數(shù)字化實(shí)驗(yàn)助力培養(yǎng)高中生探究創(chuàng)新能力

劉景國 孫慧娟

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確指出，化學(xué)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的一種重要途徑。化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅可以鍛煉學(xué)生正確使用儀器設(shè)備的能力，而且可以提高學(xué)生優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的能力，進(jìn)而提升學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力。從更深層次上講，它有助于學(xué)生深刻理解理論知識，進(jìn)而達(dá)到在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究思維和創(chuàng)新能力的目標(biāo)。但在實(shí)際教學(xué)中，化學(xué)實(shí)驗(yàn)往往受諸多因素限制，導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的必要性感知被沖淡，極大地制約學(xué)生科學(xué)探究思維和創(chuàng)新能力的發(fā)展。隨著教育信息化的深入推進(jìn)，越來越多的信息技術(shù)被應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師如果能在教學(xué)中將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相融合，不僅能幫助學(xué)生深入理解實(shí)驗(yàn)過程中物質(zhì)的微觀變化，而且能引導(dǎo)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生科學(xué)探究和創(chuàng)新能力。下面以人教版高中《化學(xué)》必修一第一章第二節(jié)“離子反應(yīng)”教學(xué)中有效融合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的案例設(shè)計(jì)加以闡明。

一、案例設(shè)計(jì)目標(biāo)

一是通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對硫酸和氫氧化鋇離子反應(yīng)的探究，培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑、批判的創(chuàng)新精神，發(fā)展宏觀辨識與微觀探析的科學(xué)素養(yǎng)。

二是通過對硫酸和氫氧化鋇離子反應(yīng)的探究，體驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn)的一般模式——發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、得出結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生崇尚真理、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

二、案例設(shè)計(jì)

（一）項(xiàng)目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生綜合能力

本案例中，我們給學(xué)生創(chuàng)設(shè)了“除了有白色沉淀生成這個(gè)宏觀現(xiàn)象外，還有哪些證據(jù)能夠證明Ba（OH）2和H2SO4能夠反應(yīng)”的真實(shí)問題情境，設(shè)置四大項(xiàng)目任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生主動探究：任務(wù)一——探究Ba（OH）2和H2SO4反應(yīng)過程中溶液中c（OH-）的變化；任務(wù)二——探究Ba（OH）2和H2SO4反應(yīng)過程中溶液溫度的變化；任務(wù)三——探究H2SO4和Ba（OH）2反應(yīng)過程中溶液中離子濃度的變化；項(xiàng)目作業(yè)——利用比色計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明Ba（OH）2和H2SO4的反應(yīng)確實(shí)能夠發(fā)生。學(xué)生要想順利完成四大項(xiàng)目任務(wù)，必須借助于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器。本案例中我們以“材料”的形式對數(shù)字化儀器的作用和使用方法進(jìn)行介紹，以便于學(xué)生使用數(shù)字化儀器完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。在完成四大項(xiàng)目任務(wù)的過程中，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造力，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和領(lǐng)導(dǎo)力、動手能力、計(jì)劃以及執(zhí)行項(xiàng)目的能力。

（二）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)助力化學(xué)研究

1. pH傳感器助力探究離子反應(yīng)

學(xué)生通過Ba（OH）2和H2SO4離子方程式的書寫，能夠分析推理出c（OH-）減少，但缺少準(zhǔn)確測量c（OH-）的儀器，無法獲得測量數(shù)據(jù)作為證據(jù)證明。本案例中，學(xué)生借助于pH傳感器和數(shù)據(jù)處理軟件，就能直觀地觀察到每一滴稀硫酸滴入后溶液的pH數(shù)據(jù)——pH由滴定開始時(shí)的12.72，減小到恰好完全反應(yīng)時(shí)的7.00，到最后的1.22，以及隨著稀硫酸的不斷滴入，整個(gè)反應(yīng)過程中溶液的pH變化曲線（如圖1）。

2. 溫度傳感器助力探究離子反應(yīng)

學(xué)生借助“材料——酸堿中和反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，生成水越多，放熱越多 ” 能夠推理出Ba（OH）2和H2SO4反應(yīng)放熱，但由于該反應(yīng)放熱較少，普通溫度計(jì)測量的溫度變化不明顯，難以作為證據(jù)。本案例中學(xué)生借助于溫度傳感器和數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)了溶液溫度的精確測量，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生能直觀地觀察到隨著稀硫酸的不斷滴入，溶液溫度由開始時(shí)的23.8℃，逐漸升高到恰好完全反應(yīng)時(shí)的26.1℃，以及整個(gè)反應(yīng)過程中溶液溫度變化曲線（如圖2）。

3. 電導(dǎo)率傳感器助力探究離子反應(yīng)

學(xué)生根據(jù)Ba（OH）2和H2SO4反應(yīng)過程中有沉淀生成和對該反應(yīng)的離子方程式的分析，能夠推理出該反應(yīng)過程中溶液中離子濃度減小，溶液的導(dǎo)電能力減弱，但常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器無法直觀展現(xiàn)出溶液中微粒濃度的變化。本案例中學(xué)生借助于電導(dǎo)率傳感器和數(shù)據(jù)處理軟件，能夠直觀地觀察到隨著稀硫酸的不斷滴入，溶液的導(dǎo)電能力先逐漸減小，二者恰好完成反應(yīng)時(shí)，溶液的導(dǎo)電能力約為0，稀硫酸過量后，溶液的導(dǎo)電能力又逐漸增大的整個(gè)過程（如圖3）。

可以說數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驑O大地激發(fā)學(xué)生的探究興趣和求知欲望，提高課堂效率，讓學(xué)生在獲取知識、提高動手能力的同時(shí)，感受先進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備對科學(xué)研究的作用，領(lǐng)略科技發(fā)展的價(jià)值。

（三）問題組引導(dǎo)學(xué)生深度思考

問題組能夠有效引導(dǎo)學(xué)生深度思考，達(dá)到對知識更深層次的理解，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)效率。本案例中學(xué)生在完成三項(xiàng)任務(wù)的過程中均采用了問題組探究形式，如學(xué)生在完成“任務(wù)一”時(shí)，教師由淺入深地提出了三個(gè)問題：（1）向Ba（OH）2 溶液中滴加稀硫酸，哪些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能夠證明該反應(yīng)確實(shí)能夠發(fā)生？（2）我們可以通過哪些方法測量溶液中c（OH-）的變化？（3）借助于【材料1】“pH傳感器：用來檢測被測物中氫離子濃度并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)值的傳感器；pH越大，c（OH-） 越大，c（H+）越小?！贝蠹夷芊裨O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)比較準(zhǔn)確定量地測量溶液中c（OH-） 的變化？

三、案例效果評價(jià)

（一）實(shí)際教學(xué)效果

本案例中，教師通過問題組引領(lǐng)學(xué)生全程參與完成“任務(wù)一”后，引導(dǎo)學(xué)生歸納出了探究實(shí)驗(yàn)的一般模式：發(fā)現(xiàn)問題—提出假設(shè)—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—得出結(jié)論。在后續(xù)的項(xiàng)目任務(wù)中，學(xué)生都能主動將探究實(shí)驗(yàn)的一般模式進(jìn)行應(yīng)用，自主設(shè)計(jì)、科學(xué)探究，圓滿地完成了“任務(wù)二”和“任務(wù)三”。從學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋、實(shí)驗(yàn)活動、問題展示看，學(xué)生對知識的掌握都很到位。探究性實(shí)驗(yàn)的基本模式，酸堿中和滴定的操作、步驟以及三種數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法，學(xué)生都能輕松、愉快地掌握并應(yīng)用，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生提升了思維品質(zhì)，培養(yǎng)了遷移與創(chuàng)新能力，提高了科學(xué)探究與創(chuàng)新意識，促進(jìn)了深度學(xué)習(xí)。

（二）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)推廣實(shí)用價(jià)值

本案例中，通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器的使用，隨著每一滴稀硫酸的滴入，學(xué)生能夠直觀地觀察到溶液的pH、溫度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，以及整個(gè)反應(yīng)的pH變化曲線、溫度變化曲線和電導(dǎo)率變化曲線。借助先進(jìn)化學(xué)設(shè)備以及信息化技術(shù)，用數(shù)據(jù)作為證據(jù)解決學(xué)生學(xué)習(xí)中的疑難點(diǎn)，彌補(bǔ)了常規(guī)化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)中看不見摸不著的缺陷。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)抽象知識的具體化和直觀化，為化學(xué)課堂增添了魅力，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)難度，開闊了學(xué)生的視野，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)。隨著化學(xué)傳感器、數(shù)據(jù)采集器等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器的日益小型化、精細(xì)化以及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，化學(xué)實(shí)驗(yàn)逐漸由傳統(tǒng)感官實(shí)驗(yàn)、手工繪圖向精密定量測定實(shí)驗(yàn)過渡，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)所占的比重會進(jìn)一步增大。教師只有在原有課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索，才能讓更多的先進(jìn)儀器、技術(shù)走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)教室，把先進(jìn)科學(xué)技術(shù)和科學(xué)理念帶入教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中，進(jìn)一步提升教育教學(xué)質(zhì)量。

（ 作者單位：山東省淄博第四中學(xué)）