数字化实验在初中化学实验教学中的应用实践

江苏省苏州太湖国家旅游度假区香山中学 张静文

一、数字化实验概述

（一）数字化实验的组成

数字化实验是以真实的实验为载体，利用传感技术进行的化学实验。在《手持技术在理科实验中的应用研究》一书中，作者钱扬义对于数字化实验的界定是：以计算机作为实验的基础，将信息技术与化学实验教学进行深度的结合。通常来说，数字化实验由硬件和软件两部分组成：硬件是指计算机、各种类型的传感器探头以及数据采集器，软件即实验数据化处理程序。目前，应用于化学实验的传感器主要包括氧气、二氧化碳、气压、溶解氧、pH、温度、电流、电压等。传感器探头将实验过程中的物理量转变为模拟信号传递给数据采集器，数据采集器再将收到的模拟信号转化为数字信号传输给计算机。计算机利用配套的应用程序进行数据的分析处理，再将收集到的数据以图像、表格、数字等方式直观地、实时地呈现在实验者眼前。本研究中采用的是远大朗威教育科技股份有限公司出品的数字化传感设备及其配套的数字化实验系统。

（二）数字化实验的优势

1.数字化实验更直观

在传统化学实验的基础上，数字化传感技术的应用使得实验数据的采集更加直接高效。在化学实验中，实验数据的采集、分析和处理是进行科学探究的重要环节。利用数字化传感技术，可以直接获得实验过程中的温度、气体浓度、pH值、电流、压强等数据。利用这些数据可以将化学变化的过程以曲线图的形式直接展现出来，学生通过曲线图可以对化学反应的变化过程有更加直观的印象。尤其是那些肉眼无法观察到的现象，例如物质溶解过程中的能量变化、溶液导电性的变化、金属与酸反应过程中温度的变化、氢氧化钠和稀盐酸反应的中和热测定等。利用数字化实验可以将上述实验中变化的物理量以图像的形式展现在学生面前，帮助学生理解化学反应原理。

2.数字化实验更准确

数字化实验的应用使得一些传统实验得到数据方面的优化，也使得实验过程中数据的采集工作变得更加简便准确。一般情况下，数字化实验采用的是计算机实时收集数据，当然实验者也可以根据需要设置数据采集的频率，手动收集数据以满足个性化的实验需求。通过这种方式采集到的数据可以有效避免人工测量带来的偶然误差，使得实验结果更准确。尤其是一些原理简单、操作复杂的定量实验，在引入了数字化化学实验后变得操作简便，省时高效，结果准确。

二、数字化实验在初中化学教学中的应用

笔者作为初三化学教师，以教育部审定的上海教育出版社出版的义务教育教科书《化学（2012 版）》上、下册为内容，进行了数字化实验的化学实验教学实践。经过一个学期的实践研究，笔者认为数字化实验在以下几个方面促进了初中化学实验教学的发展。

（一）数字化实验可以弥补传统化学实验的不足

在传统的化学实验教学中，常常因为肉眼无法观察到明显现象或者数据采集困难，导致学生理解困难和教师讲解障碍。在真实的传统实验中，引入数字化实验的相关设备，可以有效弥补上述不足。

例如，在九年级化学上册第一章第二节中“空气中氧气体积分数的测定”实验中，传统的实验是在密闭容器中利用红磷燃烧消耗氧气产生压强差，打开止水夹后烧杯中的水倒吸进入集气瓶，观察水进入集气瓶的体积推算出氧气的体积分数。用这种方式测定出的氧气体积分数误差较大，而且从实验原理的角度，当氧气浓度低于一定值时红磷就不再燃烧，无法耗尽氧气。基于课本上的传统实验，笔者引入了氧气浓度传感器，将传感器探头通过橡胶塞上的孔洞伸入，连接好数据采集器和计算机，就可以得到氧气浓度随时间变化的曲线图。学生直接观看教学一体机上的图像，便能清楚地看到氧气浓度的变化。在课本实验的基础上，笔者也做了相应的改进，将红磷换成铁粉，同时延长数据采集时间，设置数据采集的频率为一小时，将得到的曲线图和红磷对比，学生可以更加清楚直观地看到两者氧气浓度的差别。

再如活泼金属与酸的反应中，我们通常通过气泡产生的快慢来判断金属的活动性顺序。在真实的课堂实验中，由于锌和铁的活动性差别较小，通过肉眼往往难以比较两者与酸反应产生气泡的快慢。因此，学生对于金属锌和铁的活动性比较大多是根据教师的解释以及死记硬背来记住相关知识。笔者在传统实验的基础上，引入了温度传感器，利用相同时间内不同金属与酸的反应热引起的温度差异来比较金属的活动性。学生通过实时的温度与时间关系的曲线图，可以直观地看到不同曲线表示的金属，从而直接根据数据比较金属的活动性差异。通过数据分析推导出活动性差异，比之前死记硬背效果好得多。

（二）数字化实验有助于学生突破重难点

将数字化实验引入传统的化学实验教学后，由于其直观准确的数据和图像，学生更容易理解学习过程中的重点和难点。

例如，九年级化学下册第六章第一节的“探究水溶液的导电性”，传统的化学实验是将溶液连接到电路中，通过小灯泡是否发亮来判定溶液是否导电。在实际操作过程中，由于外界因素以及不同种类溶液导电能力的差异，即使是电解质溶液也常常出现小灯泡不亮的现象。由于小灯泡不亮，学生无法直观地体会到溶液的导电性增强，从而造成理解上的困难。笔者在真实的化学实验基础上，将微电流传感器探头伸入溶液中，通过数据采集器，计算机上便会呈现出电流大小的数据，学生可以直接看到电流从零到有，从而加深对溶液导电性的理解。

再如九年级下册第七章氢氧化钠和稀盐酸的反应，由于反应现象不明显，学生根本无法判断二者时间是否发生了化学反应。在传统的化学实验中，对于这一教学难点是通过指示剂颜色的变化来理解的。笔者在教学中引入了pH 传感器和温度传感器，将反应过程中的pH 值的变化和温度的变化以图像的形式展示出来，学生通过观察曲线图，认识到随着氢氧化钠中不断滴入盐酸，溶液的pH 值不断变小，溶液的温度也在不断升高。通过分析pH 值的变化，学生认识到氢氧化钠不断减少，从而判断该反应的发生。学生再分析反应过程中的温度变化，可以推断出该反应是放热反应，甚至可以直接在此实验的基础上直接进行中和热的测定，可谓是一举两得。

（三）数字化实验有助于培养学生的思维能力

证据推理是化学学科的核心素养之一。在化学实验学习中，学生通过实验现象、实验数据等证据进行推理得出实验结论。传统的化学实验中，由于一些现象肉眼难以观测，或者实验数据获得较为困难，教师往往通过告知学生结果让学生直接记忆。这样直接告诉学生结果不利于学生逻辑思维的培养，不利于学生证据推理素养的形成，不利于学生理科思维的培养。将数字化实验引入真实的化学实验教学，可以有效弥补这一不足。数字化实验系统中的传感器作为高精度的设备，可以获得更加精确的实验数据。数据采集器可以间隔很短的时间做到连续采集数据，从而获得更多的数据。将大量更精确的数据通过数据采集器传输给计算机，计算机可通过软件处理将实验数据以表格、曲线图等形式直观地展现在学生眼前。学生从获得的大量的高精度的真实数据进行推理或预判，更容易发现隐藏在背后的化学原理和化学规律。此外，在传统的化学实验中，我们常常根据实验现象提出猜想和假设，但是引入了数字化实验后，由于获得了大量的高精度数据，我们还可以针对实验数据提出问题，帮助学生扩大思考的范围，锻炼思维的广度和深度。

例如在测定空气中氧气含量的实验中，笔者设计了对比实验，将传统的红磷用铁粉代替进行实验，在常规实验的基础上引入氧气浓度传感器进行数字化实验。获得数据经由计算机以曲线图的方式呈现，学生通过对数据的分析和比较得出结论，铁粉能充分消耗氧气，更适合作为药品测定空气中的氧气含量。在得出结论的同时，同学们也发现了用红磷作为药品在实验设计原理方面的缺陷。

综上所述，信息化的洪流已势不可挡，数字化实验必将更多地进入中小学课堂。数字化实验的出现将现代信息技术与真实的化学实验相结合，弥补了传统化学实验的不足。数字化实验与传统化学实验相结合，有助于学生突破学习重难点，培养学生的思维能力。