数字化实验在中学化学教学中的运用

    朱成东

    

    

    

    摘要：随着信息技术的发展，数字化实验也已经在学校的教学中逐渐推广开。本文从更新化学知识、微粒变化可视化、革新实验方式、提升认知方式、创新教学模式和拓展学习方式等六个维度阐述数字化实验在中学化学课堂教学中的应用，进而使化学学科核心素养落地。

    关键词：数字化实验 化学教学 核心素养

    数字化实验是由数据采集器、传感器、计算机及相应的软件组成的实验系统，该系统可以准确地测量化学实验过程中的实验数据，并通过计算机呈现实时可视化的曲线，表征出实验中微粒的变化过程。将数字化实验应用在中学化学教学中，既能体现现代化科学技术与化学课堂教学的融合，又能促进学生深度学习，更好地发展学生宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认识、实验探究与创新意识、科学精神与社会责任等化学学科核心素养。

    一、更新化学知识

    化学知识的形成主要是建立在实验的基础上，由于中学实验技术的发展相对滞后和实验结果受外界因素的干扰较多，也有的实验本身较复杂，导致教学中的少部分知识出现似是而非，甚至错误。随着现代传感技术运用到实验中，许多化学教师开始重新运用数字化实验对中学中的实验再实验，以研究教材和教学中似是而非的模糊问题，纠正部分长期以来的错误认识。如二氧化碳中混有氯化氢的，一般用饱和碳酸氢钠溶液，原因是二氧化碳在饱和碳酸氢钠溶液中溶解度比在水中小，但向两个充满二氧化碳气体的圆底烧瓶中分别同时加入等体积的水与饱和碳酸氢钠溶液，用压力传感器测其压力的变化，压力变化曲线如图1所示。实验结果表示二氧化碳在相同体积的饱和碳酸氢钠溶液与水中，饱和碳酸氢钠溶液中溶解的要多，可以推出，用蒸馏水除去二氧化碳中的氯化氢要比饱和碳酸氢钠溶液要好。

    二、微粒变化可视化

    在中学化学的学习中，涉及微观粒子变化平衡的概念和原理时，学生易产生认知障碍，感觉到学习困难，对后续化学的学习影响较大。利用数字化实验，让微观粒子的变化可视化，可让学生感受到现代科学技术的发展对化学学科的发展产生重大影响，也可以促进学生对化学知识的深度理解，形成化学观念。如沉淀溶解平衡的教学中，可以先做CaCO3溶于水测导电率的实验。先测100 mL蒸馏水的导电率，然后加入1 g CaCO3，当导电率不变时（c点），继续加10 mL蒸馏水，观察导电率的变化，在e点继续加10 mL水，观察导电率的变化（如图2）。

    溶液中的离子变化，通过导电率的曲线表征出来，让学生清晰地观察到溶液中离子的变化过程。再根据实验图像引导学生分析，CaCO3溶于水测溶液的导电率，溶液的导电率增大说明什么？一段时间后，导电率为什么保持不变？其保持不变说明什么？在c点加入10 mL蒸馏水，导电率为什么突然减小？然后为什么又增大？其增大说明了什么？一段时间后，其又为什么保持不变？导电率保持不变，CaCO3的溶解停止了吗？通过问题深度的逐层递进，学生慢慢认识难溶电解质的溶解平衡。

    三、革新实验方式

    化学是一门以实验为基础的自然科学。随着科学技术的不断进步和发展，传统的化学实验已经不能满足现代化实验教学的需求，数字化实验弥补了传统实验的不足，与传统实验形成互补，呈现了更加准确、更加清晰的实验数据、曲线图像，而数字化实验自带软件的强大功能更是使数据处理更加便捷，数据的“回放”更是轻松地使实验“再现”，使学生更易观察实验中变化的细节，引發对实验变化的深度思考，更有利于学科素养的落地。利用这类传感器，为化学实验的创新提供了有力的技术支持。如酸碱中和滴定实验，该实验中学生对接近滴定终点时的一滴或半滴的操作很难控制，且对酚酞作指示剂，强酸滴定强碱恰好反应的时，理论上pH为7，但实际滴定的终点的pH不等于7，二者的误差难以控制。利用滴数传感器、pH传感器等完成酸碱中和滴定的数字实验，完美呈现出滴定过程中的pH变化曲线图（如图3），利用数据回放功能，当接近终点时，放慢速度，让学生更直观地感受接近滴定终点时，一滴溶液（或半滴），可以使pH变化很大，也可以利用求导功能，直接找出滴定终点。

    图3 NaOH溶液滴定盐酸过程中pH的变化曲线图

    四、提升认知方式

    随着现代科学技术不断发展，数字化实验在课堂教学中的运用，对化学的认知方式由三重表征（宏观表征、微观表征、符号表征）提升到四重表征（宏观表征、微观表征、符号表征、曲线表征）。宏观表征主要是通过感官直接感知物质的形态、颜色及化学变化时呈现的宏观现象;微观表征主要是指微观粒子（如分子、离子、电子等）构成物质、微粒的运动及其变化过程中微观信息的表征;符号表征主要是指用化学符号（如化学式、电子式、结构式、化学反应方程式等）对物质的组成、结构、性质及其变化过程等信息进行表征;曲线表征主要是指某因变量随自变量的变化而变化，在由“x轴”“y轴”构成的平面内呈现的曲线变化的图像表征。“四重表征”的认知方式从更多的角度引导学生从本质上理解化学变化，促进其对化学概念、化学原理的学习。特别是曲线表征，学生可以通过曲线的信息深度思考其变化原因，进而探究变化本质，发展核心素养。如：在构建弱电解质的电离平衡的概念时，用数字化实验测0.1 mol/L盐酸与0.1 mol/L醋酸中溶质的浓度稀释到原浓度的1/10时pH的变化（如图4），数字化实验表征出pH值的变化，而传统的实验仅测出某一时间点的pH值，从pH值变化的表征，让学生思考溶质微粒的变化过程，很容易获得强弱电解质的区别及弱电解的电解平衡。

    五、创新教学模式

    新课程标准提倡的基于真实问题情境的科学探究，目的是让学生乐于参与、主动探索，在探究中发现问题、交流合作、解决问题，进而发展学生科学探究与创新意识、证据推理与模型认识的学科素养。数字化实验能够从多个角度呈现化学反应的信息，帮助学生从不同的角度分析和理解，而且各个信息之间相互印证，成为突破教学疑难点的利器。数字化实验有利于拓展实验研究面，有利于让化学实验走出实验室，有利于学生的自主探究，让学生成为实验教学的主体。在数字实验的支撑下，科学探究POE教学策略[“预测（Predict）—观察（Observe）—解释（Explain）策略”]及“6S”[激趣（Stimulate）、引导（Steer）、猜想（Suppose）、演示（Show）、探究（Seek）、总结（Summarize）]化学实验探究教学模式都逐步走进课堂，丰富创新了课堂教学模式。

    六、学习方式的创新

    数字化实验作为近几年新发展的实验手段，丰富了化学实验的方式，结合了化学学科和学生认识特点，激发了学生的探究欲望。数字化实验在学生的实际学习中，可用于学生的研究性学习、化学课外兴趣小组的学习、化学选修课的学习、项目式学习等多种形式的学习活动，拓展了学生的探索范围和学习空间，同时将实验对象也从学校拓展到科学—技术—社会—环境（STSE）的范畴，让化学的学习更贴近社会和生活，有利于学生学科核心素养的提升。

    参考文献：

    [1]钱扬义.手持技术在化学学习中的应用与建模研究[M].北京：科学出版社，2009.

    [2]钱扬义.手持技术在理科实验中的应用研究[M].北京：高等教育出版社，2003.

    [3]徐志宏.浅谈数字传感器技术在化学实验教学中的应用[J].化学教学，2013（9）：50.

    [4]邓峰，钱扬义，刘丽明，等.基于手持技术的“6S”化学实验探究教学模式[J].中国电化教育，2007（11）：7579.