以實驗為載體的微觀思維可視化的探究

一、問題提出

化學是一門研究物質(zhì)的組成、結構和性質(zhì)，以實驗為載體的基礎自然科學。實驗教學在化學教學中起著舉足輕重的作用，它能夠很好地激發(fā)學生的求知欲，促進學生掌握知識、運用知識，培養(yǎng)學生嚴謹求實的科學態(tài)度，增強“宏觀辨識與微觀探析”的學科素養(yǎng)。但是，傳統(tǒng)的化學實驗教學由于時間關系和實驗條件的落后，往往只能先給出已有的定理、結論，然后安排實驗去驗證。

新課標提倡全面發(fā)揮學生的主動性，使學生深入地學習化學實驗的有關理論、方法和技能，進一步提高學生的實驗素養(yǎng)。手持技術，又稱數(shù)字化實驗（DIS），是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和配套軟件組成的定量采集數(shù)據(jù)并能與計算機連接的實驗技術系統(tǒng)。將手持技術引入課堂，將知識的發(fā)現(xiàn)過程真實地展現(xiàn)在學生面前，還原科學實驗的本來面目，使學生微觀思維可視化，并從中體會到“做科學”的樂趣，有利于提高學生獨立思考、發(fā)現(xiàn)問題的能力。

二、探究過程

（一）前期準備

學校于2020年配備了高中化學標準數(shù)字化實驗室，為高中化學數(shù)字化實驗教學的系統(tǒng)探索提供了技術平臺保障，為探索數(shù)字化實驗在高中化學教學領域的應用前景和建立高中化學數(shù)字化實驗教學體系提供了可能。通過觀察、訪談、問卷調(diào)查等方法，了解教師和學生對數(shù)字化實驗的看法、設想與需求，對目前師生的總體信息化水平及數(shù)字技術使用的能力做出大致的評估，了解在數(shù)字化實驗和信息技術使用中存在的普遍性問題。運用文獻研究法，收集與“結構教學法”相關的理論資料和當前的探究現(xiàn)狀，制定出基于手持技術在高中化學實驗教學中的應用的探究內(nèi)容和探究策略。

探究內(nèi)容

探究策略運用案例探究法，教師根據(jù)課程目標、學情，利用數(shù)字化實驗設計探究課并進行分析，寫出高中階段系列化的實驗教學案例。通過案例探究尋找和積累經(jīng)驗，提出具有典型性的范例。數(shù)字化實驗儀器有許多優(yōu)于傳統(tǒng)儀器的地方，如傳感器，它比傳統(tǒng)測量工具更準確、迅捷、直觀；再如溫度傳感器，它可將測得的溫度數(shù)據(jù)直接呈現(xiàn)在電腦的表格里，還可以同步顯示坐標曲線。

（二）案例探究

根據(jù)課程內(nèi)容，將手持技術應用于各種類型的實驗教學（課堂演示實驗、學生分組實驗、邊學邊實驗和課外實驗）中。例如，“影響化學平衡移動因素的探究”，酸、堿、鹽的溶解過程和溶液的pH變化，弱電解質(zhì)的稀釋過程與電離程度和離子濃度的大小變化等。因為借助了手持技術強大的函數(shù)圖象處理功能，所以實驗數(shù)據(jù)與結果的輸出多數(shù)以函數(shù)圖象或數(shù)字表格的形式輸出，學生可以清晰、直觀地看到實驗結果，從而將教學重難點各個擊破，使那些晦澀難懂的概念和原理變得容易，實驗的準確、實時可以快速地突破教學中的重點和難點。

★案例一：“化學反應速率與化學平衡”中壓強對平衡移動的影響

1.設計背景

選擇人教版（2019）第二章“化學反應速率與化學平衡”第二節(jié)“化學平衡”。對“在其他條件不變的情況下增加壓強，平衡向氣體體積縮小的方向移動，降低壓強，平衡向氣體體積變大的方向移動”這一結論的理解存在困難。解決的方法可以有多種，但我們是以反應“2NO2（紅棕色）？葑N2O4（無色）”為例建立“宏微結合”的架構模型，通過增減壓強，觀察容器中混合氣體顏色的變化來建立起平衡向生成氣體較小或較多方向移動的微觀感知。

2.設計思路

利用色度傳感器分別測量不同壓強下反應顏色變化，使透光率升高或降低的現(xiàn)象，反映壓強對平衡移動的影響。

【儀器與藥品】

計算機（PC），蘇威爾牌（Swr）數(shù)據(jù)采集器以及色度傳感器，二氧化碳氣體。

3.實驗步驟

★案例二：用微電流傳感器探究冰醋酸稀釋過程中的電離情況

1.設計背景

純凈的冰醋酸不電離，隨著加水稀釋，電離程度增大，當稀釋達到一定程度時，再加水稀釋，雖電離程度增大，但導電能力卻呈減弱趨勢，直至導電能力降到某一數(shù)值而不再發(fā)生明顯的變化。對于諸如醋酸這樣的弱電解質(zhì)電離，理論表述其電離過程溶液中離子濃度的變化，一直缺少實驗數(shù)據(jù)的支撐。

2.設計思路

利用微電流傳感器，可以探究冰醋酸稀釋過程中弱電解質(zhì)的電離情況和變化規(guī)律。

【儀器與藥品】

計算機（PC），蘇威爾牌（Swr）數(shù)據(jù)采集器以及電導率傳感器，磁力加熱攪拌器，石墨碳棒，導線、滴數(shù)計、水槽等，冰醋酸、蒸餾水。

3.實驗步驟

（1）將兩支石墨碳棒固定后平行插入盛有20 mL冰醋酸的大燒杯中，插入兩支石墨碳棒，將電極與電導率傳感器相連（注意微電流傳感器的正負極），在燒杯中再插入分液漏斗（下端伸入燒杯中下部）或滴數(shù)計，加入攪拌磁子。

（2）開啟磁力加熱攪拌器均勻攪拌，采集室溫下“電導率—時間”數(shù)據(jù)；待“電導率”的示值穩(wěn)定后開始用分液漏斗或滴數(shù)計加水（均勻滴加）稀釋冰醋酸，繼續(xù)采集“電導率—時間”數(shù)據(jù)直至“微電流”的示值不再升高并出現(xiàn)下降為止。

（注意：本實驗對搭建的裝置、實驗數(shù)據(jù)及曲線等要拍照、截屏將數(shù)據(jù)保存。）

實驗數(shù)據(jù)與實驗結果討論：從實驗結果可以看出，冰醋酸開始時電導率為0，因為分子態(tài)的冰醋酸沒有離子；當加水時，冰醋酸逐漸電離，溶液中離子濃度從無到有、從小到大，所以電導率逐漸增大，當達到最大時，再加水稀釋，電離程度仍然增大，但由于水量的增多，溶液中離子的濃度逐漸變小，導致電導率逐漸下降，如果無限稀釋，溶液的導電能力趨近于純水的導電能力，電導率會小到與純水的電導率相近，接近0，而這一過程從以下電導率圖可以得到很好的解釋。

說明：（1）由于時間的關系，加之如果無限稀釋，可能會加太多的水，所以我們選擇加有限量的水；待出現(xiàn)最大值后，再加一定量的水，使其電導率出現(xiàn)下降趨勢，就能說明問題。

（2）在1200秒之前的一段時間內(nèi)，由于更換容器，出現(xiàn)一小段時間無數(shù)據(jù)可以采集，所以出現(xiàn)圖5中有一小段“缺口”，但更換完容器后，繼續(xù)加水，圖示的變化趨勢依然能夠吻合。

三、探究反思

數(shù)字化實驗是教育技術發(fā)展的最新成果，從根本上改變了以前幾十年不變的實驗教學模式，為教學改革的創(chuàng)新提供了舞臺，促進常規(guī)教學的創(chuàng)新、傳統(tǒng)實驗的改進和科學探究的深入，也是時代發(fā)展的需要。但是高中階段數(shù)字化實驗教學的開展還存在不少困難和局限。

1.信息化技術更新速度快，探究成果時效性短

近幾年的數(shù)字化實驗系統(tǒng)的硬件和軟件更新非?？欤呀?jīng)出現(xiàn)無線傳輸數(shù)據(jù)技術和Pad配套的電子教室，且各種傳感器也集成一體，為實驗的操作和課堂的教學手段提供了新的可能，相較而言，我校的數(shù)字化實驗室比較陳舊，目前探究成果可以期待以后繼續(xù)跟進更新。

2.受升學壓力的影響，學習交流和深化的機會少

盡管配備數(shù)字化實驗室的高中學校越來越多，但是真正能把數(shù)字化實驗室用起來的還是很少，大多數(shù)學校依舊停留在用來參觀擺設。在高考的各種壓力下，教師沒有足夠的精力和積極性進行學習和探究，學生也沒有機會進行實踐和探索。

3.缺乏上級部門政策的指導和支持，目前推廣和應用尚未大規(guī)模展開

盡管數(shù)字化的傳感技術走入我們的生活、學習、社會是時代發(fā)展的必然趨勢，但目前來看，數(shù)字化實驗教學能真正走入課堂還需要省、市、區(qū)等各級教育部門的系統(tǒng)支持和指導，把傳感技術的內(nèi)容融入教材，讓學生走在時代的前沿，市、區(qū)教研能進行推廣和宣傳才能更好地發(fā)揮作用。

（作者單位：江蘇省南京市第九中學）

編輯：溫雪蓮

作者簡介：韓麗麗（1982—），女，漢族，江蘇泰州人，研究生，中學高級教師，研究方向：中學化學教學實踐研究。