中学化学数字化实验的新趋势

徐睿

摘要：从数字化实验接口设备单向到双向、传感器专业化到大众化、数据传输有线到无线、实验控制网络化与智能化的发展现状出发，分析中学化学数字化实验多元化使用外围设备、自动化、远程化的发展趋势，进而指出中学化学数字化实验教学值得深入探索的若干发展方向。

关键词：数字化实验; 远程实验; 中学化学

文章编号：1005-6629（2020）09-0031-06

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

上世纪90年代末，随着带编程和绘图功能的图形计算器（Graphing Calculator）开始在我国中学数学学科得到应用，作为图形计算器“外围设备”的接口设备及系列传感器也开始进入到自然科学学习领域的相关学科中，中学化学学科也是其中之一。传感器的应用及实验数据的数字化采集和处理，使中学化学实验迈进了数字化时代，在促进认知、丰富探究手段、拓宽认知领域等方面，都发挥了独特的教学功能。

经过20多年的探索，数字化实验设备和数字化实验的应用都在不断发展。传感器的种类越来越丰富;数据处理器也逐步多元化，除了图形计算器，还有计算机、Pad和手机等，使用户可以综合考虑功能、便携和成本等各方面因素进行灵活选择。教学应用的普及程度也不断提升，越来越多的学生有机会应用数字化设备来探究和创新。近年来，随着物联网、人工智能等技术的飞速发展以及STEM、 STEAM教育理念的普及，中学化学数字化实验又迎来了新的发展机遇。

1 数字化实验软硬件的发展现状

1.1 接口设备从单向到双向

接口设备（Interface）是连接数据处理器和传感器的“中介”，有的接口设备还带有触摸式的屏幕，兼具一定的数据处理功能。在传统的数字化实验中，接口设备负责将传感器采集到的信息转化为计算机或手持设备上的软件能够识别和处理的数据，这是一个“传感器→接口设备→数据处理器”的单向传递过程。在实验过程中，我们通过pH、电导率、色度、浊度、电流、电压、温度、二氧化碳浓度、溶解氧等各种类型的传感器收集实验数据，并将其通过接口设备传送到数据处理器中，通过相关的配套软件，实现数据的分析处理以及图形的绘制等功能。

近几年，部分厂商推出了新的接口设备或其扩展设备，实现了数据传递的双向化，即还可以实现“数据处理器→接口设备→外围设备”的信息传送。例如德州仪器公司的创新者系统（TiInnovator Hub）（如图1所示）和威尼尔公司的数字化控制单元（Digital Control Unit）（如图2所示）。于是，数字化实验不再仅仅停留在获取数据，而可以输出一定的信号，来控制马达、扬声器、LED、数位显示管等外围设备。数字化实验从“输入”发展为一个“输入”和“输出”结合互动的过程，丰富了其教学应用的场景。

“双向”的数字化实验往往可以通过编程实现对输入数据的判断、分析、呈现，并进一步根据条件自动输出控制的指令，用来驱动外围设备，从而丰富实验结果的呈现形式或实现实验条件的自动控制。

1.2 传感器从专业化到大众化

传统的数字化实验接口设备，往往只能兼容厂商自家或者有合作关系的厂商的传感器，例如Pasco的接口设备只能使用Pasco的传感器，TI的接口设备只可以接驳TI的传感器和Vernier的传感器。新涌现的一些“双向”的接口设备除了支持自己品牌的传感器，还可以兼容很多符合一定通用技術规范的第三方传感器。这些兼容的第三方设备，尽管精度可能不及品牌的专业化传感器，但是对于满足中学阶段的教学需求还是绰绰有余的。而且这些大众化的传感器还具有如下的特点：

（1） 小型。这些设备与传统的定量实验仪器或传统的传感器相比，体积显然小很多（如图3所示）。一般都是模块化设计，具有统一规范的接口，在连接时只要进行简单的插拔即可。

（2） 集成。有些传感器能够集成多种功能，通过一个传感器同时采集多个物理量。例如图4中的空气质量传感器，尽管体积不大，但却可以同时测量PM2.5、甲醛、温度、湿度四个量。

（3） 兼容。这些传感器的兼容性往往比较好，可以匹配不同品牌的接口设备，有的还可用于接驳机器人教学的相关硬件。硬件兼容性的提高，有利于其跨学科的使用，不仅为学生创造了更广阔的技术应用场景，也降低了技术学习时间的占比，提高了教学效率。

（4） 价廉。第三方传感器的价格一般只有专业品牌传感器的十分之一左右，有利于在各类学校普及配备。由于成本低，即使在使用中有损耗，学校也可以承受，更加适合学生使用。

1.3 数据传输从有线到无线

传统的传感器一般都是通过线缆将数据信号传输到接口设备，这往往会给数字化实验带来一些问题：

●会造成实验装置和电脑、接口设备等离得比较近，不利于干湿分离，容易造成电子设备的损坏;

●如果装置中有加热设备，线缆的存在会有一定的安全隐患;

●在使用多传感器同时测量的时候，线缆的存在会严重影响实验操作的便利性;●由于线缆的存在，造成实验体系并不独立，有些量就无法准确测量。

随着无线传感器的出现，这些问题都能得到很好的解决。目前市场上的无线传感器主要通过蓝牙技术实现无线连接，在传感器和接口设备上都有无线模块的存在（如图5所示），实现数据的无线传送。在移动端app的支持下，传感器获取的数据也可以通过蓝牙直接传送给手机等移动设备，并在移动设备上进行数据的分析处理。

图6是一套自动滴定的装置，与以往常见的采用滴数计获取标准液用量的方法不同，这套装置采用了重量法。其中无线pH传感器的应用，摆脱了线缆对称量的影响，使烧杯的体系成为独立的可准确称量的对象，也使自动滴定又增添了一种可行的方案。

1.4 实验控制的网络化与智能化

随着近年来智能化物联网的不断发展，很多智能设备走进了日常生活，常见的有温度传感器、湿度传感器、光强度传感器、天然气报警器、烟雾报警器、人体感应器、智能插座、智能摄像机、智能灯泡等。尽管精度可能不如专业的传感器或控制设备，但能接入互联网的特点使这些硬件的使用、控制和管理更加便捷，在化学实验中具有广泛的应用场景，例如：测量实验变量、控制实验条件、保障实验安全、开展远程实验和长周期实验观察与记录等。通过配套的app，还可以设置各种逻辑条件，使实验的开展更加自动化和智能化。

2 数字化实验的发展趋势

2.1 传感器等外围设备使用的多元化

随着数字化实验设备的普及和发展，所使用的传感器种类也越来越多，例如经常可以看到有教师在实验中使用氧气、二氧化碳、溶解氧等传感器，有的教师还使用了离子选择性电极。传感器使用的多元化，有利于在教学中打开学生的设计思路，鼓励多元方案的形成，例如中和滴定实验，除了可以使用pH传感器，还可以使用电导率、温度、颜色识别等传感器来对滴定终点进行研究。

“双向”化是数字化实验发展的一个重要趋势，除了使用传感器来获取、输入信息，实验中还会涉及数字化信息的输出，输出的信息常以电、光、声等形式表现出来。电的输出可以用来驱动马达，形成机械运动，例如用马达来旋转滴定管的活塞;电的输出还可以用来加热、产生磁场等，从而实现对实验条件、实验操作等的主动控制。光的输出不仅表现为是否发光，还可以在强度、颜色等方面有所变化。同样，声的输出也可以在是否发声、音量高低、声音频率等方面有所变化。

输入、输出设备的联用使数字化实验的应用场景得到进一步拓宽。例如，有教师在研究弱电解质的电离平衡移动的实验中，利用“双向”的外围设备将pH、电导率等传感器获取的信息转换为音乐的音调高低，使学生可以通过听觉来获取实验信息，拓展了实验观察的感官，也使教学更加趣味化，促进了科学与人文艺术的融合。

2.2 化学实验的自动化

在只有输入的单向数字化实验系统中，尽管数据处理器具有自动记录、处理从传感器获取的数据的功能，但是其只能以数字、表格、图像等形式呈现结果，而无法输出动作，实验条件的控制还得实验者手动才能完成，例如关闭活塞、升高加热温度等。在使用了“双向”的接口设备以后，这些输出的动作就可以在程序的控制下通过相应的外围设备来完成，如马达的旋转、电加热的启动等。在程序中可以自由设定各种逻辑条件，只有满足特定的条件，才执行相应的动作，并且可调整的动作参数不仅仅是“开”和“关”，还可以是强度、速度等。

在配制一定pH醋酸溶液的实验中，实现自动化的原理如图7所示。

化学实验的自动化与培养学生的基本实验技能并不矛盾，信息化支持下的实验技能也是实验技能的重要组成部分，在学生掌握必要的传统实验技能后，实验的信息化和自动化可以让实验更加精确、迅捷、高效，也可以挖掘出更多的育人价值。我们在教学中可以把学生从简单、机械重复的实验操作中解放出来，把节省下来的时间用于引导学生查找资料、深入思考、全面设计，并应用各种实验手段解决复杂、真实的问题。

2.3 化学实验的远程化

在智能化物联网等软硬件环境的支持下，化学实验的远程化成为可能，一般可以远程实现以下功能：（1）物料的添加或移除;（2）实验条件的控制，如反应温度的控制;（3）实验现象观察与实录;（4）数据传送和分析处理等。远程化学实验并不等同于虚拟化学实验，它借助的還是真实的仪器、试剂、设备，和现场实验一样具有不确定性，在实验现象和实验数据获取方面能带给学生真实的实验感受，只不过操作上要借助有关设备远程实现。因此，远程化学实验仍然是真实的科学实验。

远程化学实验打破了时间和空间的限制，无论何时何地，学生都可以通过网络开展实验活动。由此，远程实验使实验室资源得到更加充分的利用[1]。远程化学实验使学生的学习环境更加安全、环保，还能方便地实现24小时全天候的实验观察和记录。例如，制备硫酸铜晶体的实验需要较长的实验周期，期间也需要学生不断进行观察和记录，利用网络摄像头，学生可以随时观察晶体的生长情况，学生也可以利用系统的延时摄影等功能，自动记录整个晶体形成的过程并进行在线展示。

在网络化的远程实验环境下，学生还可以方便地开展合作与交流，实验过程和成果也容易实现及时共享，这些都有效提高了学习效率。

在2020年新冠疫情背景下的在线教学中，学生缺少动手实验的机会是一个普遍存在的问题，研究和开发系列远程化学实验是弥补这一短板的有效手段。

3 数字化实验教学的发展方向

3.1 解决生活实践中的真实问题

数字化实验手段的日益丰富，拓展了学生开展探究和解决问题的手段，有利于教师在教学中引导学生发现生活中的真实问题，建立问题解决的模型，并借助相关的技术通过实践活动加以解决。一个好的能够借助数字化实验解决的问题一般具有以下的特点：（1）问题来源于现实生活，真实存在，最好学生有相关经历或感受;（2）问题的解决需要数据的实证支持;（3）对学生来说问题的解决具有一定的开放性和不确定性，对教师来说可以提供大量的资源;（4）问题的解决需要遵循一定的流程和规范;（5）问题解决的方案能在实际生活中应用，为社会服务。

例如：为解决温室中植物生长环境的智能化调节，有学生利用“双向”的数字化实验设备，设计了如图8所示的方案，以大号透明塑料储物盒为材料，搭建了“智能温室”模型。

3.2 实现跨学科的教学目标

有机整合“科学与工程实践”“跨学科概念”“学科核心知识”这三个维度[2]已经成为科学教育的重要发展趋势，数字化实验的运用，有助于将数学、物理、生物、信息、劳技、艺术等学科的知识紧密结合，有效促进学生跨学科知识的综合应用，是STEM或STEAM教学的重要抓手。

“培养学生运用软件技术学习化学及处理数据的能力”[3]是信息化时代化学教学必须关注的问题，教师要引导学生充分认识技术应用在问题解决中的重要作用，能找准技术的特点和问题解决的需求之间的结合点，充分发挥技术的长处来解决问题。能在问题解决的过程中，根据问题解决的需要，学习和应用一定的新技术。有些国家将“10分钟编程”整合在科学课程的教学中，就是技术服务于学科问题解决的典型案例。

3.3 提供更多实践与体验的机会

在技术的支持下，学生探究的时间和空间得到拓展，探究的角度更加多样，探究的内容更加丰富，这是学生学习过程中获取直接经验的宝贵机会。教师在教学中应让学生能在一定的目标引导下开展有针对性的实践活动，通过操作、观察等行为获得直观体验，在实践和体验的过程中将动手和动脑紧密结合、互相促进。教师要引导学生加强思考，减少動手实践的盲目性;教师也要让学生能够充分基于实践过程中获得的证据开展思考，使实践活动成为进一步深入思考和解决真实问题的前提条件。

3.4 促进学生综合学习能力的提升

数字化的实验环境对学生自学能力和科学探究能力等提出了更高的要求，具体表现在学习新技术、资料查找、方案设计、数据处理、交流合作等各个方面。学生要能尝试用多种方案解决真实问题，能比较不同方案的优缺点，提出自己独特的问题解决方案。能在问题解决过程中大胆质疑，正确面对挫折和失败。数字化实验创设的学习环境，可以使学生的综合学习能力得到锻炼和提升，也有利于促进科学态度和创新意识的培养。

3.5 建设更加灵活多样的数字化实验课程

在常规的必修课程中开展数字化实验，数字化实验常以“点状”分布在整个教学过程中，数字化实验教学功能的整体发挥往往受到一定的限制，建设更加灵活的数字化实验课程是解决此问题的有效途径。

教师可以以主题活动为基本单位，开发短周期（一般为4～6课时）的课程。这些课程一般以数字化实验为主线，或帮助学生形成新的知识，或解决一个实际问题。有的课程可作为必修课程的一部分，有的则作为选修课程。

课程的呈现方式可以打破传统的纸质教材形式，采用网络平台或者app作为课程的载体，提供丰富的课程内容、媒体资源和交流渠道，学生主要通过信息化环境下的自主学习为实践活动做好充分的准备。

教师在课程的实施过程中，在信息化平台上为学生准备学习资源、提出学习任务、参与学习交流。教师还需要在环境、仪器、药品等各方面为学生的实践活动做好线下的保障工作，在学生的探索过程中及时进行针对性的指导，并保证学生整个实践和体验过程的安全。短周期、网络化、自助式的特点使此类课程的实施更加灵活和方便，也会使其更具生命力。

参考文献：

[1]曾东波. 校园远程网络实验室的设计与实现[J]. 物联网技术， 2015， （9）：102.

[2]Committee on Conceptual Framework for the New K-12 Science Education Standards; National Research Council. A Framework for K-12 Science Education：Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas [M]. Washington， D.C.：The National Academies Press， 2012.

[3]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S]. 北京：人民教育出版社， 2020：84.