(yōu)化傳統(tǒng)實驗教學

數(shù)字化實驗的應用并非意味著傳統(tǒng)實驗的淘汰，相反二者相輔相成、缺一不可。傳統(tǒng)實驗教學內(nèi)容主要包括實驗操作、觀察現(xiàn)象、分析結果和得出結論；數(shù)字化實驗教學內(nèi)容則在傳統(tǒng)實驗教學內(nèi)容的基礎上增加了實驗數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)分析等，從而更好地證明實驗結論。顯然它們各有優(yōu)劣，如果將這兩種實驗教學相結合，先進與傳統(tǒng)、機械與人工相融合，將會產(chǎn)生怎樣的火花？在數(shù)字化實驗教學下，學生不僅能夠整合資源，還能夠演繹推理；在傳統(tǒng)實驗教學下，學生不僅能夠察“顏”觀“色”，還能夠真操實練。當學生通過二者完成實驗任務時，無論是動手實踐能力、觀察能力，還是數(shù)據(jù)的分析處理能力，都將得到巨大的提升。

例如，關于“氫氧化亞鐵沉淀的制備”實驗，在教學中教師與學生討論如何制備并共同設計實驗方案。最初將裝有NaOH溶液的長滴管伸入FeCl2溶液中，擠出NaOH溶液，并在溶液上方加入一層植物油進行液封，但實驗的效果并不理想，生成的沉淀很快就變色了。此時，教師引導學生分析并發(fā)現(xiàn)可能是溶液中溶解的氧帶來的影響。為了探究溶解氧是否對這個實驗產(chǎn)生影響，可以借助手持技術中的氧氣傳感器來測定溶液中溶解氧的含量。在傳統(tǒng)實驗中氧含量的測定一般使用的是碘量法，為了精確測定氧含量還必須配制相關的標準溶液來進行滴定，整個過程操作煩瑣，耗時較長，還可能因操作不當造成較大誤差。而利用手持技術，只需要一個小小的氧氣傳感器及相關儀器，就能夠快速、精確地獲取溶液中的氧含量，并且還可以測定實驗過程中溶解氧的含量變化，以判斷是否是溶解氧氧化了氫氧化亞鐵。這是傳統(tǒng)的化學實驗無法完成的。

（三）基于數(shù)字化實驗發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)

數(shù)字化實驗可以實現(xiàn)實驗過程中的數(shù)據(jù)表征成曲線，與實驗現(xiàn)象同步可視化，從而突破傳統(tǒng)實驗僅能從宏觀現(xiàn)象分析物質(zhì)微觀層面變化的難題。借助數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)曲線，學生會更加深刻地認識物質(zhì)的微觀變化，從而更好地發(fā)展“宏觀辨析與微觀探析”化學學科核心素養(yǎng)。例如，在“電解質(zhì)”概念教學中，為了更好地讓學生理解電解質(zhì)的電離過程，教師設計了“測定乙醇、氯化鈉等物質(zhì)在水中的電導率”實驗，利用這些物質(zhì)逐步加入水中帶來的電導率變化所表征出來的曲線，再輔以動畫演示，讓學生對電離過程有一個更加深入的認識。

數(shù)字化實驗可以將實驗中的溫度、pH值、電導率或者氧氣濃度等的變化過程通過數(shù)值或者曲線表征出來，這種方式可以讓學生更好地認識到物質(zhì)是運動和變化的。通過溫度傳感器測定化學反應過程中的溫度變化，學生可以認識到化學反應過程中不但有新物質(zhì)生成，還會伴隨著能量的變化。不同的傳感器可以多維度動態(tài)地展示化學變化，借此能更好地發(fā)展學生“變化觀念與平衡思想”的化學學科核心素養(yǎng)。例如，在探究離子反應本質(zhì)的教學中，通過測定氫氧化鈉溶液與鹽酸滴定過程中的電導率以及pH值，學生可以更好地認識到離子反應過程中離子濃度的變化，從而對離子反應的本質(zhì)有一個深入的認識。

物質(zhì)的研究必須建立在實驗的基礎之上，實驗探究是學習化學的重要途徑?；跀?shù)字化實驗的研究性學習，可以培養(yǎng)學生的探究意識、問題意識和創(chuàng)新意識，從而發(fā)展學生的“科學探究與創(chuàng)新意識”的化學學科核心素養(yǎng)。例如，關于分子間作用力這種看不見的力，如何幫助學生更好地認識不同分子的分子間作用力的大小？在教學中，教師可引導學生認識分子間作用力與物質(zhì)蒸發(fā)過程中溫度變化的關系，并設計實驗，借助溫度傳感器測定物質(zhì)蒸發(fā)過程中的溫度變化，進而得到不同物質(zhì)的溫度變化與其分子間作用力大小的關系。在整個教學過程中，先引導學生發(fā)現(xiàn)并提出問題，再引導學生根據(jù)問題進行假設，借助數(shù)字化實驗設計實驗方案并實施，最后驗證假設從而解決問題。

綜上所述，隨著社會經(jīng)濟和信息技術的發(fā)展，以及新課程改革的全面推進，作為一種先進的教學手段，數(shù)字化實驗的研究價值越來越受到一線教師的重視，數(shù)字化實驗也得到越來越多的推廣應用。對此，高中化學教師應改變教學觀念，借助先進的信息技術手段——數(shù)字化實驗優(yōu)化課堂，提升實驗教學效果。目前，數(shù)字化實驗在實際應用過程中仍存在一些問題，或?qū)W?！澳抑行邼?，或?qū)W生“偷工減料”，正可謂“路漫漫其修遠兮”，需要教師堅持不懈地“上下求索”。如今，我國已經(jīng)制定了明確的教育方針，同時擁有先進的信息技術，對于數(shù)字化實驗也有越來越多的經(jīng)驗可以借鑒。因此，只要一線化學教師能夠在儀器設備正常運行的前提下指導學生使用、結合數(shù)字化實驗優(yōu)化傳統(tǒng)實驗教學、基于數(shù)字化實驗發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)，所有的困擾都將迎刃而解，學生的化學學科核心素養(yǎng)也一定會在數(shù)字化實驗技術的加持下得到提升。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 徐鳳.高中化學數(shù)字化實驗教學的幾點思考［J］.中學課程輔導，2022（16）：15-17.

［2］? 伍娟，傅鐵軍.信息技術視域下高中化學數(shù)字化實驗的實施探究［J］.知識文庫，2022（5）：169-171.

［3］? 曾永裕.教育信息化背景下的高中化學數(shù)字化實驗教學［J］.中學教學參考，2021（29）：68-69.

［4］? 傅忠.高中化學數(shù)字化實驗教學研究［D］.濟南：山東師范大學，2012.

［5］? 裴傳友，馬善恒，楊芹.中學化學數(shù)字化實驗的發(fā)展與應用［J］.化學教學.2020（2）：56-60

［6］? 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

（責任編輯? ? 羅? ? 艷）