初中数字化化学实验设计、实践与辨析

杨云

[摘   要]探析数字化实验在初中化学教学中的运用，实现从定性到定量、从表象到本质、从质疑到探究的实验改进，并对数字化实验教学与传统实验教学的融合问题进行反思，旨在让化学实验更具科学性和说服力，加快新课程改革的步伐。

[关键词]初中化学;数字化实验;设计;实践;辨析

[中图分类号]    G633.8        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2020）26-0064-02

大数据时代的今天，数据与自然资源、人力资源一样已成为重要的战略资源，在当前社会发展中发挥着重要的作用。对化学教师而言，已经不需要再去讨论数字化是否要引入实验教学，而是去探索如何更好地让数字化为化学实验教学服务。本文探索数字化化学实验教学模式，尝试将九年级教材中的一些实验改为数字化实验，并进行一些反思，旨在让化学实验更具科学性和说服力，为新课程改革贡献绵薄之力。

一、更新设计，数字化下的教学模式

数字化化学实验的一次教学升级，它不仅仅是仪器和操作方法的改变，更是本质上的变革，将新课程、新理念融入其中，建立一个传统与创新并举的课堂模式。鉴于这一点，笔者所在教研组对传统实验与数字化实验进行了对比，通过集体讨论和反复实践，建立了如图1所示的数字化实验教学模式。

在传统的教学模式中，化学实验具有操作简单、现象清楚的优点，但对于较为复杂的化学实验，学生很难观测到快速变化的过程，并进行及时的读数和记录。而数字化实验教学，借用信息技术、传感技术实现了自动化测量，且能够高速度、高精度地进行数据采集，准确记录每一个实验细节，有利于学生对动态的实验数据信息进行综合、多维的分析和讨论。数字化实验教学模式并不是完全将传统的化学实验教学模式摈弃掉，而是传统与创新相结合，在学生感性认知与理性认知之间搭建一座桥梁，为学生提供更多的数据支持，带给学生的不仅仅是“验证”更是“推理”，最大限度地挖掘与推进学生的潜能和思维。这样的教学模式，开拓了师生视野，培养了学生的研究意识与创新精神，激发了学生更大的学习动力。

二、实验尝试，数字化下的课堂实践

实效决定了改革的成败。数字化实验在初中化学教学中的运用是一项实战性技术，要经得起课堂实践的检验，就要进行系统的研究，在教学细节上出新、出彩。下面结合教学实践，从三个方面进行讨论研究。

1.定性到定量，有利于实验定量处理

直观、清晰的图像能够更好地反映实验的本质，而图像需要数据作为支撑。传统实验主要靠观察实验现象来推导结论，很难对实验进行定量化处理。数字化实验引入了数字传感技术，可以采集到实验过程中的所有数据，并由计算机将这些数据进行记录并以表格和图像的形式呈现出来，使学生能够方便快捷地进行定量分析。

例如，在学习“空气的成分”时，有这样一道思考题：请你设计实验验证呼吸作用确实产生了二氧化碳气体。结合课本知识，空气中的二氧化碳约占0.03%;通过查阅相关资料，人体呼出的气体中二氧化碳约占0.4%。结合这两组数据，学生设计了一组对比实验。

实验方案：取两支试管，分别倒入少量的澄清石灰水。用洗耳球在第一支试管中鼓入空气，观察实验现象;在第二支试管中直接吹入呼出的气体，观察实现现象。如果第二支试管中的澄清石灰水变浑浊，则说明呼出的气体中含有二氧化碳气体较多。

这个实验虽然解决了问题，但却无法知道具体的数据。而引入数字化技术，就可以对此实验进行提升和改进，帮助学生从定性分析过渡到定量分析。将数据采集器连接到电脑上，设置“以时间为基准”，将传感器分别插入盛有空气、呼出气体的保鲜袋中，对空气和呼出气体中的二氧化碳进行测量，得出相关的曲线图，并进行对比分析。两条不同的曲线图，让学生清楚地看到了空气与呼出气体中二氧化碳含量的差异。这样的教学方式，实现了传统定性实验的定量化改造。

2.表象到本质，有利于实验原理研究

数据的说服力是最有效的，也是最能揭示化学本质的。在传统的教学中，有些科学概念和原理单从表象进行解释，学生很难对其进行想象和理解。数字化实验融合了学生在实验操作中的观察体验，借助DIS直观演示和数据分析技术，将各个阶段的化学变化数据进行了展示和分析，科学、客观地再现了化学本质，将学生顺利从表象感知推向本质学习，促进了学生对实验原理的深层次研究。

例如，在学习“溶液导电性”的相关知识时，有这样一个实验探究：通过实验来验证盐酸、硫酸、氢氧化钠溶液、蒸馏水和乙醇的导电性强弱。

传统实验：取五个烧杯，分别倒入盐酸、硫酸、氢氧化钠溶液、蒸馏水和乙醇，其中盐酸、硫酸、氢氧化钠溶液的体积、浓度相等。分别连接相同电压的电源和相同规格的灯泡，观察灯泡的明亮程度。

灯泡的明亮程度虽然在一定程度上说明了上述液体的导电性强弱，但有时微弱的区别会影响学生的观察，甚至还会出现与理论相违背的实验现象。而在此基礎上将其升级为数字化实验，就可以借用低压电源（安全）和灵敏电流表来实现数据的显示和记录收集。数字化改进，巧妙地将“灯泡明暗程度”的表象转变成了“真真切切的数据”本质，避免了学生通过主观现象来理解知识的经验主义倾向，使学生从感性的经验主义泥沼中跳了出来，更进一步地推进了学生对知识的理解辨析，使化学本质的探究更为客观、科学，具有说服力。

3.质疑到探究，有利于实验问题解决

“疑是思之始，思是行之端。”质疑能力的培养需要有一个释疑、解疑的探究过程，这一过程的建立才是课堂落实的关键。然而在传统化学实验中，当出现实验结果与实验预期不同的状况时，由于实验条件的限制而无法继续深入探究，这无疑会打击学生的积极性，不利于学生创新能力和实践能力的培养。而数字化实验就可以进行定量的、细致的操作分析，让数据说话，让事实说话，让课堂质疑的“意外资源”有一个更好的探究平台，把新课程理念和目标落到实处。

例如，在质量守恒定律的探究实验中，要求对“白磷燃烧前后的总质量”进行测定。

传统实验：如图2所示，连接好装置。（1）在锥形瓶的底部铺一层细沙，作用是;（2）燃烧前锥形瓶的总质量是;（3）白磷在燃烧过程中的现象是 ;（4）白磷燃烧过程中，托盘天平指针的偏转情况：                   ;（5）白磷燃烧         （“遵循”或“不遵循”）质量守恒定律，理由是            。

实验中应用的是托盘天平，灵敏度比较低，使得部分学生得出“白磷燃烧不遵循质量守恒定律”的结论。教师若对此进行口头解释，只会显得苍白无力，让人难以信服。而数字化实验就可以对此进行改进，将托盘天平换成电子天平，利用先进的科学技术使质量测量更为精确，同时也有效避免了人为读数造成的影响。通过这样的改进，让质疑拥有了生长的土壤，实现了对化学知识的精细化学习，推进了学生追求卓越的精神。

三、反思归纳，数字化下的问题辨析

1.数字化实验应用被传统实验教学拒绝的问题

數字化实验教学的出现，势必会对传统实验教学造成一定的冲击。在数字化实验教学的发展中，中考实验还停留在传统的实验框架中，较大的实验设备投入、传统的实验习惯和自我学习的惰性，都是教师排斥和拒绝数字化实验教学的理由。其实，这是对数字化实验教学认识不够的体现，缺乏一定的前瞻性。在联合国教科文组织提出的“学会求知、学会做事、学会合作、学会生存”的四大教育支柱之下，数字化实验教学已经不可拒绝。

2.数字化实验教学全盘替代传统实验教学的问题

改革并不是一种颠覆，而是一种创新性继承。数字化实验教学实质上是对传统实验的一种改良、优化与完善，数字化实验是学习化学、理解化学的工具，为学生提供一个图文并茂、人机交互、即时反馈的学习环境，旨在为师生、课堂提供更为广阔的平台，解放师生的思维，特别是要让学生的思想得到实践与深化。如果用数字化实验教学全盘替代传统实验教学，势必会让教师成为演示员，学生成为观察员，缺少了师生、生生之间的情感交流与互动合作，图像、数据就会是过眼云烟，失去了思维应有的生命力。故数字化实验教学要与传统实验教学并存，相互取长补短、相得益彰。

3.数字化实验教学与传统实验教学的融合问题

融合不是简单的加法，更不是简单的混合展示。传统实验教学大多是对化学概念、原理做一个定性的分析，更侧重于实验仪器的使用、操作的规范、现象的观察;数字化实验教学主要对实验数据进行分析，依据数据的变化趋势推导实验结论，侧重于对实验过程的探究和学生思维能力的培养。两者之间并非是矛盾和排他的，而是实验演进和优化的不同阶段。只要能够根据学生的需求适时选用，相互融合，就能达到最理想的实验教学状态，真正实现教与学的和谐统一。

总之，数字化化学实验是体现化学学科特点的必然要求，是信息技术与化学教学深度融合的重要途径，是发展学生化学学科核心素养的需要。广大化学教师应适应课程改革的需要，创造性地开发、设计和运用数字化实验，积极参加各级各类化学数字化实验成果交流，通过教育资源的有效共享促进自身专业成长。

（责任编辑 罗   艳）