數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用

朱成東

摘要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)在學(xué)校的教學(xué)中逐漸推廣開。本文從更新化學(xué)知識、微粒變化可視化、革新實(shí)驗(yàn)方式、提升認(rèn)知方式、創(chuàng)新教學(xué)模式和拓展學(xué)習(xí)方式等六個維度闡述數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用，進(jìn)而使化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落地。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn) 化學(xué)教學(xué) 核心素養(yǎng)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的軟件組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測量化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)實(shí)時可視化的曲線，表征出實(shí)驗(yàn)中微粒的變化過程。將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，既能體現(xiàn)現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)與化學(xué)課堂教學(xué)的融合，又能促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，更好地發(fā)展學(xué)生宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)識、實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)精神與社會責(zé)任等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、更新化學(xué)知識

化學(xué)知識的形成主要是建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，由于中學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展相對滯后和實(shí)驗(yàn)結(jié)果受外界因素的干擾較多，也有的實(shí)驗(yàn)本身較復(fù)雜，導(dǎo)致教學(xué)中的少部分知識出現(xiàn)似是而非，甚至錯誤。隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)中，許多化學(xué)教師開始重新運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對中學(xué)中的實(shí)驗(yàn)再實(shí)驗(yàn)，以研究教材和教學(xué)中似是而非的模糊問題，糾正部分長期以來的錯誤認(rèn)識。如二氧化碳中混有氯化氫的，一般用飽和碳酸氫鈉溶液，原因是二氧化碳在飽和碳酸氫鈉溶液中溶解度比在水中小，但向兩個充滿二氧化碳?xì)怏w的圓底燒瓶中分別同時加入等體積的水與飽和碳酸氫鈉溶液，用壓力傳感器測其壓力的變化，壓力變化曲線如圖1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示二氧化碳在相同體積的飽和碳酸氫鈉溶液與水中，飽和碳酸氫鈉溶液中溶解的要多，可以推出，用蒸餾水除去二氧化碳中的氯化氫要比飽和碳酸氫鈉溶液要好。

二、微粒變化可視化

在中學(xué)化學(xué)的學(xué)習(xí)中，涉及微觀粒子變化平衡的概念和原理時，學(xué)生易產(chǎn)生認(rèn)知障礙，感覺到學(xué)習(xí)困難，對后續(xù)化學(xué)的學(xué)習(xí)影響較大。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，讓微觀粒子的變化可視化，可讓學(xué)生感受到現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對化學(xué)學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)生重大影響，也可以促進(jìn)學(xué)生對化學(xué)知識的深度理解，形成化學(xué)觀念。如沉淀溶解平衡的教學(xué)中，可以先做CaCO3溶于水測導(dǎo)電率的實(shí)驗(yàn)。先測100 mL蒸餾水的導(dǎo)電率，然后加入1 g CaCO3，當(dāng)導(dǎo)電率不變時（c點(diǎn)），繼續(xù)加10 mL蒸餾水，觀察導(dǎo)電率的變化，在e點(diǎn)繼續(xù)加10 mL水，觀察導(dǎo)電率的變化（如圖2）。

溶液中的離子變化，通過導(dǎo)電率的曲線表征出來，讓學(xué)生清晰地觀察到溶液中離子的變化過程。再根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖像引導(dǎo)學(xué)生分析，CaCO3溶于水測溶液的導(dǎo)電率，溶液的導(dǎo)電率增大說明什么？一段時間后，導(dǎo)電率為什么保持不變？其保持不變說明什么？在c點(diǎn)加入10 mL蒸餾水，導(dǎo)電率為什么突然減??？然后為什么又增大？其增大說明了什么？一段時間后，其又為什么保持不變？導(dǎo)電率保持不變，CaCO3的溶解停止了嗎？通過問題深度的逐層遞進(jìn)，學(xué)生慢慢認(rèn)識難溶電解質(zhì)的溶解平衡。

三、革新實(shí)驗(yàn)方式

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)形成互補(bǔ)，呈現(xiàn)了更加準(zhǔn)確、更加清晰的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、曲線圖像，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)自帶軟件的強(qiáng)大功能更是使數(shù)據(jù)處理更加便捷，數(shù)據(jù)的“回放”更是輕松地使實(shí)驗(yàn)“再現(xiàn)”，使學(xué)生更易觀察實(shí)驗(yàn)中變化的細(xì)節(jié)，引發(fā)對實(shí)驗(yàn)變化的深度思考，更有利于學(xué)科素養(yǎng)的落地。利用這類傳感器，為化學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新提供了有力的技術(shù)支持。如酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)中學(xué)生對接近滴定終點(diǎn)時的一滴或半滴的操作很難控制，且對酚酞作指示劑，強(qiáng)酸滴定強(qiáng)堿恰好反應(yīng)的時，理論上pH為7，但實(shí)際滴定的終點(diǎn)的pH不等于7，二者的誤差難以控制。利用滴數(shù)傳感器、pH傳感器等完成酸堿中和滴定的數(shù)字實(shí)驗(yàn)，完美呈現(xiàn)出滴定過程中的pH變化曲線圖（如圖3），利用數(shù)據(jù)回放功能，當(dāng)接近終點(diǎn)時，放慢速度，讓學(xué)生更直觀地感受接近滴定終點(diǎn)時，一滴溶液（或半滴），可以使pH變化很大，也可以利用求導(dǎo)功能，直接找出滴定終點(diǎn)。

圖3 NaOH溶液滴定鹽酸過程中pH的變化曲線圖

四、提升認(rèn)知方式

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的運(yùn)用，對化學(xué)的認(rèn)知方式由三重表征（宏觀表征、微觀表征、符號表征）提升到四重表征（宏觀表征、微觀表征、符號表征、曲線表征）。宏觀表征主要是通過感官直接感知物質(zhì)的形態(tài)、顏色及化學(xué)變化時呈現(xiàn)的宏觀現(xiàn)象;微觀表征主要是指微觀粒子（如分子、離子、電子等）構(gòu)成物質(zhì)、微粒的運(yùn)動及其變化過程中微觀信息的表征;符號表征主要是指用化學(xué)符號（如化學(xué)式、電子式、結(jié)構(gòu)式、化學(xué)反應(yīng)方程式等）對物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化過程等信息進(jìn)行表征;曲線表征主要是指某因變量隨自變量的變化而變化，在由“x軸”“y軸”構(gòu)成的平面內(nèi)呈現(xiàn)的曲線變化的圖像表征。“四重表征”的認(rèn)知方式從更多的角度引導(dǎo)學(xué)生從本質(zhì)上理解化學(xué)變化，促進(jìn)其對化學(xué)概念、化學(xué)原理的學(xué)習(xí)。特別是曲線表征，學(xué)生可以通過曲線的信息深度思考其變化原因，進(jìn)而探究變化本質(zhì)，發(fā)展核心素養(yǎng)。如：在構(gòu)建弱電解質(zhì)的電離平衡的概念時，用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)測0.1 mol/L鹽酸與0.1 mol/L醋酸中溶質(zhì)的濃度稀釋到原濃度的1/10時pH的變化（如圖4），數(shù)字化實(shí)驗(yàn)表征出pH值的變化，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)僅測出某一時間點(diǎn)的pH值，從pH值變化的表征，讓學(xué)生思考溶質(zhì)微粒的變化過程，很容易獲得強(qiáng)弱電解質(zhì)的區(qū)別及弱電解的電解平衡。

五、創(chuàng)新教學(xué)模式

新課程標(biāo)準(zhǔn)提倡的基于真實(shí)問題情境的科學(xué)探究，目的是讓學(xué)生樂于參與、主動探索，在探究中發(fā)現(xiàn)問題、交流合作、解決問題，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、證據(jù)推理與模型認(rèn)識的學(xué)科素養(yǎng)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驈亩鄠€角度呈現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的信息，幫助學(xué)生從不同的角度分析和理解，而且各個信息之間相互印證，成為突破教學(xué)疑難點(diǎn)的利器。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有利于拓展實(shí)驗(yàn)研究面，有利于讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)走出實(shí)驗(yàn)室，有利于學(xué)生的自主探究，讓學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體。在數(shù)字實(shí)驗(yàn)的支撐下，科學(xué)探究POE教學(xué)策略[“預(yù)測（Predict）—觀察（Observe）—解釋（Explain）策略”]及“6S”[激趣（Stimulate）、引導(dǎo)（Steer）、猜想（Suppose）、演示（Show）、探究（Seek）、總結(jié)（Summarize）]化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)模式都逐步走進(jìn)課堂，豐富創(chuàng)新了課堂教學(xué)模式。

六、學(xué)習(xí)方式的創(chuàng)新

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為近幾年新發(fā)展的實(shí)驗(yàn)手段，豐富了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的方式，結(jié)合了化學(xué)學(xué)科和學(xué)生認(rèn)識特點(diǎn)，激發(fā)了學(xué)生的探究欲望。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)中，可用于學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)、化學(xué)課外興趣小組的學(xué)習(xí)、化學(xué)選修課的學(xué)習(xí)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)等多種形式的學(xué)習(xí)活動，拓展了學(xué)生的探索范圍和學(xué)習(xí)空間，同時將實(shí)驗(yàn)對象也從學(xué)校拓展到科學(xué)—技術(shù)—社會—環(huán)境（STSE）的范疇，讓化學(xué)的學(xué)習(xí)更貼近社會和生活，有利于學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

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