数字实验室在中学化学教学中的应用

金碧凤

【摘 要】相对于传统的中学化学教学，数字实验室作为一种新型课程资源已逐步的进入各所学校。在学生积极参与的前提下，它实现了信息技术与中学化学课程的有效整合。为中学化学的发展提供了更为广阔的平台。

【关键词】数字实验室；信息技术；中学化学

国家实施的2000-2010年的课程改革的目标在第五点中特别提到：新课程体系强调培养学生终身学习的愿望和能力、创新精神和实践能力，包括形成科学态度，学会科学方法；具有独立思考、自主探究的精神与求实创新的意识。化学新课程标准的基本理念之一是：“从学生已有的经验和将要经历的社会生活实际出发，帮助学生认识化学与人类生活的密切关系，关注人类面临的与化学相关的化学问题，培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力。”

数字实验室正是利用现代技术改造传统的实验手段和方法，而且为信息技术的融合创造了条件。数字化实验室是对传统实验的一个非常好的补充，在传统实验一些只能定性无法定量的实验以及一些微小或瞬间数据的测量上，数字化实验室能发挥出巨大作用。并且将学生作为实验的主题，也在很大程度上提高了学生学习的积极性，让他们自觉地完成化学实验，探究更适宜的实验条件和方法。

数字实验室系统的基本构建模式包括：配套教具、传感器、图形数据采集器、软件。数字实验室系统是利用传感器来测量实验数据； 利用数据采集器采集实验数据；利用电脑来分析实验数据、得出实验结果；利用配套教具实现更高效的实验；利用网络管理整个数字实验室的教学。数字实验室系统促进了物理、化学、生物实验教学的进步。

一、数字化实验在中学化学中的具体应用

实验名称：不同催化剂对双氧水的催化分解

实验目的：掌握外界条件对化学反应速率的影响，初步了解如何调控化学反应的快慢。通过比较双氧水在不同条件下的分解的快慢，了解催化剂的作用和意义

知识背景：催化剂，是指在化学反应中能改变化学反应速度而本身成分及质量在反应前后均没有改变的物质；

实验器材： GQY数据采集器；O2传感器；磁力搅拌器；量筒；锥形瓶； MnO2；FeCl3；3%H2O2

实验方案：

结论

实验操作：

（1）取3支洁净的锥形瓶，分别编上序号1、2、3，向各试管内分别加入10ml过氧化氢溶液，按序号依次放置在磁力搅拌器是上。

（2）将氧气传感器插入1号试管，测量对照情况下过氧化氢的分解（反应时间为60s）；

（3）向2号试管内滴入2滴FeCl3溶液，插入氧气传感器（反应时间为60s）；

（4）向3号试管中加入少量MnO2粉末，插入氧气传感器（反应时间为60s）

实验数据采集：

图1. FeCl3（红色）和MnO2（蓝色）（黑色为对照）对双氧水催化结果比较

实验数据分析：不同的催化剂对同一化学反应的催化效率不同，实验所选择的FeCl3、MnO2均能催化双氧水分解。但在同一条件下MnO2的催化效率最好。数字实验室的另外一个优势就是定性研究的过程中，也可以进行定量的计算。可以从图中直接选择某个特定的时间内计算出在不同催化剂的条件下氧气的产生速率值。

二、一个对数字化实验改进的例子

实验名称：电解质在水溶液中的反应

实验目的：通过实验探究内容认识到离子反应是电解质溶液间的反应实质，体会到离子反应发生的条件，并且锻炼了动手实验的能力，从现象中分析、归纳的能力。

知识背景：离子反应的本质是溶液中的某些离子浓度的减小

实验器材：GQY数据采集器；电导率传感器；光电门传感器；笔记本；铁架台；酸式滴定管（25ml）；磁力搅拌器；50ml小烧杯；2ml移液管； 0.04mol/l的稀硫酸溶液；饱和Ba（OH）2溶液；蒸馏水；USB连接线；传感器连接线；电流计

实验方案：【实验探究】先向Ba（OH）2溶液中加入酚酞溶液，接着装置连接，然后向Ba（OH）2溶液中滴加稀硫酸（指导学生边观察实验边做好下表实验记录）。

【问题探究】

（1）稀硫酸与Ba（OH）2溶液中存在哪些离子？电流计指针的变化说明了什么？对应的电导率变化说明了什么问题？

（2）溶液颜色的变化是什么原因引起的？

（3）白色沉淀的成分是什么？如何形成的？

（4）混合后反应的实质是什么？

【学生讨论并归纳】（教师引导学生沿着如下路径分析归纳）硫酸与Ba（OH）2分别属于酸、碱类电解质→从电离的角度分析，硫酸与Ba（OH）2溶液中的所含微粒分别是H+、SO42- 、Ba2+、OH-→电流表的指针变化说明溶液导电能力减弱，自由移动离子浓度减小，离子有消耗，参加了化学反应。那么从电导率的曲线变化看出一开始随着稀硫酸的加入，电导率是降低的。根据电导率的定义，此时溶液中的自由移动的离子浓度减少，说明离子参与了反应。另外可以从数字实验室的采集器中点出具体数值。电导率的数值变化从890逐步降低到60左右。直接从数字上看出溶液导电能力的变化情况。→溶液由红色变浅至消失，即溶液碱性减弱，证明H+和OH-结合生成了水→不难推断，白色难溶物是Ba2+与SO42-结合生成的BaSO4沉淀→稀硫酸与Ba（OH）2溶液反应的实质是溶液中的H+、SO42- 、Ba2+、OH-相互结合生成了水和BaSO4沉淀（难溶物）→电解质溶液间的反应实质是离子间的反应。

根据H2SO4和Ba（OH）2的电离方程式，反应的实质为：Ba2+ + SO42- + 2H+ + 2OH- = BaSO4↓+ 2H2O

实验改造目的：在原有实验器材的基础上添加了电流计的装置。设计的意图是：电解质溶液中离子浓度大小与变化的定性和半定量分析，是高考的热点，也是学习的难点之一，学生普遍感到难以把握。通过这个实验，可以将学生直接看到的电流计指针的变化和电导率曲线中离子浓度的变化结合起来。有利于学生从宏观世界联系微观的变化，对于电解质的题目解答是有很大的帮助的。

三、学生对数字实验室的兴趣调查

2011年10月下旬，我们对进入数字实验室进行过实验的高二（七）班的学生进行了问卷调查。高二（七）班共有58人，共发放问卷58份，共收回58份，回收率为100%。

调查对象：高二（七）班学生。

调查方式：问卷调查（采用记名方式进行调查）。

调查目的：本次调查在了解学生对数字实验室的兴趣和它的优势，旨在找出学生学习化学的更有效的方法和途径，为学校更好的教学和以后做学生实验提供了依据。

问卷形式：

亲爱的同学：

您好，现在我们为了能更加了解到你们对数字实验室的满意度，以及您对实验教学的宝贵意见，所以我们开展了此次的调查，希望你能抽出宝贵的时间，根据您的实际情况填这份问卷。

姓名： 班级：

1.原有的实验室的硬件设备能够满足学生学习需要 （ ）

A.能 B.不能 C.差不多

2.您对数字实验室是否满意或是否有兴趣，请为它打分（ ）

A.10分 B.6分 C.3分

3.您希望多久进一次数字实验室（ ）

A.每周 B.每月 C.每学期

4.您对数字实验室的建议

衷心感谢您的支持与合作！

调查结果分析：

第四题是开放题，有38个学生的答案几乎都为：请学校多开放数字实验室、增加学生自主实验的时间和机会、多开设兴趣实验等。

调查结论

通过调查最终我们可以得到以下结论：

①学生对数字实验室的期待值很高。

②学生也希望利用这个平台改变现有的化学实验的方式。

四、数字实验室的优势

第一，摒弃如天平、计时器这些传统测量误差性比较大的实验工具，将学生彻底解放出来，减少繁琐的数据处理，从而更加专注于实验分析本身；

第二，迅速、精确地获得实验数据。数字实验室系统将大大缩短用于实验的时间，而且得到的数据更加精确、直观。

第三，数字实验室系统摆脱了学生终端的电脑束缚，可以使更多学生能使用学生终端，自己动手做实验，从而增强学生的动手能力，更好地达到实验目的。

第四，让一些使用传统实验手段难以实现的实验成为可能。在传统的实验条件下水溶液的pH、硬度、溶氧量测量在数字实验室中都可以实现。

国外有研究表明，将数字化技术与（科学）研究性学习有机地结合运用，有利于提高学生探究的积极性，增强其探究能力。数字化实验在教学中还是一个新生事物，还存在着不断发展，改善，壮大的过程。而且实验手段的数字化和高科技是整个实验领域发展的方向。数字化实验正好符合了这样的趋势，必将会在将来的发展中带来化学实验的新变革。但是当数字化实验设备到位后，当务之急是如何开发利用这套设备，而不是成为学校的摆设。要努力开发与这套设备相配套的校本教材，逐步积累、努力形成学校的特色。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）[M].北京：人民教育出版社， 2003：2

[2]魏巍.数字化实验室与中学化学实验[J].化学教育，2006（11）：50-53

[3]钱扬义，邓峰 数字化化学探究实验室的建设与学生探究能力的培养[J].中国电化教育，2006（11）： 49-52

[4] 钱扬义，陈健斌.在“数字化掌上实验室”中做科学[J].中国电化教育，2004（5）：45-48

[5] McRobbie， C.J.， & Thomas， G.P.. Epistemological and Contextual Issues in the Use of Microcomputer-Based Laboratories in a Year 11 Chemistry Classroom [J]. The Journal of Computers in Mathematics and Science Teaching， 2000，19（2）：137-160