数字实验对初中化学教与学的影响

刘亮荣

摘要：传统实验在学生获取直观的感性知识、激发兴趣、培养实验技能方面有着不可替代的作用。但教师在传统实验教学实践中经常遇到一些问题。数字化技术和虚拟实验应用于初中化学课堂教学中，能把深奥的理科知识以直观的数据和图像的形式表达出来，变抽象为具体，化静态为动态。它的使用能有效地缩短学习时间，提高教学质量和教学效率，实现最优化的教学目标。

关键词：数字实验 化学教学 实验案例 教学影响

随着科学技术的不断发展和现代教育技术和多媒体的应用，大量CAI（计算机辅助教学）课件进入课堂，教育信息化成为教育改革的必由之路。作为学校教育重要组成部分的化学教育，必然要适应新形势，教师需要研究如何将现代教育技术有机地整合到中学化学教学中，采取丰富多彩的教学方式，以发挥现代教育技术的巨大优越性。

基础教育课程改革制定的全日制义务教育化学课程标准，从学生整体发展的角度出发提出了“面向全体学生、提高学生科学素养、倡导探究性学习”三个理念。如何在教学实践中引导学生在主动参与中学习，在探究科学问题的过程中获取知识，模仿科学家的思维方法，学会科学研究的各种技能，培养科学观念和科学精神，是值得积极实践和研究的。

一、传统初中化学实验的不足

化学是一门以实验为基础的学科，教师通过实验（演示实验、课外小实验、学生探究实验等）教学来帮助学生了解实验现象，掌握实验规律及事物发展变化过程。传统实验在培养学生获取直观的感性认识、激发兴趣、培养实验技能方面有不可替代的作用。但教师在教学实践中经常遇到一些问题：一是不能让每个学生都能准确地观察到实验现象;二是有些实验现象往往稍纵即逝，可重复性差，学生不能抓住其特点和要点;三是实验所观察到的现象往往只是一些宏观的、表面的现象，而实验过程中的微观变化无法看到，学生难以根据实验现象掌握实验原理和规律，“原理—實验—（新的）原理”实践过程难以有效开展。

二、现代实验技术优势明显

现代实验技术主要包括虚拟实验和数字实验两类。数字实验是以计算机为主的实验手段，包括“数据采集系统”和“手持系统”等，这些研究主要侧重于数字化技术在课堂教学和科学探究活动中的应用。虚拟实验和数字实验应用于初中化学课堂教学中，能把深奥的理科知识以直观的数据和图像的形式表达出来，变抽象为具体，化静态为动态，逼真地模拟实验过程中宏观变化中的微观变化，变微观为宏观，让学生观察、体验、感受事物发展过程中的微观变化。同时，现代实验技术具有较好的重复性，能够把实验教学中难以描述、难以突破的难点、重点等生动形象地表现出来，激发学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性，强化学生对实验知识的记忆和理解;可以有效地突破学生学习的时间和空间的限制，帮助学生理解科学概念，提高科学探究能力，还能让学生体验到现代前沿科技的魅力，激发学生科学探究的兴趣。它的使用能有效地缩短学习时间，提高教学质量和教学效率，实现最优化的教学目标。

三、生动、完美的数字曲线，让抽象化学实验更加直观

【案例】“烧不着的火柴头”的探究。

【问题的提出】将剪断的火柴头置于酒精灯灯芯上，点燃酒精灯，发现灯芯上的火柴头居然没烧着！这是什么原因呢？

【猜想与假设】按照之前所学的物质燃烧的条件，物质燃烧必须同时具备三个条件：①可燃物;②温度达到着火点;③氧气。因此，可以提出以下两种猜想：①灯芯与焰心交界处温度低于火柴头的着火点;②灯芯与焰心交界处氧气浓度太低，不支持火柴头的燃烧。那么火柴头烧不着的原因究竟是什么呢？传统化学实验根本无法解决此问题，这时就要用到数字实验。

【查阅资料】①火柴头主要由氧化剂（KClO3）、易燃物（如硫等）和黏合剂等组成，火柴头的着火点应该在250 ℃左右。②火柴头在氧气浓度低于10%的气体中不能燃烧。

【实验验证1】为了验证猜想①，利用高温传感器测定酒精灯灯芯和焰心交界处的温度（如图1所示），得到的数据如下：

【实验验证2】为了验证猜想②，用注射器抽取酒精灯灯芯和焰心交界处的气体（如图2所示），并利用氧气传感器测量氧气的体积分数（如图3所示），得到的数据如下：

【结论2】灯芯与焰心交界处氧气浓度太低，不足以支持火柴头燃烧。

由此可见，传统实验无法得到明确结论的实验探究，通过数字实验测定出的准确数据，让结果一目了然，这就是数字实验不可替代的优势。

四、数字实验对教与学的影响

（一）数字实验对“教”的影响

1.化学老师教学中的教研意识明显增强

我校化学老师三年来利用各种传感器和数据采集器进行数字实验探索，积累了很多实验案例，通过数字实验的开展对传统实验存在的不足进行了剖析，让学生更全面地理解化学实验的实质。教研组内部定期进行现代实验技术的学习与培训，间周的教研活动都要开展现代实验技术应用心得交流，组内教研氛围明显活跃，教师的教研意识明显增强。

2.全面提升教师素质，促进教师专业化成长

数字实验的实践和探索有效提升了教师学习能力、课堂教学能力、反思能力和指导学生开展课外科学探究的能力等综合素养，大家不仅学会了材料收集、电子文档分类整理、材料整理编辑的方法，还结集编印了数字实验的教学反思校本教材和论文等。

（二）数字实验对“学”的影响

1.数字实验的图像显示功能、过程回放功能促进了学生对实验过程的深度理解

在实验中，实时、动态、直观的数据图像向学生显示了翔实的实验进程，化隐为显、由点到过程，“曲线宏观微观符号思维表征”辅助他们进行观察、思考。数字实验强大的存储功能，可以长时间记录实验数据，回放功能给学生提供了回顾实验过程、反思实验现象的机会。在学生进行数字实验的过程中，学生的认知活动从完成基本实验操作开始，而随着实验图像的生成，学生的思考逐渐由浅层次走向深层次。

2.数字实验能够提高学生的学习积极性

通过课堂观察和对视频、音频文件的分析可以看出，在数字实验活动中学生的思维非常活跃，参与积极性非常高。探究学习方式很大程度上依赖于学生对图形数据的分析和处理，随着实验的进行，学生的图形推理能力得到了很大的提高。当预测曲线与手持技术实时呈现的曲线不一致时，这会给学生带来一定的认知冲突，当现有的概念无法解决这个认知冲突时，学生产生了对已有知识结构的不满，并迫切需要构建新的知识结构。

3.数字实验能够推动学生多方面发展，化学科学素养提升与价值观初步形成

现代实验技术的应用，开阔了学生的视野，使学生分析问题、解决问题的能力得到了提高。在充满科技性、探究性的教学活动中，学生学习兴趣明显提高，快速学会探究性学习的一般环节、过程和方法，在通过一个个问题的探究分析、归纳和总结来构建知识的过程中，学会了自己去学习、去观察、去实验、去创新。这为今后学生步入社会后解决具体问题的能力打下重要基础，培养了科学探索精神。

五、对培养学生实验认知能力的启示

通过课堂观察，对音频、视频文件进行分析，以及访谈等手段，我们了解到学生實验认知的一些基本情况，加深了对实验认知能力影响因素的认识，发现了学生实验过程中存在的一些问题。这些研究结果对于改进理科实验教学，提高初中理科实验教学的质量有一定的帮助，同时在提升理科老师对初中化学实验教学的认识方面也起到了一定的推动作用。

在传统的实验活动及教学中，教师一贯偏重对书本知识的直观验证而很少给学生提供实验的机会，让他们自己完成实验;过分强调基本实验操作的训练，忽略了这些基本实验操作在实际实验中的应用;过分强调实验过程的给定性和实验结果的确定性，忽略了实验过程的动态多样性、结果的开放性以及实验作为一种探究活动和研究方法的基本性质。

在传统的实验课上，学生没有机会也没有必要进行实验设计，所做的实验几乎都是无障碍实验，所以学生的实验认知能力得不到开发。学生在实验过程中发现问题、分析问题、提出新的实验方案的能力得不到锻炼和提高，更谈不上提高实验认知能力。

鉴于以上讨论，研究者认为应该让学生的实验认知能力在真实的实验活动过程中得到锻炼和发展。这是提高学生实验认知能力的最佳途径之一。实践证明，这也是深受学生喜欢和欢迎的。为了提高学生的实验认知能力，应重视培养学生分析问题的能力、实验设计的能力，同时也应该培养学生的科学精神和科学态度。认真思考和对待上述问题，积极进行改革和探索，从改变教与学的方式入手，真正改善中学化学实验教学的现状。

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