數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

徐海波

(宜昌市第一中學(xué),湖北 宜昌 443000)

自使用新教材以來,數(shù)字化實(shí)驗(yàn)越來越多地在教材中得到體現(xiàn).如人教版高中化學(xué)必修第一冊第45頁“驗(yàn)證次氯酸光照分解產(chǎn)物的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”中,首次明確了使用數(shù)字化儀器進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn).其中學(xué)生新接觸的儀器有:pH傳感器、氯離子傳感器、氧氣傳感器.利用傳感器和信息處理終端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析,讓學(xué)生分析最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得出結(jié)論.該節(jié)實(shí)驗(yàn)課的開設(shè),開拓了學(xué)生理論知識學(xué)習(xí)的新方式,加強(qiáng)了概念理解過程中的證據(jù)推理過程,同時(shí)正式明確了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高中化學(xué)教學(xué)中的地位.

我校自建立數(shù)字實(shí)驗(yàn)室以來,全體化學(xué)教師均全面系統(tǒng)地參與了數(shù)字化儀器的使用培訓(xùn),并積極將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用在課堂以及日常教研和各類優(yōu)課競賽中,均取得了不錯的效果.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展,也將教師和學(xué)生從重點(diǎn)關(guān)注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引入到關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程與原理,將化學(xué)實(shí)驗(yàn)帶入到準(zhǔn)科學(xué)探究的階段.教師也逐漸在改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式,從“直接性、強(qiáng)制背記”的方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙龑?dǎo)性、形象化”為理論依據(jù),進(jìn)行證據(jù)推理,促進(jìn)學(xué)生必備能力的形成和素養(yǎng)的發(fā)展.下面就數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對高中化學(xué)教學(xué)帶來的影響進(jìn)行簡單的探討.

1 有助于加強(qiáng)學(xué)生對概念的理解,強(qiáng)化理論知識的學(xué)習(xí)

高中化學(xué)教學(xué)中,概念的學(xué)習(xí)是基礎(chǔ)環(huán)節(jié),但同時(shí)也是教師教學(xué)的難點(diǎn).學(xué)生往往就是因?yàn)閷Ω拍罾斫獠煌笍睾捅磉_(dá)不完整,導(dǎo)致在后續(xù)學(xué)習(xí)中無法系統(tǒng)地掌握知識體系.而部分理論知識的學(xué)習(xí),因?yàn)榻處熃虒W(xué)缺乏證據(jù)支撐,導(dǎo)致學(xué)生只能“死記硬背”,學(xué)生也在學(xué)習(xí)過程中逐漸喪失學(xué)習(xí)樂趣,缺乏應(yīng)用知識的能力[1].化學(xué)中的離子反應(yīng)、弱電解質(zhì)的電離、分子間作用力、化學(xué)平衡等概念教學(xué),都可以通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)來加強(qiáng)學(xué)生對概念的理解.像我校青年教師在參加全市“高中化學(xué)素養(yǎng)課堂”教學(xué)競賽中,“水的電離和溶液的pH”一課就應(yīng)用了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究溫度對水的電離平衡的影響.

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用部分:

【微觀探析】測定不同溫度時(shí)蒸餾水的電導(dǎo)率

實(shí)驗(yàn)儀器及用品:溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器、磁力加熱攪拌器、燒杯等.

已備知識:水的電離程度越大,離子濃度越大,水的電導(dǎo)率越大.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:隨著溫度的升高,蒸餾水的電導(dǎo)率呈增大趨勢.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:升高溫度,水的電離平衡正向移動.

設(shè)計(jì)意圖:(1)結(jié)合前面所學(xué)弱電解質(zhì)相關(guān)知識推導(dǎo)影響水電離平衡的因素,培養(yǎng)證據(jù)推理意識,注重前后知識銜接和學(xué)生由淺入深的認(rèn)知特點(diǎn);(2)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器可以測得實(shí)驗(yàn)中的某些細(xì)微變化,將不易觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)成數(shù)據(jù),進(jìn)而得出結(jié)論.提高學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論的能力,培養(yǎng)證據(jù)意識;(3)通過實(shí)驗(yàn)具體操作提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力,規(guī)范學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能,通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析提高學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并總結(jié)規(guī)律的能力.

本堂課數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用,對實(shí)驗(yàn)探究有如下影響:一是方便了證據(jù)的收集.電導(dǎo)率傳感器的使用,可以更快更準(zhǔn)確地獲得可連續(xù)的監(jiān)測和采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),讓學(xué)生將更多的精力投入到其他更有創(chuàng)造性的方面,而非像傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一樣需要緊盯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.另外,設(shè)備測出來的數(shù)據(jù)和證據(jù)以圖表和數(shù)字為主,更為直觀.二是解釋和結(jié)論更加直觀有效.根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,隨著溫度的升高,蒸餾水的電導(dǎo)率呈增大趨勢,可以直觀地得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論,培養(yǎng)了學(xué)生證據(jù)意識.

2 有助于拓展探究問題的深度和廣度,豐富學(xué)生知識體系

探究式教學(xué)在日常教學(xué)中廣被教師應(yīng)用,但如果探究的問題枯燥和平淡,學(xué)生將會失去探究的樂趣.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以將有些原來學(xué)生只能“意會”的問題數(shù)字化、外顯化,讓學(xué)生通過觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),拓展探究問題的深度和廣度,進(jìn)而豐富知識體系.我校另一名青年教師在參加省“高中化學(xué)素養(yǎng)課堂”競賽時(shí),“CaCl2溶液和NaHCO3溶液的反應(yīng)原理及應(yīng)用”一課選擇使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)來探討其反應(yīng)原理中是否有二氧化碳?xì)怏w生成.

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用部分教學(xué)設(shè)計(jì):

【微觀探析】測定0.20 mol/L的CaCl2和NaHCO3溶液混合后有無CO2氣體產(chǎn)生

實(shí)驗(yàn)儀器及用品:二氧化碳傳感器、燒杯等.

【已有結(jié)論】根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知,0.20 mol/L的CaCl2和NaHCO3溶液混合后,溶液變渾濁,有CaCO3沉淀生成.……

【教師追問】剛才的實(shí)驗(yàn)中大家有沒有觀察到氣泡?

【學(xué)生回答】沒有.

【核心提示】沒有氣泡,可能是二氧化碳的生成速率很慢或者二氧化碳生成量很少.

【教師示范】我們用二氧化碳傳感器來檢測實(shí)驗(yàn)中究竟是否有二氧化碳生成.

【核心提示】曲線表明,二氧化碳的濃度在增大,說明該反應(yīng)中確實(shí)有二氧化碳生成.

【任務(wù)驅(qū)動】請同學(xué)們寫出兩者反應(yīng)的化學(xué)方程式.

3 有助于創(chuàng)設(shè)不同的導(dǎo)入情景,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情

情景的創(chuàng)設(shè)是否精彩是一節(jié)課成功與否的重要基礎(chǔ).教師常采用化學(xué)史科普、真實(shí)情境、科學(xué)視野等來創(chuàng)設(shè)新課導(dǎo)入情景,達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的目的.如果能將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為一節(jié)課的情景導(dǎo)入,也可以進(jìn)一步點(diǎn)燃學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情[2].比如在學(xué)習(xí)新課“有關(guān)化學(xué)反應(yīng)速率的測定實(shí)驗(yàn)”時(shí),我校青年教師通過帶領(lǐng)學(xué)生對教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行質(zhì)疑,然后開展了“運(yùn)用數(shù)字化儀器對化學(xué)反應(yīng)速率測定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”一課,效果優(yōu)秀,學(xué)生反應(yīng)激烈.

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用部分:

【微觀探析】測定濃度(鋅與不同濃度硫酸反應(yīng))對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

實(shí)驗(yàn)儀器及用品:溫度傳感器和氣體壓強(qiáng)傳感器、電子天平、1 000 mL抽濾瓶、250 mL容量瓶、量筒、燒杯、玻璃棒等.

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置圖

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

圖2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

【實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要點(diǎn)】

(1)選取適量的鋅粒和合適濃度的硫酸溶液,在抗壓能力較大的抽濾瓶中進(jìn)行反應(yīng);

(2)使用數(shù)字化儀器,將不易直接觀察的物理量直觀可視化,同時(shí)提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性;

(3)解決了在非標(biāo)準(zhǔn)狀況下,通過氣體的體積計(jì)算化學(xué)反應(yīng)速率的問題;

(4)通過一次實(shí)驗(yàn)完成了測定不同濃度下硫酸與鋅的反應(yīng)速率,更好的為下一節(jié)“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”做鋪墊.

本堂課數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用,對新授課有幾個(gè)影響.一是完善了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性.課本實(shí)驗(yàn)是通過測定活潑金屬與酸反應(yīng)產(chǎn)生相同體積氣體時(shí)所需要的時(shí)間來達(dá)到測量化學(xué)反應(yīng)速率的目的,但是忽略了反應(yīng)過程中金屬與酸反應(yīng)溫度的變化等因素.而利用數(shù)字化儀器采集數(shù)據(jù),提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,解決了在非標(biāo)準(zhǔn)狀況下,有氣體參與時(shí),化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算問題,得出更準(zhǔn)確的結(jié)論.二是反思和評價(jià)更加客觀有效.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器的引入讓探究活動過程記錄更細(xì)致更完整,使分析、質(zhì)疑、反思和評價(jià)時(shí)有了更客觀的依據(jù).該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)同樣存在著不足,在課堂上有學(xué)生質(zhì)疑反應(yīng)體系溫度不均勻,溫度傳感器局限于測定反應(yīng)體系的局部溫度,整個(gè)實(shí)驗(yàn)還存在一定誤差.所以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的開展能使評價(jià)更為客觀和更具備發(fā)展性,有利于學(xué)生的成長,能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和辯證思維.