初中化學(xué)數(shù)字化實驗教學(xué)策略探討

摘? ?要：采用傳感器技術(shù)的數(shù)字化實驗作為一種新型的實驗方法，是常規(guī)實驗手段的重要補充和拓展。在初中化學(xué)教學(xué)中引入數(shù)字化實驗，有助于化學(xué)基本概念和原理的教學(xué)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力和團隊合作能力。初中化學(xué)數(shù)字化實驗，豐富了研究性學(xué)習(xí)和綜合實踐活動的實驗手段。如何有效地進行初中化學(xué)數(shù)字化實驗教學(xué)是化學(xué)教學(xué)與現(xiàn)代教育技術(shù)融合的有益探索。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗;初中化學(xué);教學(xué)策略

作者簡介：楊銀分，湖北省武漢市光谷實驗中學(xué)教師，中學(xué)高級教師，武漢市學(xué)科帶頭人。（湖北? 武漢? 430223）

中圖分類號：G633.8? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1671-0568（2019）25-0106-02

數(shù)字化實驗，又稱手持技術(shù)，是指在掌上就可以操作的技術(shù)，是一種常用的傳感器技術(shù)。數(shù)字化實驗儀器由數(shù)據(jù)采集器、傳感器、配套的軟件和計算機組成。數(shù)據(jù)采集器由常規(guī)儀器組合而成。傳感器和配套的軟件可以定量地采集各種數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)采集器、傳感器與計算機等電子設(shè)備連接，能準(zhǔn)確記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并保存下來。

數(shù)字化實驗系統(tǒng)采用了不同的傳感器，可以采集包括電流、電壓、光強度、溫度、氣壓、pH、溶解氧、二氧化碳濃度、離子濃度、相對濕度等數(shù)據(jù)。數(shù)字化實驗儀器便于攜帶，適合幫助學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)。數(shù)字化實驗可以用數(shù)據(jù)記錄和呈現(xiàn)某些不易觀察的現(xiàn)象，可用于對某些常規(guī)化學(xué)實驗進行改進和創(chuàng)新。數(shù)字化實驗采用定量方法研究物質(zhì)的變化及變化規(guī)律，比傳統(tǒng)實驗方法更先進、便捷、實時、準(zhǔn)確、綜合、直觀。目前很多學(xué)校都在嘗試將數(shù)字化實驗技術(shù)引入化學(xué)教學(xué)。大多數(shù)高校已經(jīng)建立完備的手持技術(shù)實驗室，部分中小學(xué)也先后配備了數(shù)字化實驗儀器。

研究表明，采用手持技術(shù)的實驗教學(xué)可以進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究熱情，加深學(xué)生對某些化學(xué)概念的理解，提高學(xué)生對圖像的認知能力，增強學(xué)生的團隊合作意識，為中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)提供一種良好的、可供選擇的教育手段。數(shù)字化實驗可以豐富研究性學(xué)習(xí)和綜合實踐活動，如何有效進行初中化學(xué)數(shù)字化實驗教學(xué)是化學(xué)教學(xué)與現(xiàn)代教育技術(shù)融合的有益探索。

一、選擇時機，統(tǒng)籌安排，優(yōu)勢互補

初中化學(xué)教學(xué)應(yīng)合理統(tǒng)籌安排傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗，把握數(shù)字化實驗教學(xué)時機，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。初中化學(xué)傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗各有優(yōu)勢，數(shù)字化實驗完全取代化學(xué)傳統(tǒng)實驗并不可取。教學(xué)中，教師應(yīng)根據(jù)實際教學(xué)實驗內(nèi)容將兩者有機結(jié)合起來，以傳統(tǒng)化學(xué)實驗為主，以數(shù)字化實驗為輔。

初中化學(xué)傳統(tǒng)實驗主要是定性實驗，著眼于培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范使用儀器，熟悉實驗基本操作，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物質(zhì)性質(zhì)、物質(zhì)變化、物質(zhì)變化過程以及對結(jié)果的解釋和討論。初中化學(xué)數(shù)字化實驗都是定量實驗，通過電子設(shè)備采集、記錄數(shù)據(jù)，并用表格或圖像的方式呈現(xiàn)出來，著眼于培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)據(jù)的分析和處理能力。在初中化學(xué)教學(xué)中引入數(shù)字化實驗，可以培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、讀表識圖能力，為學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)打下堅實的基礎(chǔ)。

初中化學(xué)教學(xué)引進數(shù)字化實驗最好安排在學(xué)完第二單元之后。初中化學(xué)是一個啟蒙學(xué)科，學(xué)習(xí)需要有一個建模的過程，學(xué)生只有在初步熟悉常用儀器的規(guī)范使用、化學(xué)實驗基本操作以及接觸一些化學(xué)反應(yīng)后，才能初步理解數(shù)字化實驗的原理，規(guī)范完成數(shù)字化實驗。教學(xué)中，教師要處理好傳統(tǒng)化學(xué)實驗和師生互動教學(xué)的關(guān)系。傳統(tǒng)化學(xué)實驗要與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相配套，即以教師講述、演示實驗為主，以學(xué)生分組實驗為輔。而中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實驗的課堂教學(xué)則是以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，突出表現(xiàn)為師生、生生互動。數(shù)字化實驗作為一項先進的技術(shù)引入課堂教學(xué)并廣泛應(yīng)用，是一個長期的過程，不能操之過急。探究性實驗作為對傳統(tǒng)實驗的有效補充和引領(lǐng)，需要引入數(shù)字化實驗，并更新方法。中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實驗不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)實驗，它與傳統(tǒng)化學(xué)實驗優(yōu)勢互補、相得益彰。

二、分階段實施，加強實驗互動探究，培養(yǎng)綜合素質(zhì)

初中化學(xué)數(shù)字化實驗教學(xué)不能操之過急，實施過程大體可分為三個階段：

1.“教師拉著學(xué)生走”教師強化示范為主，學(xué)生領(lǐng)悟模仿為輔。這一階段主要是教師演示、學(xué)生觀摩然后模仿教師完成實驗。學(xué)完第二單元后，學(xué)生已經(jīng)具備基本的實驗操作能力，教師可以補充性地進行某些數(shù)字化實驗，彌補常規(guī)實驗中的不足。教師可以選取教材中合適的實驗素材加以改編，然后給學(xué)生演示，學(xué)生模仿教師的操作設(shè)計并進行實驗。

【案例1】用壓強傳感器探究空氣中氧氣的體積含量

圖1所示裝置可用于測定空氣中氧氣的含量，其中與集氣瓶相連的壓強傳感器等電子設(shè)備能將集氣瓶內(nèi)氣體壓強精確地記錄并保存下來。圖2是用該裝置測量紅磷在集氣瓶中燃燒的壓強—時間關(guān)系圖（該裝置氣密性良好，p0是集氣瓶內(nèi)初始氣壓，p是反應(yīng)結(jié)束后恢復(fù)到室溫時集氣瓶內(nèi)的氣壓）。

學(xué)完第二單元后，教師可以運用數(shù)字化實驗儀器測量紅磷燃燒過程中集氣瓶內(nèi)氣壓的變化，分析空氣中氧氣含量。然后學(xué)生模仿教師的操作，測量木炭燃燒過程中集氣瓶內(nèi)氣壓的變化，得到如圖3曲線。通過分析曲線，學(xué)生可以進一步理解測定空氣中氧氣含量應(yīng)該用紅磷或白磷，而不能用木炭，這是因為木炭燃燒后會生成新的氣體。

學(xué)生通過模仿數(shù)字化實驗，練習(xí)傳統(tǒng)實驗的基本實驗操作，熟悉傳感器的使用，可以進一步明確用燃燒法測定空氣中氧氣的體積分數(shù)的原理和要求，學(xué)會對圖標(biāo)數(shù)據(jù)進行分析。在這個過程中，學(xué)生可以獲得成就感，進而增強學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和動力。

2.“教師引著學(xué)生走”學(xué)生設(shè)計和實驗為主，教師引導(dǎo)和幫助為輔。本階段教師可以根據(jù)學(xué)生關(guān)注點，選擇合適的問題，引導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料和小組討論，設(shè)計實驗方案。然后教師進行指導(dǎo)，優(yōu)化實驗方案，小組學(xué)生按照優(yōu)化的實驗方案進行實驗。在這個過程中，學(xué)生可能會經(jīng)歷困惑失敗，教師要適時給予指導(dǎo)和糾正，引導(dǎo)學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)，最終得出實驗結(jié)論。同時，教師可以讓學(xué)生對實驗過程進行評價和反思，進一步優(yōu)化實驗方案，集結(jié)實驗探究案例。

【案例2】用相對濕度傳感器驗證氫氧化鈉的吸水性

問題的提出：氫氧化鈉在空氣中，表面潮解變濕，是因為氫氧化鈉吸收了空氣中的水蒸氣。怎樣用數(shù)字化實驗驗證氫氧化鈉的吸水性呢？

教師指導(dǎo)學(xué)生在集氣瓶中加入氫氧化鈉固體，然后測量相對濕度來驗證氫氧化鈉的吸水性，引導(dǎo)學(xué)生完成如下實驗。

實驗步驟：連接裝置，檢查裝置氣密性后加入氫氧化鈉固體，連接相對濕度傳感器;觀察數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)（如圖4）。

實驗結(jié)論：通過分析實驗數(shù)據(jù)可知，密閉裝置中相對濕度減少，說明裝置內(nèi)的水蒸氣不斷被吸收;最后相對濕度為零，此時裝置內(nèi)為干燥的空氣，從而得出結(jié)論：氫氧化鈉固體具有吸水性。

學(xué)生在教師的引導(dǎo)下進行自主探究，親身體驗實驗過程，這不僅鍛煉了學(xué)生的探究性思維，而且培養(yǎng)了學(xué)生實事求是和認真反思的科學(xué)態(tài)度和精神，提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐探究能力。

3.“學(xué)生摸著石頭走” 學(xué)生獨立設(shè)計和實驗為主，教師鼓勵和評價為輔。本階段教師根據(jù)教材和課標(biāo)提供不同的實驗主題，小組同學(xué)根據(jù)自己的興趣選擇相應(yīng)的主題，然后進行小組討論設(shè)計實驗方案。小組根據(jù)自己的實驗方案進行實驗，如果失敗，則進一步優(yōu)化或改進實驗方案，重新進行實驗。接下來學(xué)生根據(jù)教師和其他小組同學(xué)的評價進行反思和總結(jié)。最后，小組學(xué)生提出具有探究價值的實驗課題，進行新一輪的實驗探究。

【案例3】教師可以設(shè)置以下問題：如何運用離子濃度傳感器（或溫度傳感器、PH傳感器）驗證中和反應(yīng)的發(fā)生？如何讓運用二氧化碳、氧氣傳感器、相對濕度傳感器比較人體吸入的空氣和呼出氣體的成分？如何設(shè)計實驗驗證濃硫酸的吸水性？如何設(shè)計實驗探究硝酸銨、氫氧化鈉、氯化鈉溶于水時的溫度變化？

這個階段學(xué)生會遇到困難、挫折，甚至?xí)虻贸鲥e誤的結(jié)論而氣餒灰心，教師要適時地進行鼓勵和評價。只有經(jīng)歷了這個階段，學(xué)生才具有獨立探究的能力，才能獨自面對學(xué)習(xí)、生活中的困難與挫折。學(xué)生在這個過程中會獲得極大的科學(xué)成就感、體驗感和滿足感，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新動力。

在初中化學(xué)教學(xué)中引入數(shù)字化實驗，能有效幫助學(xué)生理解化學(xué)基本概念和原理。在初中化學(xué)教學(xué)中，教師合理運用數(shù)字化實驗和傳統(tǒng)化學(xué)實驗，并親身示范，合理引導(dǎo)學(xué)生，不僅能豐富研究性學(xué)習(xí)和綜合實踐活動的實驗手段，還能最大限度地培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力和團隊合作能力。

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