數字化實驗助力中學化學的教學探析*

李 晶，崔克宇

(吉林師范大學 化學學院，吉林 四平 136000)

數字化實驗因直觀、即時、便捷等優點備受廣大教育者寵愛，被應用于化學課堂以豐富實驗過程，促進學生理解知識，培養學生綜合素質。然而數字化實驗助力化學教學實踐過程中仍然存在數字化實驗應用不適切、實驗過程設計不高效、教學情境選擇不有趣等問題。本文分析了數字化實驗在中學化學中的應用價值和教學策略，以提高化學課堂教學質量，促進學生全面發展。

1 數字化實驗的概念和研究現狀

數字化實驗，即數字化信息系統實驗，由傳感器、數據采集器和計算機和配套軟件組成，通過傳感器將實驗數據轉化為電信號并傳輸給數據采集器和計算機，對實驗結果進行整理和分析，實現了人類感官的延伸，在培養科學探究能力，促進學科認知，提高信息素養等方面都具有獨特的教育潛力。

20世紀70年代，美國學者Robert Tinker首次提出數字化實驗，并于1978年開發出第一個教學應用的數字化實驗，即萘的冷卻曲線實驗[3]。在21世紀后，隨著網絡的普及和傳感器技術的發展，信息技術與學科課程逐漸整合。錢揚義率先于2003年將數字化實驗引入國內，并組織開展研究[4]，并于2009年首次構建了化學“四重表征”教學模式。2021年，錢揚義團隊分享手持技術數字化實驗慕課在準備、拍攝、設計環節、剪輯、審查與推廣方面的建設心得，并對不同類別的案例進行分析研究，力求促進職前化學師范生、在職一線教師的素養提高。

在網絡和傳感器技術高速發展的今天，數字化實驗更加便攜智能，可以連接更多樣的手持設備，能夠更加高效、充分地應用于實驗教學中。然而，一線教師在將數字化實驗應用于化學教學時存在若干問題，如在實驗過程方面，實驗過程枯燥、學生參與較少、注重宏觀現象而難以實時觀察某些性質的變化；在概念理解方面，學生理解困難、學習效率低；在實際應用方面，缺乏學科交叉、脫離生活情境；在教學策略方面，忽略學生主體、依賴應試思維等，阻礙學生全面發展。

如今，新課程改革和教育信息化的背景給化學教學提出了新的要求，高考試題也加入了離子平衡等數字化實驗圖像題目。數字化實驗助力化學教學成為趨勢熱點。

2 數字化實驗助力化學教學的價值

1)激發學習興趣

傳統實驗過程繁瑣、時間長、對操作準確度要求嚴格，學生在實驗過程中容易產生厭煩情緒和畏難情緒。手持技術是科技產物，符合學生對新鮮事物的好奇心理，而且操作簡單，攜帶方便。將數字化實驗應用于化學教學中創設有趣情境，能夠激勵學生主動探究。

生：我是假設左邊三角形的底是a，右邊三角形的底是b，那么陰影部分的面積就是a×8÷2+b×8÷2，我們知道可以利用乘法分配律a×8÷2+b×8÷2=（a+b）×8÷2，而a+b=12，所以三角形的面積是12×8÷2=48（平方厘米）。

圖1是利用數字化實驗模擬酸雨的形成，測定通入二氧化硫后和通入氧氣后pH的變化的裝置。曲線表征如圖2。引導學生分析實驗數據，解釋曲線變化背后的反應原理。利用數字化實驗創設情境，能夠簡化實驗步驟，放大實驗現象，激發實驗興趣，并在實驗探究過程中培養學生的信息化素養、高階思維能力、科學探究意識[5]。

1.二氧化硫發生 2.模擬酸雨形成 3.氧氣發生

圖2 pH傳感器實時曲線

2)糾正錯誤觀點

技術的局限使得錯誤的學科觀點長久地誤導教師和學生，不利于學科知識的傳播與探究精神的培養。傳感器技術的發展，給予師生探索真理的機會。師生能夠借助數字化實驗記錄物理量的變化，實現人體感官的延伸，從而形成正確的認知。例如，在二氧化碳的制取中，一般認為，二氧化碳能溶于水所以無法用排水法來收集，但利用氯離子傳感器進行實驗后發現，應用排水法不僅可行，而且更加便捷節儉[6]。

3)加深概念理解

概念理解是學科學習的基石，但因大多概念較為復雜抽象且難以觀察，使得學生在概念理解方面有認知難度。而數字化實驗具有可視化的優點，有助于學生掌握學科概念、突破學科重難點。例如，利用氧氣傳感器、壓強傳感器、pH傳感器對鐵的吸氧腐蝕實驗進行改進，捕捉化學反應過程中壓強和氧氣濃度變化，定量研究反應前后溶液pH變化，借助數字化實驗幫助學生理解析氫腐蝕和吸氧腐蝕的概念，解決疑難問題，引導學生更全面、深刻地認識化學反應[7]。

4)發展綜合能力

應用手持技術能夠將實驗數據即時轉化為圖像，幫助學生將曲線變化與實驗現象建立聯系，促進學生提取信息、分析問題的能力。在探究實踐過程中，學生篩選信息、動手操作、合作交流、總結經驗的綜合能力會大幅提升。這也給教師提出了新的要求，教師需要在實驗探究過程中引導學生獨立思考、合作交流，發展多層次能力。在信息技術高速發展的時代，數字化實驗能夠與混合式教學、項目式教學、STEAM教育等教育理念相融合，強調學生多方面的能力發展，進而促進培養復合型人才。

5)培養科學態度

化學教育不僅需要傳授專業知識、關鍵技能，而且需要關注學生在實驗過程中的心理變化，以及養成嚴謹認真的科學態度和堅持不懈的科學精神。數字化實驗由于便攜、即時、可視的特點，便于學生將其應用于聯系生活實際的科學探究中，如研究空氣、河流、食品等質量，從而感受綠色環保的理念，潛移默化培養學生科學態度、社會責任意識。

3 數字化實驗助力化學教學的策略

傳統的教學策略在受到新技術、新理念的沖擊時，須要做出變革應對挑戰，提高教學效率和教學質量。分析數字化實驗的作用后，考慮如何將數字化實驗融入化學實驗教學以挖掘其教育潛力。下面從創設趣味情境、結合傳統實驗、利用探究學習、融合多個學科、聯系實際生活5方面探討數字化實驗的應用策略。

1)創設趣味情境

數字化實驗能夠測量傳統實驗無法測得的量，使實驗數據可視化，這可以用來創設趣味情境營造愉悅學習氛圍、激發學生探究興趣、提高課堂學習效率。例如，可以借助電子顯微鏡引導學生觀察泥土、植物油等物質在水中分散的現象，形成的乳濁液現象如圖3，懸濁液現象如圖4[8]，激發學生學習分散系的興趣。再如，引導學生利用電流傳感器分析不同種類水果電池產生的電流大小，進而分析原電池的概念、原理和用途。

圖3 乳濁液放大示意圖

圖4 懸濁液放大示意圖

2)結合傳統實驗

傳統實驗耗時長、步驟繁瑣、精確度低，但是能夠培養學生觀察能力、實驗操作能力、分析處理問題能力，以及科學態度。而數字化實驗數據采集與處理方便，能夠提高實驗效率，拓寬實驗對象范圍，培養信息素養，但是忽視實驗基礎操作、隱藏實驗原理。傳統實驗和數字化實驗在化學教學中都具有不可替代的優勢，只有將二者有機結合才能最大程度上發揮其教育作用。例如，可以利用濁度傳感器對利用肥皂水鑒別軟、硬水進行定量研究，即時獲得實驗數據進行曲線表征。與傳統實驗相結合，培養學生實驗操作能力、數據分析能力，在實踐中促進學生全面發展[9]。再如，在做酸堿中和滴定實驗時，傳統實驗利用肉眼觀察進行滴定分析，然而個體對顏色的感知不同，且手動操作準確度低、重復操作耗時長，教學價值難以凸顯，因此可以引入pH、滴數傳感器進行實驗，再利用溫度傳感器探析中和反應中熱量的變化，將實驗數據即使加工成曲線進行表征，能夠減少學生負擔，加深學生對酸堿中和滴定原理的理解，培養學生的實驗操作能力和綜合素質。

3)利用探究學習

學生在體驗科學探究過程中能夠感受探究樂趣，掌握探究方法，交流實驗經驗。而數字化實驗便于學生將精力放在實驗原理思考、數據處理分析中，使探究學習更加高效便捷。因此，將數字化實驗與探究學習相結合，能夠有效培養學生主觀能動性、形成理性的探究態度。探究學習過程中教師應創新實驗設計、耐心指導答疑、鼓勵小組合作、引導學生反思，從而保證實驗探究的效果以實現對學生綜合素質的有效培養。

4)融合多個學科

學科融合強調將碎片化的知識進行有機整合，引導學生從多個學科領域中理解知識，習得技能。數字化實驗是科學實驗與計算機技術融合的產物，能將多維實驗數據即時轉化為圖表并進行分析處理，可以應用于教學中來培養學生整合思維和協調能力。例如，化學與生物學科交叉，采用傳統實驗和數字化實驗有機結合的方法探究酵母菌的呼吸方式，利用氧氣傳感器得到清晰的氧氣含量變化曲線，利用傳統化學反應檢驗乙醇得到溶液由橙色變為灰綠色的直觀現象，能夠培養學生多維能力，促進學生知識結構化。

5)聯系實際生活

基于真實生活的復雜情境中進行實踐，引導學生發散思維，建構模型，解決問題，能夠優化課程教學效果并促進學生全面發展。例如，在學習乙醛的性質時，可以引導學生討論喝酒后服用頭孢的致死原因、探究致死物質結構、研制“解酒藥”來豐富學生對有機物的認識并落實學生的科學態度與社會責任。又如，引導學生設計火災報警裝置，利用溫度傳感器、煙霧傳感器來采集環境數據，連接計算機進行數據分析與監控報警，幫助人民防范火災，將科學知識、社會責任滲透進實驗教學。

聯系實際生活看似簡單，實則考驗教師的生活經驗和專業素養，不僅需要教師創設巧妙的任務，在引導學生分析解決問題的過程中也需要教師循循善誘。所以引導學生完成與實際生活相聯系的實驗，要求教師鉆研教材知識，挖掘生活素材，深化學科認識，落實立德樹人。

4 總結

在分析當前化學實驗教學的不足后，論述了數字化實驗的內涵、發展，研究其在化學教學中發揮的作用以及應用于實驗教學的策略，旨在培養學生綜合能力和科學態度，最終為學生將來化學知識的學習和綜合素質的提高增添不竭動力，更好地落實核心素養，培養優質人才，促進社會進步。