數(shù)字化實驗在高中化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)中的實踐研究

（貴州省雷山民族中學(xué)貴州 551700）

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.21.050

Practical Research on Digital Experiment in Teaching Chemical Reaction Principles in High School

Taking the determination of neutralization reaction heat as an example

YANG Jianming

（LeishanEthnic Middle School， Qiandongnan， Guizhou

AbstractWith theadvancementofeducational informatization，highschoolchemistryexperimental teaching faces the need for innovation.This paper focuses on theapplication ofdigital experiments inthe teaching of highschoolchemistry reaction principles，conducting a practical study exemplified bythe determination of neutralization reaction heat.It expounds on the advantages of digital technology in experimental teaching，such as real-time monitoring，visual representation，andhighprecision.Thepaperalsodetailsdigitalpracticestrategies，includingtheadaptationofexperimental instruments and reagents， pre-experiment preparations， operation specifications，data processing，and teaching interactions.The study shows that digital experiments effectively enhance the efectiveness of experimental teaching， assist students inunderstandingabstractchemicalconcepts，andcultivate theirscientific inquiryandanalyticalabilities， providing new paths and methods for the reform of high school chemistry experimental teaching.

Keywordsdigital experiments; high school chemistry; reaction principles; neutralization reaction heat

高中化學(xué)作為一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，化學(xué)反應(yīng)原理部分的教學(xué)對于學(xué)生構(gòu)建化學(xué)知識體系、理解化學(xué)本質(zhì)具有關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)實驗教學(xué)在反應(yīng)過程監(jiān)測、抽象概念呈現(xiàn)及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性方面存在局限，難以滿足學(xué)生對知識深入探究的需求。數(shù)字化技術(shù)的興起為高中化學(xué)實驗教學(xué)帶來新契機(jī)，其在實驗數(shù)據(jù)采集、處理與呈現(xiàn)方式上的變革，有望突破傳統(tǒng)教學(xué)瓶頸，提升化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)的質(zhì)量。

1數(shù)字化技術(shù)對高中化學(xué)實驗教學(xué)的賦能

1.1實時性：動態(tài)追蹤實驗進(jìn)程

在傳統(tǒng)實驗中，學(xué)生往往難以精準(zhǔn)捕捉反應(yīng)過程中的細(xì)微變化，而數(shù)字化實驗設(shè)備能夠?qū)崟r記錄實驗數(shù)據(jù)。例如，在酸堿中和滴定實驗里，傳感器可實時采集溶液的pH值，數(shù)據(jù)同步傳輸至電腦并繪制成曲線。學(xué)生通過觀察曲線的實時變化，能清晰看到滴定過程中pH值的突變點，準(zhǔn)確判斷滴定終點，而不再依賴傳統(tǒng)指示劑顏色變化的模糊判斷。這種實時性使得學(xué)生能全程動態(tài)追蹤實驗進(jìn)程，及時發(fā)現(xiàn)實驗中的異常情況，如反應(yīng)速率的突然變化等，從而深入探究背后的化學(xué)原理，培養(yǎng)敏銳的觀察力與問題分析能力]。

1.2可視化：具象呈現(xiàn)抽象概念

高中化學(xué)涉及諸多抽象概念，傳統(tǒng)實驗難以將其直觀展現(xiàn)。數(shù)字化技術(shù)通過可視化手段，將微觀世界與復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)理直觀呈現(xiàn)給學(xué)生。以化學(xué)平衡移動實驗為例，借助數(shù)字化模擬軟件，學(xué)生能看到不同條件下反應(yīng)物和生成物分子的動態(tài)變化。溫度升高時，分子運動加劇，反應(yīng)向吸熱方向進(jìn)行的過程以動畫形式清晰呈現(xiàn)；壓強(qiáng)改變時，氣體分子間距離變化以及平衡移動的方向一目了然[。在電解池實驗中，利用數(shù)字化設(shè)備可將電極表面發(fā)生的氧化還原反應(yīng)以可視化圖像展示，學(xué)生能直觀看到電子的轉(zhuǎn)移方向和離子的定向移動，將抽象的電極反應(yīng)具象化。這種可視化極大地降低學(xué)生理解抽象化學(xué)概念的難度，幫助學(xué)生構(gòu)建起宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)之間的聯(lián)系，促進(jìn)化學(xué)思維的發(fā)展。

1.3精準(zhǔn)性：提升實驗數(shù)據(jù)質(zhì)量

精準(zhǔn)的實驗數(shù)據(jù)是化學(xué)實驗的關(guān)鍵。傳統(tǒng)實驗方法在數(shù)據(jù)測量和記錄過程中易受人為因素影響，導(dǎo)致誤差較大。數(shù)字化技術(shù)憑借高精度的傳感器和先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，顯著提升實驗的精準(zhǔn)性。在中和熱測定實驗中，傳統(tǒng)溫度計測量溫度存在讀數(shù)誤差，且難以精確記錄反應(yīng)過程中的溫度最高點。而數(shù)字化溫度傳感器能以極高的精度實時測量反應(yīng)體系的溫度變化，數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點后多位。同時，數(shù)據(jù)采集器可自動采集并處理數(shù)據(jù)，快速計算出中和熱，避免人工計算可能出現(xiàn)的錯誤。在物質(zhì)的量濃度配制實驗中，數(shù)字化天平能夠精確測量溶質(zhì)質(zhì)量，電子密度計可精準(zhǔn)測量溶液體積，確保實驗結(jié)果高度準(zhǔn)確。這種精準(zhǔn)性為學(xué)生提供可靠的數(shù)據(jù)支持，有助于學(xué)生基于準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析和結(jié)論推導(dǎo)，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

2中和反應(yīng)熱測定的數(shù)字化實驗實踐策略

2.1實驗儀器與試劑的數(shù)字化適配

在中和反應(yīng)熱測定實驗中，儀器的選擇至關(guān)重要。教師應(yīng)精心挑選精度高的數(shù)字化溫度傳感器。這類傳感器需具備極快的響應(yīng)速度，能夠在極短時間內(nèi)感知反應(yīng)體系內(nèi)溫度的細(xì)微變化。比如，當(dāng)酸堿溶液混合瞬間，溫度急劇升高或降低，高精度溫度傳感器可迅速捕捉到，為后續(xù)準(zhǔn)確測定反應(yīng)熱提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)[3]。

配套的數(shù)據(jù)采集器同樣不容忽視。其必須擁有強(qiáng)大的高速數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)崟r接收并處理溫度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在實驗過程中，數(shù)據(jù)傳輸量大且時間緊迫，數(shù)據(jù)采集器需將傳感器傳來的溫度數(shù)據(jù)及時分類、整理，確保數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性，為后續(xù)的分析工作筑牢根基。

對于試劑，教師應(yīng)借助數(shù)字化分析儀器嚴(yán)格把控酸堿溶液的濃度。常見的酸堿溶液，如鹽酸、氫氧化鈉等，其濃度的精確程度直接影響反應(yīng)熱測定結(jié)果。教師可利用數(shù)字化的滴定儀，依據(jù)化學(xué)反應(yīng)的計量關(guān)系，精確量取溶質(zhì)并配制溶液，保證每一次實驗酸堿溶液濃度的精準(zhǔn)性，為后續(xù)準(zhǔn)確測定反應(yīng)熱奠定堅實基礎(chǔ)，確保實驗結(jié)果的可靠性與可重復(fù)性。

2.2實驗前的數(shù)字化準(zhǔn)備工作

在中和反應(yīng)熱測定實驗開展前，教師應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生運用數(shù)字化模擬軟件開啟預(yù)實驗環(huán)節(jié)。學(xué)生在操作模擬軟件過程中，能夠以虛擬形式完整再現(xiàn)實驗流程。從實驗儀器的搭建，如量熱器的組裝，到酸堿溶液的量取與配制，每一步操作都能在軟件中模擬進(jìn)行。在此過程中，軟件會依據(jù)預(yù)設(shè)程序，模擬出不同操作可能引發(fā)的結(jié)果，幫助學(xué)生了解各步驟中潛在的問題，如溶液混合不充分導(dǎo)致反應(yīng)不完全，或是儀器密封不佳造成熱量散失等情況，并提示相應(yīng)的解決方法。

同時，學(xué)生可充分利用軟件的參數(shù)設(shè)置功能，對實驗條件進(jìn)行精細(xì)預(yù)設(shè)。對于酸堿溶液，可調(diào)整體積數(shù)值，探索不同體積配比下反應(yīng)熱的變化趨勢；還能精準(zhǔn)設(shè)定溶液濃度，依據(jù)化學(xué)計量關(guān)系，模擬不同濃度組合對反應(yīng)熱測定結(jié)果的影響，為實際實驗操作參數(shù)的確定提供重要參考[4。

此外，教師要充分借助數(shù)字化平臺，向?qū)W生推送豐富且實用的實驗相關(guān)資料。這些資料涵蓋實驗原理的深度剖析，從化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)層面解釋中和反應(yīng)熱產(chǎn)生的原因；還有詳細(xì)的儀器操作說明，包括數(shù)字化溫度傳感器的校準(zhǔn)步驟、數(shù)據(jù)采集器的操作流程等內(nèi)容，讓學(xué)生在實際操作前，在腦海中構(gòu)建起清晰的操作框架，提前做好知識儲備，為順利開展實驗筑牢根基。

2.3實驗操作中的數(shù)字化規(guī)范

實驗開始前，學(xué)生需仔細(xì)檢查溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集器的連接情況。將溫度傳感器插頭平穩(wěn)插入數(shù)據(jù)采集器對應(yīng)接口，確保二者連接穩(wěn)固。隨后，借助數(shù)據(jù)采集器的自檢功能，檢查設(shè)備是否正常運行。若設(shè)備提示異常，學(xué)生可以依據(jù)手冊排查問題，如查看傳感器是否損壞、接口是否松動等，保障實驗設(shè)備處于良好工作狀態(tài)。

正式實驗時，學(xué)生用量筒精準(zhǔn)量取一定體積的酸溶液與堿溶液。準(zhǔn)備就緒后，迅速將二者倒入已裝配好溫度傳感器的量熱器中，動作要快且穩(wěn)，盡量減少熱量在混合過程中的散失。與此同時，學(xué)生需立即按下數(shù)據(jù)采集器的啟動按鈕，使設(shè)備即刻開始實時記錄溫度數(shù)據(jù)。此時，溫度傳感器將反應(yīng)體系內(nèi)的溫度變化轉(zhuǎn)化為電信號，傳輸至數(shù)據(jù)采集器，后者以秒為單位，快速記錄并生成溫度數(shù)據(jù)。

在整個反應(yīng)過程中，學(xué)生要時刻密切留意數(shù)字化設(shè)備屏幕上顯示的溫度變化曲線。學(xué)生需依據(jù)手冊中的規(guī)范曲線特征，判斷實驗操作是否得當(dāng)。若發(fā)現(xiàn)曲線走勢異常，如溫度上升過緩或出現(xiàn)波動，應(yīng)立即檢查操作環(huán)節(jié)，看是否存在溶液混合不均勻、量熱器密封不嚴(yán)等問題，及時調(diào)整操作，避免操作不當(dāng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差，確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性。

2.4實驗數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理與分析

中和反應(yīng)熱測定實驗完成后，學(xué)生需著手對采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理與分析。首先，學(xué)生將數(shù)據(jù)采集器中的溫度數(shù)據(jù)，通過專用數(shù)據(jù)線或無線傳輸方式，準(zhǔn)確導(dǎo)入專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)識別與整理功能，能迅速對雜亂的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。

導(dǎo)入數(shù)據(jù)后，軟件依據(jù)內(nèi)置算法，自動生成精準(zhǔn)的\"溫度一時間”曲線。學(xué)生仔細(xì)觀察曲線走勢，曲線起始段為酸堿溶液初始溫度對應(yīng)的平穩(wěn)線段，隨著反應(yīng)開始，溫度逐漸上升，形成上升曲線。在曲線上升過程中，學(xué)生需精準(zhǔn)確定反應(yīng)的最高溫度點。這一最高溫度點對于后續(xù)計算中和反應(yīng)熱至關(guān)重要，學(xué)生可借助軟件的放大、標(biāo)注功能，確保定位準(zhǔn)確無誤。

確定最高溫度后，學(xué)生依據(jù)化學(xué)反應(yīng)熱計算公式，如Q mc△T（Q為反應(yīng)熱， m 為反應(yīng)體系質(zhì)量，c為比熱容，△T為溫度變化），結(jié)合軟件自帶的計算功能，輸入相應(yīng)參數(shù)，快速得出中和反應(yīng)熱數(shù)值。軟件計算高效且精準(zhǔn)，極大減少人工計算可能出現(xiàn)的失誤。

同時，該數(shù)據(jù)處理軟件還具備完善的誤差分析功能。軟件能依據(jù)預(yù)設(shè)的理論值與實驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，自動生成誤差報告。學(xué)生依據(jù)報告內(nèi)容，仔細(xì)回顧實驗操作過程，查找對應(yīng)問題。例如，若誤差分析顯示可能存在熱量散失，學(xué)生可檢查實驗過程中量熱器的密封情況、攪拌時間是否過長等，從而為優(yōu)化后續(xù)實驗提供有力依據(jù)，不斷提升實驗的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。

2.5實驗教學(xué)中的數(shù)字化互動策略

教師應(yīng)充分借助功能多樣的數(shù)字化教學(xué)平臺，有效開展中和反應(yīng)熱測定實驗的教學(xué)活動。

實驗前，教師利用平臺發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生通過平臺查閱實驗相關(guān)資料，了解實驗?zāi)康?、原理與大致流程。

學(xué)生可在平臺上留言提問，教師及時答疑解惑，提前掃清學(xué)生知識障礙，讓學(xué)生帶著充分的知識準(zhǔn)備進(jìn)入實驗環(huán)節(jié)。

在實驗過程中，教師通過平臺實時查看各小組學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)。平臺能將學(xué)生數(shù)據(jù)采集器中的數(shù)據(jù)同步展示，教師一旦發(fā)現(xiàn)某小組數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，比如溫度變化趨勢不符合理論預(yù)期，可迅速通過平臺的即時通信功能，與該小組學(xué)生取得聯(lián)系。教師在線上詳細(xì)詢問學(xué)生操作步驟，指導(dǎo)學(xué)生排查問題，如檢查溫度傳感器是否正確放置、溶液混合是否充分等，確保學(xué)生實驗順利推進(jìn)。

實驗結(jié)束后，教師組織學(xué)生在平臺上開展小組討論。各小組將實驗結(jié)果與心得整理成文檔或簡短報告上傳至平臺討論區(qū)。教師此時利用平臺展示優(yōu)秀實驗案例，從數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、實驗操作規(guī)范性、誤差分析合理性等多方面進(jìn)行講解。引導(dǎo)學(xué)生將自己小組的實驗與優(yōu)秀案例對比，分析差距所在。例如，對比“溫度一時間”曲線的走勢，探討為何有的小組曲線更平滑、數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)。通過這樣的對比分析，深化學(xué)生對中和反應(yīng)熱測定實驗的理解，讓學(xué)生從不同角度認(rèn)識實驗的關(guān)鍵要點與易錯環(huán)節(jié)，提升學(xué)生的實驗探究與分析能力。

3結(jié)語

本研究以中和反應(yīng)熱測定為例，通過對數(shù)字化實驗在高中化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)中的實踐探索，明確數(shù)字化技術(shù)在提升實驗教學(xué)效能方面的顯著優(yōu)勢。從實驗儀器與試劑的數(shù)字化適配，到實驗各環(huán)節(jié)的數(shù)字化規(guī)范操作與互動，構(gòu)建一套較為完整的數(shù)字化實驗教學(xué)策略。學(xué)生在這一過程中，不僅對中和反應(yīng)熱等抽象概念有更深入的理解，實驗探究與問題分析能力也得到鍛煉。然而，數(shù)字化實驗在推廣應(yīng)用中仍面臨技術(shù)成本、教師培訓(xùn)等挑戰(zhàn)。未來研究可進(jìn)一步拓展數(shù)字化實驗在更多化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)中的應(yīng)用，優(yōu)化教學(xué)策略，提升教師信息化教學(xué)能力，以推動高中化學(xué)實驗教學(xué)的持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展。

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