數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐研究

林珍珍

［摘 要］數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)教學(xué)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。文章以提升學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo)，經(jīng)由“融合技術(shù)→改進(jìn)裝置→演繹數(shù)據(jù)→推理證據(jù)→認(rèn)識(shí)本質(zhì)”教學(xué)路徑，從改進(jìn)教材實(shí)驗(yàn)、解決教學(xué)疑難、探討異常現(xiàn)象三個(gè)方面進(jìn)行基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新實(shí)踐研究，提供數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究范例。

［關(guān)鍵詞］數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；高中化學(xué)；教學(xué)路徑

［中圖分類號(hào)］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號(hào)］? ? 1674-6058（2024）05-0077-05

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是數(shù)字化技術(shù)與現(xiàn)代教育相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種由傳感器將檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)采集器傳送至計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖形分析、處理，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)手段。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具有定量化和可視化特點(diǎn)，可作為認(rèn)知工具幫助學(xué)生克服化學(xué)概念學(xué)習(xí)中的認(rèn)知難點(diǎn)，使他們?cè)诂F(xiàn)有認(rèn)知水平上科學(xué)感知并有效建構(gòu)抽象化概念。人教版高中化學(xué)教材中的實(shí)驗(yàn)和習(xí)題都有數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的相關(guān)舉例，新高考考題中頻繁出現(xiàn)以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究為背景的曲線分析、數(shù)據(jù)處理的題目，新課標(biāo)也要求注重發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的作用，積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度融合，合理運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)［1］。然而在實(shí)際教學(xué)中，由于設(shè)備不足、技術(shù)不到位、思想上不重視等原因，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展收效甚微。

基于以上分析，并通過(guò)對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于具體教學(xué)案例的深入研究，筆者探索出了以提升學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo)的“融合技術(shù)→改進(jìn)裝置→演繹數(shù)據(jù)→推理證據(jù)→認(rèn)識(shí)本質(zhì)”教學(xué)路徑（如圖1），從改進(jìn)教材實(shí)驗(yàn)、解決教學(xué)疑難、探討異?，F(xiàn)象三個(gè)方面進(jìn)行基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新實(shí)踐研究。下面是具體的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)范例。

一、改進(jìn)教材實(shí)驗(yàn)

利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)教材中的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)探究實(shí)驗(yàn)的智能化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程直觀化、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)化、數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化，可以讓學(xué)生獲得更加準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，凸顯實(shí)驗(yàn)原理；還可以將相關(guān)數(shù)據(jù)以圖像的形式呈現(xiàn)，直觀反映兩個(gè)或多個(gè)物理量之間的關(guān)系，方便學(xué)生獲得更加豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，調(diào)動(dòng)他們多種感官參與實(shí)驗(yàn)探究，促進(jìn)他們多方位素養(yǎng)的培育和發(fā)展。

（一）演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

人教版高中化學(xué)選擇性必修1第三章第一節(jié)通過(guò)比較等體積、等濃度鹽酸和醋酸的pH、導(dǎo)電能力以及與等量鎂條的反應(yīng)情況，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)鹽酸和醋酸的電離程度不同，進(jìn)而引出強(qiáng)弱電解質(zhì)的概念［2］。然而，教材上并未給出具體的操作步驟，因此給了教師和學(xué)生更大的探索空間。我們可以用pH傳感器測(cè)定溶液的pH，用電導(dǎo)率儀測(cè)定溶液的導(dǎo)電能力，用氫氣傳感器測(cè)定等濃度鹽酸和醋酸與鎂條反應(yīng)產(chǎn)生H2的快慢情況，并用CO2氣體傳感器測(cè)定鹽酸和醋酸與碳酸氫鈉溶液反應(yīng)的快慢來(lái)進(jìn)一步比較鹽酸與醋酸的酸性強(qiáng)弱。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，測(cè)定結(jié)果如表1所示。

（二）探究活動(dòng)改進(jìn)

人教版高中化學(xué)必修二第六章中的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)利用Na2S2O3 + H2SO4＝Na2SO4 + SO2↑+ S↓+ H2O反應(yīng)探究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通過(guò)比較出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象所需時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)判斷反應(yīng)進(jìn)行的快慢［3］。為得到更準(zhǔn)確和直觀的結(jié)論，我們嘗試?yán)脭?shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)：（1）為了避免肉眼觀察帶來(lái)的主觀性，我們通過(guò)測(cè)定不同條件下體系濁度隨時(shí)間變化的情況來(lái)判斷反應(yīng)速率的大??；（2）反應(yīng)生成SO2，而實(shí)驗(yàn)中卻觀察不到有明顯的氣泡生成，我們嘗試使用更精密的SO2傳感器來(lái)測(cè)定體系中SO2的含量隨時(shí)間變化的情況，進(jìn)而判斷不同條件下反應(yīng)速率的大小。為了更易于檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)在一定溫度的水浴中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

二、解決教學(xué)疑難

教學(xué)疑難是化學(xué)教學(xué)中難以準(zhǔn)確把握內(nèi)涵、外延不清晰、易于混淆的知識(shí)，該部分內(nèi)容抽象、深?yuàn)W，不易被學(xué)生理解，或是由于學(xué)生思維水平的限制而不能準(zhǔn)確掌握。高中化學(xué)教材中有不少疑難問(wèn)題的簡(jiǎn)單化處理，但大多是通過(guò)簡(jiǎn)單的定性實(shí)驗(yàn)或文字?jǐn)⑹鰜?lái)幫助學(xué)生突破難點(diǎn)，不利于學(xué)生思維的深度發(fā)展。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)較為真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)情境，將化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象和結(jié)論以數(shù)形結(jié)合的形式定量呈現(xiàn)，有助于學(xué)生根據(jù)宏觀證據(jù)推出微觀規(guī)律，提升宏觀辨識(shí)與微觀探析核心素養(yǎng)。

（一）鋼鐵腐蝕實(shí)驗(yàn)探究

人教版高中化學(xué)選擇性必修一第四章第三節(jié)采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通過(guò)觀察導(dǎo)管中水柱的變化驗(yàn)證鐵的吸氧腐蝕，但實(shí)際操作中因氣密性等原因?qū)е聦?shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，且根據(jù)壓強(qiáng)的變化推斷腐蝕的類型有一定的間接性。為直接檢測(cè)吸氧腐蝕中氧氣是否參與反應(yīng)、析氫腐蝕中是否有氫氣產(chǎn)生，我們采用傳感器來(lái)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)：向兩個(gè)錐形瓶中加入鐵粉和碳粉，其中一個(gè)錐形瓶加入飽和氯化鈉溶液，采用O2傳感器測(cè)定O2的含量；另一個(gè)錐形瓶加入稀鹽酸，采用H2傳感器測(cè)定H2的含量。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖4所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。體系中氧氣的百分含量在不斷下降，說(shuō)明氧氣參與了鐵的腐蝕，即吸氧腐蝕；氫氣的含量不斷升高，說(shuō)明有氫氣產(chǎn)生，即析氫腐蝕。

（二）分子間作用力感知實(shí)驗(yàn)探究

人教版高中化學(xué)選擇性必修2第二章第三節(jié)關(guān)于“影響物質(zhì)熔沸點(diǎn)因素”的探究［4］，主要從分子間作用力和氫鍵兩方面入手，但是由于概念比較抽象，難以被直接感知，且在傳統(tǒng)教學(xué)中教師難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)啟發(fā)學(xué)生思考，學(xué)生對(duì)該概念的理解主要停留在定性規(guī)律的機(jī)械記憶上。為了讓學(xué)生能夠直觀地感受分子間作用力和氫鍵對(duì)物質(zhì)熔沸點(diǎn)的影響，我們采用溫度傳感器測(cè)量醇類（甲醇、乙醇、正丁醇）在相同條件下蒸發(fā)時(shí)的溫度變化曲線，通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象讓學(xué)生感知分子間作用力的存在。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，具體操作為：將吸水紙包裹在溫度傳感器的感應(yīng)處，分別滴加適量的甲醇、乙醇和正丁醇，測(cè)量三者揮發(fā)過(guò)程中的溫度變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。分析可知，在其他條件相同的情況下，蒸發(fā)時(shí)溫度下降越明顯，則該液體越易揮發(fā)，液體分子間的作用力越小。由此可得分子間作用力：正丁醇>乙醇>甲醇。

三、探討異?，F(xiàn)象

在普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，常常會(huì)出現(xiàn)一些異?，F(xiàn)象，這些現(xiàn)象有時(shí)會(huì)以探究題目的形式出現(xiàn)在各類習(xí)題或者考題中。教師可組織學(xué)生將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，鼓勵(lì)學(xué)生敢于質(zhì)疑，大膽求證，并指導(dǎo)學(xué)生對(duì)異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析，利用所學(xué)化學(xué)原理做出解釋。這有利于學(xué)生跳出固化的思維模式，更好地解答高考中出現(xiàn)的比較靈活的實(shí)驗(yàn)題，并逐漸養(yǎng)成崇尚科學(xué)真理、不迷信書本和權(quán)威的科學(xué)態(tài)度。

（一）NaHCO3和Na2CO3與CaCl2反應(yīng)比較探究

鑒別NaHCO3和Na2CO3的一種常用方法是：分別向兩溶液中滴加CaCl2或BaCl2溶液，若產(chǎn)生白色沉淀則為Na2CO3，若無(wú)白色沉淀產(chǎn)生則為NaHCO3。然而在課堂實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)，向NaHCO3溶液中滴加CaCl2溶液也能觀察到產(chǎn)生白色沉淀的現(xiàn)象。因此，我們將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，分別用CO2氣體傳感器和濁度計(jì)檢測(cè)不同濃度NaHCO3和Na2CO3與CaCl2溶液反應(yīng)的情況。實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

總結(jié)規(guī)律 1. NaHCO3溶液濃度較大時(shí)（如1 mol/L和0.5 mol/L）能明顯看到CO2氣體的產(chǎn)生；2. 采用數(shù)字傳感器檢驗(yàn)是否有CO2生成，可以鑒別0.02 mol/L及以上的兩種溶液；3. 利用濁度計(jì)測(cè)量體系的濁度，可以鑒別更低濃度（0.01 mol/L）的兩種溶液。 ]

（二）醋酸溶液稀釋過(guò)程中導(dǎo)電性變化探究

向弱電解質(zhì)溶液中加水稀釋會(huì)促進(jìn)電離平衡正向移動(dòng)，同時(shí)由于溶液被稀釋，導(dǎo)電能力會(huì)下降；但是也有反?，F(xiàn)象，例如向冰醋酸中加水稀釋的過(guò)程中，溶液的導(dǎo)電能力呈先升高后降低的趨勢(shì)，很多題目圍繞這一趨勢(shì)對(duì)學(xué)生進(jìn)行考查。有學(xué)生質(zhì)疑：“事實(shí)真是這樣嗎？”為了讓學(xué)生體驗(yàn)這一反?，F(xiàn)象的真實(shí)性，我們用電導(dǎo)率儀測(cè)定向V（冰醋酸） [∶] V（水）=1 [∶] 2的混合液中逐滴滴加水進(jìn)行稀釋的過(guò)程中電導(dǎo)率的變化情況。實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生分析醋酸的電離平衡：CH3COOH + H2O ? CH3COO- + H3O+，最初由于加入的水量少，可以看成水的醋酸溶液，隨著加入水量的增大，水的濃度增大，平衡正移，自由移動(dòng)離子濃度增加，所以導(dǎo)電性能先增大；繼續(xù)加入水，醋酸電離程度增大，但自由移動(dòng)的離子濃度在減小，所以導(dǎo)電性能隨著水的加入而減小。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)探究和理論分析，幫助學(xué)生更進(jìn)一步理解離子濃度的變化規(guī)律。

四、小結(jié)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用，可減少高中化學(xué)教學(xué)中存在的規(guī)律總結(jié)文科化、基礎(chǔ)概念臉譜化、相對(duì)問(wèn)題絕對(duì)化、實(shí)驗(yàn)探究程式化、復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化、化學(xué)概念學(xué)科化等問(wèn)題，能促使教師進(jìn)一步深化教學(xué)理解，優(yōu)化教學(xué)行為。

從課堂教學(xué)來(lái)看，將信息技術(shù)融入化學(xué)課堂教學(xué)，教學(xué)方法和模式具有一定創(chuàng)新性，能克服傳統(tǒng)課堂實(shí)驗(yàn)以講代做、重宏觀輕微觀、強(qiáng)定性弱定量、以給出結(jié)論代替探究過(guò)程的弊端，同時(shí)將化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)生核心素養(yǎng)提升緊密結(jié)合，重視素養(yǎng)培育的過(guò)程性和方法性，促進(jìn)素養(yǎng)目標(biāo)落地生根。

從學(xué)生角度來(lái)看，以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為技術(shù)手段，將抽象轉(zhuǎn)化為具體，有利于降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的數(shù)字、曲線圖像的同步表征能力，可為學(xué)生學(xué)習(xí)提供更為直觀的證據(jù)來(lái)源，進(jìn)而能有效幫助學(xué)生理解和掌握化學(xué)知識(shí)，建構(gòu)化學(xué)概念，理解反應(yīng)原理，發(fā)展學(xué)科思維，提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

從教師角度來(lái)看，有助于提升教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合力、創(chuàng)新力，增進(jìn)教師對(duì)學(xué)科專業(yè)的理解，增強(qiáng)教師利用實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ陌l(fā)展，促進(jìn)教師的專業(yè)成長(zhǎng)。

然而，目前傳統(tǒng)課堂中數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用實(shí)例還較少，基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)路徑仍需要不斷修正和完善，因此更需要我們積極投入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)、研究和各項(xiàng)培訓(xùn)中，提升個(gè)人教育教學(xué)理論與實(shí)踐水平。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 中華人民共和國(guó)教育部.普通高考化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］? 人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中教科書 化學(xué) 選擇性必修1［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］? 人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中教科書 化學(xué) 必修第二冊(cè)［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［4］? 人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中教科書 化學(xué) 選擇性必修2［M］.北京：人民教育出版社，2020.

（責(zé)任編輯 羅 艷）