數(shù)字化實驗在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘 要：隨著時代的進步和科技的不斷發(fā)展，數(shù)字化實驗儀器及系統(tǒng)在高中化學(xué)教學(xué)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用.將數(shù)字化實驗引入高中化學(xué)教學(xué)教研活動中，不僅有助于激發(fā)學(xué)生參與實驗研究的熱情，而且促進了教師和學(xué)生思維方式的轉(zhuǎn)變，提高了教師和學(xué)生解決問題的能力.數(shù)字化儀器的應(yīng)用，大大提高了實驗教學(xué)的精度，為精準(zhǔn)教學(xué)、提高教學(xué)實效提供了保證.

關(guān)鍵詞：數(shù)字化儀器；實驗教學(xué)；應(yīng)用途徑；高中化學(xué)

中圖分類號：G632? ?文獻標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1008-0333（2023）27-0089-03

收稿日期：2023-06-25

作者簡介：徐海波（1980.2-），男，湖北省紅安人，中學(xué)高級教師，從事化學(xué)教學(xué)研究.

基金項目：2021年湖北省教育科學(xué)規(guī)劃一般課題“新課程背景下數(shù)字化實驗在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究”研究成果（課題編號：2021JB283）

自使用新教材以來，數(shù)字化實驗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“驗證次氯酸光照分解產(chǎn)物的數(shù)字化實驗”中，首次明確了使用數(shù)字化儀器進行化學(xué)實驗.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行實驗數(shù)據(jù)的采集和分析，讓學(xué)生分析最終實驗結(jié)果，得出結(jié)論.該節(jié)實驗課的開設(shè)，開拓了學(xué)生理論知識學(xué)習(xí)的新方式，加強了概念理解過程中的證據(jù)推理過程，同時正式明確了數(shù)字化實驗教學(xué)在高中化學(xué)教學(xué)中的地位.

我校自建立數(shù)字實驗室以來，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)字化實驗應(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)字化實驗教學(xué)的開展，也將教師和學(xué)生從重點關(guān)注實驗現(xiàn)象引入到關(guān)注實驗過程與原理，將化學(xué)實驗帶入到準(zhǔn)科學(xué)探究的階段.教師也逐漸在改變實驗教學(xué)方式，從“直接性、強制背記”的方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙龑?dǎo)性、形象化”為理論依據(jù)，進行證據(jù)推理，促進學(xué)生必備能力的形成和素養(yǎng)的發(fā)展.下面就數(shù)字化實驗對高中化學(xué)教學(xué)帶來的影響進行簡單的探討.

1 有助于加強學(xué)生對概念的理解，強化理論知識的學(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)，但同時也是教師教學(xué)的難點.學(xué)生往往就是因為對概念理解不透徹和表達不完整，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)，因為教師教學(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)字化實驗教學(xué)來加強學(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)字化實驗探究溫度對水的電離平衡的影響.

數(shù)字化實驗應(yīng)用部分：

【微觀探析】測定不同溫度時蒸餾水的電導(dǎo)率

實驗儀器及用品：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.

實驗現(xiàn)象：隨著溫度的升高，蒸餾水的電導(dǎo)率呈增大趨勢.

實驗結(jié)論：升高溫度，水的電離平衡正向移動.

設(shè)計意圖：（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；（2）數(shù)字化實驗儀器可以測得實驗中的某些細(xì)微變化，將不易觀察的實驗現(xiàn)象呈現(xiàn)成數(shù)據(jù)，進而得出結(jié)論.提高學(xué)生總結(jié)實驗現(xiàn)象、歸納實驗結(jié)論的能力，培養(yǎng)證據(jù)意識；（3）通過實驗具體操作提高學(xué)生實驗操作能力，規(guī)范學(xué)生實驗操作技能，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析提高學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)并總結(jié)規(guī)律的能力.

本堂課數(shù)字化實驗的應(yīng)用，對實驗探究有如下影響：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)測和采集實驗數(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)實驗一樣需要緊盯實驗現(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)實驗現(xiàn)象，隨著溫度的升高，蒸餾水的電導(dǎo)率呈增大趨勢，可以直觀地得出實驗結(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)字化實驗可以將有些原來學(xué)生只能“意會”的問題數(shù)字化、外顯化，讓學(xué)生通過觀察實驗數(shù)據(jù)，拓展探究問題的深度和廣度，進而豐富知識體系.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，“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)字化實驗來探討其反應(yīng)原理中是否有二氧化碳?xì)怏w生成.

數(shù)字化實驗應(yīng)用部分教學(xué)設(shè)計：

【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

實驗儀器及用品：二氧化碳傳感器、燒杯等.

【已有結(jié)論】根據(jù)實驗現(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.……

【創(chuàng)設(shè)情境】CaCO3沉淀的生成，會促進HCO-3的電離，使溶液中c（H+）會增大.H+和CaCO3沉淀為何不反應(yīng)？

【學(xué)生回答】H+可能和溶液中的HCO-3結(jié)合生成水和二氧化碳?xì)怏w.

【教師追問】剛才的實驗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驗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.

本堂課數(shù)字化實驗的應(yīng)用，對實驗探究有如下影響：一是拓展了問題的深度和廣度.在學(xué)生已有知識中，會認(rèn)為CaCl2溶液和NaHCO3溶液是不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的，因為這兩種物質(zhì)不符合復(fù)分解反應(yīng)發(fā)生的條件.而本節(jié)課，通過實驗設(shè)計，將不同濃度的兩種溶液混合，然后通過數(shù)字化實驗儀器對產(chǎn)物進行測定，通過所觀察到的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，學(xué)生可以得出結(jié)論，CaCl2溶液和NaHCO3溶液在一定濃度下可以發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生碳酸鈣沉淀和二氧化碳?xì)怏w.學(xué)生還可以進一步思考和分析這兩種物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的本質(zhì)，因為在溶液中HCO-3可以電離出CO2-3和H+，當(dāng)溶液中c（Ca2+）c（CO2-3）>Ksp（CaCO3）時便會有沉淀產(chǎn)生.二氧化碳傳感器的應(yīng)用，證明了二氧化碳產(chǎn)生的事實，學(xué)生也達到了本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo).二是知識的遷移應(yīng)用更有方向性和指導(dǎo)性.根據(jù)以上實驗現(xiàn)象結(jié)論，學(xué)生可以推導(dǎo)出Ba2+、Fe2+、Mn2+等在一定條件下也可以與HCO-3發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生沉淀和氣體，并且可以進一步用數(shù)字化實驗進行驗證該結(jié)論，達到豐富知識體系的目的.

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、真實情境、科學(xué)視野等來創(chuàng)設(shè)新課導(dǎo)入情景，達到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的目的.如果能將數(shù)字化實驗作為一節(jié)課的情景導(dǎo)入，也可以進一步點燃學(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)速率的測定實驗”時，我校青年教師通過帶領(lǐng)學(xué)生對教材實驗設(shè)計進行質(zhì)疑，然后開展了“運用數(shù)字化儀器對化學(xué)反應(yīng)速率測定實驗的改進”一課，效果優(yōu)秀，學(xué)生反應(yīng)激烈.

數(shù)字化實驗應(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

實驗儀器及用品：溫度傳感器和氣體壓強傳感器、電子天平、1 000 mL抽濾瓶、250 mL容量瓶、量筒、燒杯、玻璃棒等.

改進后的實驗裝置如圖1所示.

數(shù)字化實驗結(jié)果如圖2所示.

【實驗創(chuàng)新要點】

（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，同時提高了實驗的準(zhǔn)確性；

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

（4）通過一次實驗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)字化實驗的應(yīng)用，對新授課有幾個影響.一是完善了實驗設(shè)計的準(zhǔn)確性.課本實驗是通過測定活潑金屬與酸反應(yīng)產(chǎn)生相同體積氣體時所需要的時間來達到測量化學(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)，提高了實驗的準(zhǔn)確性，解決了在非標(biāo)準(zhǔn)狀況下，有氣體參與時，化學(xué)反應(yīng)速率的計算問題，得出更準(zhǔn)確的結(jié)論.二是反思和評價更加客觀有效.數(shù)字化實驗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、反思和評價時有了更客觀的依據(jù).該實驗設(shè)計同樣存在著不足，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，整個實驗還存在一定誤差.所以數(shù)字化實驗的開展能使評價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.

參考文獻：

［1］ 陳琛，董熊輜，姚如富，等.數(shù)字化實驗在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].合肥師范學(xué)院學(xué)報，2018（5）：78-81.

[2] 裴傳友，馬善恒，楊芹.中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實驗的發(fā)展與應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)，2020，42（2）：56-58.

［責(zé)任編輯：季春陽］