关于数字实验在化学实验教学中应用的思考_化学实验论文

数字化实验应用于化学实验教学的思考，本文主要内容关键词为：应用于论文,实验教学论文,化学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      化学实验教学在经历了显性化、趣味化、安全化、绿色化、微型化的改造之后，正向数字化（DIS）方向迈进。随着科技的进步，数字化实验在中学化学实验教学中的应用正成为化学实验教学创新的新领域。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》指出：“信息技术对教育的发展具有革命性影响，必须给予高度重视。推进数字化校园建设，引进国际优质数字化教学资源。”

      所谓数字化（DIS）其实是digital information system三个词的缩写，是数字化信息系统的简称。数字化实验平台主要是由传感器、计算机、数据采集器以及配套软件等构成，能够实现化学试验数据的即时处理、编辑，可存储化学实验数据文件，利用数字化实验手段可以创新化学实验设计理念和模式，实现中学化学实验教学的现代化。

      一、创新设计——数字化实验在化学实验教学中的引入

      1.数字化实验在化学实验教学中的引入

      从数字化实验引入化学实验教学开始，“悦纳”和“抗拒”之争就从来没有停止过。在数据已经成为和自然资源、人力资源一样重要的第三战略资源的今天，对化学教师而言，也许更重要的已不再是争执“要不要”引入数字化实验，而是如何更好地“应用”数字化实验来创新我们的实验教学。

      中学化学中的不少实验，如

和

的性质等，出于安全需要通常在通风橱中进行，可燃气体的爆炸问题和有毒气体泄漏的伤害问题也常引起人们对化学实验安全更多的关注。如果把化学实验的发展进程划分为三个时代：第一个时代（实验1.0版本），即传统实验时代，常规玻璃实验器皿占据实验的主角，大剂量、大仪器、繁杂装置扮演重要角色；第二个时代（实验2.0版本），即微型化、替代化实验时代，这一时期凡是能“看得见”的实验现象均被充分挖掘出来；第三个时代（实验3.0版本），即数字化实验时代，它是一个“眼见为实”的时代，能将化学反应以及化学现象的本质等逐步地转化成为能够进行监测的直观、准确、实时的数字信号，有利于学生对化学反应本质规律的深入认知与研究。数字化实验可以提升教师对于化学实验资源的整合能力。

      2.引入数字化实验对化学教学的影响

      从化学实验1.0版本向化学实验3.0版本的跨越，不只是仪器和操作方法的改变，更多的是实验观念、设计思想的改变。

      在化学实验1.0和2.0时代，化学实验具有简单、易于操作等优点，但实验仪器和装置用途比较单一，实验结果需要依赖于人工读数和记录，实验者难以观测到快速变化的过程，不便于复杂化学问题的研究；而数字化实验通过高速度、高精度地数据采集和自动化测量，实时记录下转瞬即逝的实验的每一个过程，并能对动态的实验数据信息进行综合的、多维的分析。传统实验和数字化实验在构建学生的化学学科认知系统上具有不同的模式（如图1所示）。

      

      数字化实验带给学生的不是“验证”而是“推理”，这大大开阔了师生的视野，激发了学生的积极性，可以从根本上改变传统化学教学的结构和模式，培养学生的创新精神和研究意识，提升学生的学习力。

      3.化学教学中引入数字化实验的切入点

      数字化实验在中学化学教学中的引入需要进行系统的研究，具体而言可以在三个方面引入。

      （1）在从定性到定量的转变中引入。有人说当下的时代是一个“读图”的时代，图像直观、清晰的表征特性能很好地帮助学生掌握和理解化学本质，传统中学化学实验可以观察到实验过程中出现的现象，但难以进行定量化处理。而DIS实验通过数字传感技术，可以将采集到的实验过程完整数据，经由计算机配套软件处理后以表格和图像的形式呈现出来。如：在“浓硫酸的吸水性”实验中用相对湿度传感器进行对比实验，可分别测定有、无浓硫酸的密闭容器中空气的相对湿度变化曲线，将传统的定性实验进行定量化改造。

      （2）在从表象到本质的转变中引入。数字化实验在中学化学实验教学中的引入可以大大优化教学过程，让一些难理解的科学概念和原理，借助于DIS的直观演示和数据分析，达到快速突破化学教学难点的目的。如弱电解质稀释过程中导电性变化，是中学化学教学中的一个难点，教学中单一的理论探讨对学生无异于纸上谈兵。而应用数字化技术，用电导率传感器监测冰醋酸中随着水的加入，溶液中电流的变化，从实验的数据可以直观看出：随着水的加入，冰醋酸的电流先增大后减小。数字化实验通过各种手段抛开化学研究过程中那些表面的、次要的、非本质的因素，将内在的、重要的、本质的东西表现出来，有利于激发学生的学习兴趣，并为感性认知内化为理性概念奠定了基础。

      （3）在从质疑到探究的转变中引入。传统化学实验中常常会遇到实验结果和实验预期不一致的情况，引发学生对化学实验，甚至对化学教师的质疑，这就需要实验技术手段的优化和更新。如“乙醇分子结构的测定实验”是高中化学教材中定量实验之一，但很多化学教师也只是进行了理论探究或纯数据探究，根本不敢以真实实验来探究，因为实验结果常常和理论数据相距较大。通过DIS实验就会发现通过压强传感器测量密闭烧瓶中的压强变化，虽然测得的压强总体上呈增大的趋势，但局部却是时减时增，这说明了乙醇的挥发对本实验有着比较显著的影响，DIS实验发掘出的这一教学“意外资源”可在一定程度上培养学生综合分析问题的能力，培养他们讨论、思考、沟通、展示的能力，把新课标的理念和目标落到实处。

      二、创新实践——数字化实验在化学实验中的应用

      化学的核心是“反应”，数字化实验在化学实验中的创新应用可以更好地推动学生对“反应”的认知和理解。试以“金属的电化学腐蚀”实验为例说明。

      1.“金属的电化学腐蚀”教学中数字化实验引入的缘起

      “金属的电化学腐蚀”实验教学可由暖宝宝发热原理引入。暖宝宝模拟装置能否构成原电池？若能，原电池可能的电极反应式是什么？能够设计实验验证自己的猜想吗？教学中我们发现，学生通过讨论可以顺利解决负极的电极反应式为

，但正极反应式是

，学生无法证明，当传统实验短时间内没有明显现象的时候，DIS实验显示出它独有的魅力。

      

      

      按图准备好实验装置（分别按图2、图3所示）：取一只20 mL的注射器，取下针尖和活塞，将一张剪好大小合适的滤纸卷好紧贴注射器内壁，用胶头滴管取2滴饱和食盐水将滤纸润湿，再往滤纸上均匀地撒上铁粉和碳粉的混合物，在注射器尾端塞上橡皮塞，并将之与压强传感器、接收器、计算机相连，开启数据软件，引导学生观察数据，发现起始压强均为常压下的101.7 kPa，待数据稳定后压强传感器显示数据如图4所示。将饱和食盐水换成2 mol/L的稀硫酸，数据稳定后压强传感器显示数据如图5所示。

      

      结合数字化实验获得的数据结果，学生可清晰明了地推理出不同情况下金属电化学腐蚀的阳极反应。第一个演示实验（电解质溶液为饱和食盐水）数据变化看出注射器内的压强在减小，说明正极应发生

的反应（吸氧）；若发生

的反应，则体系的压强应会增大。同理可推得第二个演示实验（电解质溶液为2 mol/L的稀硫酸）正极应发生

的反应（析氢）。不同环境下金属的腐蚀类型一目了然。

      2.金属的电化学腐蚀中数字化实验应用的推广

      在DIS实验的实验原理讨论中，我们不难发现本实验用到的“压强传感器”是通过测定密闭容器中压强变化来说明反应本质的，中学化学实验中还有不少其他实验涉及压强问题，也可以用压强传感器进行DIS实验。如初中化学实验“空气中氧气含量的测定”，教材中传统实验方法要在瓶外点燃红磷，不仅不环保，而且随着燃烧的红磷深入瓶内，空气会瞬间膨胀，使得实验误差较大，实验说服力较差；改用DIS实验绿色环保，实验限制因子较少，结果可控性好，实验效果较好。此外，还可以利用本实验的压强检测原理设计其余数字化实验，如利用压强传感器监测双氧水分解过程中有无催化剂的情况下压强的变化情况，说明催化剂对化学反应速率的影响；利用压强传感器监测光照条件下

和

混合气体倒扣在饱和食盐水中的压强变化，来监测取代反应的发生过程；利用压强传感器监测反应生成气体的线性差异，来比较碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应速率的快慢等等。德国著名教育学家斯普朗格曾说过：“教育的最终目的不是传授已有的东西，而是要把人的创造力量诱导出来，将生命感、价值感唤醒。”数字化实验在化学实验教学中的应用，也是一种唤醒和创新，值得深入研究。

      三、创新反思——数字化实验在化学实验中的追问

      如同中学化学实验从1.0版本向2.0版本演进时遇到的问题一样，当数字化浪潮来临，推动化学实验从2.0版本向3.0版本演进时，也会遇到一些实验创新的问题，带给实验教学更多的反思。

      1.拒绝排斥数字化实验的问题

      中学化学实验教学受高考命题范式的影响较大，当高考实验命题还完全停留在传统实验架构和纸笔测试时代时，较大的一次性实验设备投入的顾虑、传统实验习惯的影响和自我学习的惰性就会占据上风，成为教师排斥和拒绝DIS实验的直接原因。但其实更为重要的是很多化学教师自身对DIS实验系统的认识还远远不够，缺乏前瞻性，在化学实验教学中拒绝数字化实验就不足为奇了。

      联合国教科文组织曾提出教育的四根支柱：学会求知、学会做事、学会合作、学会生存。在数字化时代，我们的化学实验教学还可以加上第五根支柱，那就是“学会变化”！正如成功学大师陈安之说：趋势就像一匹马，如果在马后面追，你永远都追不上，你只有骑在马上面，才能和马一样快，这就叫“马上成功”！实验教学也是如此。

      2.用数字化实验全盘替代传统化学实验的问题

      数字化背景下的化学实验3.0版本，究其实质是对传统化学实验的一种改良、优化和完善，而非推翻、颠覆和摒弃。有人说数字化实验是把双刃剑，使用得当才能使教师、学生、教学环境多方受益，过分地依赖数字化实验则会束缚师生思维的开放性，使得化学思维深度和想象力受到限制，而如果用DIS实验全盘替代传统化学实验，则教师的化学教学激情就会缺乏，学生的观察力、记忆力、实验操作能力等就得不到应有的训练，这与引入DIS实验的初衷是背道而驰的。

      数字化实验是学习化学，也是理解化学的工具，它作为中学化学教和学的工具、学习环境支撑的工具，可以创造出图文并茂、人机交互、即时反馈的学习环境，这在推动中学化学实验教学优化过程中可以发挥巨大的作用。但若用数字化实验全盘替代传统化学实验，则使教师成为演示员，没有了师生、生生间的互动合作与情感交流，那些实验数据、图像就如同过眼云烟，势必会导致学生对化学原理理解的肤浅，导致学生化学学科核心素养的下降。数字化实验在化学实验教学中的创新可从以下几个方面去思考：某化学反应能不能进行，向什么方向进行？若可以进行，能进行到什么程度？什么时候能进行完？反应是如何进行的？

      3.数字化实验和传统实验融合的问题

      2011年9月美国教育部长邓肯提出了著名的乔布斯之问：“为什么在教育领域信息技术的投入很大，却没有产生像在生产和流通领域那样的效果呢？”那是因为教育没有发生“结构性”的改变，没有触动教育原有模式。

      数字化实验与传统实验的融合应合理统筹安排。数字化实验主要是从具体实验数据分析归纳实验结论，侧重于实验的探究过程和思维能力的培养；而传统实验往往只是对结果作定性分析，侧重于实验过程的具体操作、常用仪器的使用规范和用途、实验现象的细致观察以及从现象分析结论，应该说各有所长。把数字化实验和传统实验有机融合结合在一起，将是最理想的实验教学状态。

      从图6我们可以看到，传统实验范式和数字化实验范式并非矛盾和排他的，而是实验演进和优化的不同阶段，是包容关系。在化学教学实践中可采用SAM模式：Substitution（代替）、Augmentation（增加）、Modification（修改），根据化学实验的特点、内容、学情来适时选择，发挥出各自最大的功效来优化化学教学课堂，充分发挥各自的优势，取长补短，才能相得益彰。

      

标签：化学实验论文;  压强论文;  化学论文;