引入数字化实验 点亮化学新课堂

摘 要 数字化实验能够把实验结果以数据形式显示出来，使实验结果更直观、精确。在“常见的碱”化学课堂教学中，利用氢氧化钠与二氧化碳反应原理设计的两个数字化实验，不仅是对传统实验的辅助和补充，还能促进学生了解先进的科学技术，培养思维能力，学会数据分析，提高探究水平，有助于提升学生化学核心素养。

关键词 初中化学 数字化实验

数字化实验系统（DIS）是由传感器、数据采集器和配套软件组成，与计算机相连接并进行定量采集和处理数据的实验技术系统。数字化实验不仅能看到一般传统实验所呈现的宏观现象，还能把实验结果以数据形式显示出来，使实验结果更直观、精确，有利于分析实验，得出结论。数字化实验在化学教学中的应用越来越多，在化学试题中也频频出现。在笔者观摩的“常见的碱”一课中，上课教师利用氢氧化鈉与二氧化碳反应原理设计的两个实验，就是用压强传感器、数据采集器和配套软件与计算机相连，把实验中变化的气体压强用波形图直观地展示给学生。以下是笔者对该课所做的总结、评析和反思，希望对致力于研究和应用数字化实验的教师有所帮助。

一、亮点一：设计数字化趣味实验，创设精彩教学情境

（一）课堂再现

“鸡蛋爬升”趣味实验[1]的实验装置如图1所示，实验现象如图2所示。

【师】演示“鸡蛋爬升”实验。

【生】兴奋、好奇——为什么鸡蛋能从管底爬升到管顶？（实验使课堂气氛活跃）

【师】组织学生小组讨论并回答：为什么鸡蛋能从管底爬升到管顶？

【生】在亚克力管内，鸡蛋上方的气体压强小于外界大气压。

【师】多媒体展示：实验结束后，亚克力管内鸡蛋上方气体压强变化波形图（见图3）。

【师】对照波形图，回顾实验过程：用注射器向亚克力管中注入少量液体并振荡后，管内鸡蛋上方的气体压强（以下简称“压强”）逐渐减小，由起始点的100.4 kPa降低到最低点的28.6 kPa。用手捏紧亚克力管最下端的胶皮管，松开弹簧夹K2，再一点一点放松亚克力管最下端的胶皮管，鸡蛋不断向上爬升。在鸡蛋向上爬升的同时“压强”也不断上升，由28.6 kPa逐渐上升到起始点的100.4 kPa，然后保持不变。此时鸡蛋也停止了上升。鸡蛋爬升运动与“压强”波形图曲线的上升同步进行。是波形图让我们看到了“压强”的变化。由于“压强”减小且小于大气压，鸡蛋就“爬升”了。

【师】同学们，你们现在肯定对“注射器中的液体是什么”感到很好奇。它就是氢氧化钠溶液。而实验开始前，亚克力管中充满的是二氧化碳气体。它们通过什么神奇的反应使鸡蛋爬升了呢？这就是我们今天要研究的课题——“常见的碱”重点探究的内容。下面我们一起来学习“常见的碱”。

【生】兴致勃勃地投入到新课学习中。

（二）教学评析

创设教学情境已经是现在课堂教学的常态。好的教学情境具有科学性、合理性、实效性，即情境安排科学、合理、有效。有效的教学情境应当如催化剂一样，使学生身心愉悦，感觉学习的过程充满乐趣，能够积极主动地迅速投入到学习中去。好的教学情境有利于激发学生的学习兴趣，提高学生课堂学习效果。

“鸡蛋爬升”数字化趣味实验就是一个有效的教学情境。“鸡蛋爬升”实验比熟悉的“喷泉实验”和“瓶吞鸡蛋”实验更能使学生感到新奇，由陌生感产生强烈的好奇——“怎么这样？”“为什么？”，强烈的好奇又引发强烈的求知欲。此时，数字化实验的“压强”波形图被恰当地展示出来。通过数据分析，学生明白了鸡蛋爬升的原因，完成了对知识的感知，并为下一步知识的迁移做了铺垫。数字化实验在此起到了画龙点睛的作用。

“鸡蛋爬升”数字化趣味实验在上课伊始便引起了学生的强烈好奇，拨动了学生求知的神经，直观的实验结果使学生透过事物的表象看到事物的本质。实验中学生产生的疑问符合杜威“五步思维法”中所说的第一步“问题”，有效地激发了学生的科学思维。并且教师在引入新课时提出的氢氧化钠和二氧化碳发生反应的问题，与新课即将学习的新知识核心内容相呼应，为后面的学习打下伏笔。

可见，这节课用“鸡蛋爬升”数字化趣味实验创设的教学情境不失为一个精彩的教学情境。

二、亮点二：分组完成数字化实验，突出重点、实破难点

（一）课堂再现

当学习到氢氧化钠的化学性质——氢氧化钠与二氧化碳反应时，教师和学生一起分析了“鸡蛋爬升”数字化实验设计的原理，并根据此原理设计了数字化探究氢氧化钠与二氧化碳反应的对比实验[2]，实验装置如图4所示。

教师指导学生进行分组实验，然后把各个小组实验结果一一展示，选取其中一个实验小组的压强波形图（见图5）展示在大屏幕上。

教师和学生一起分析讨论这个实验结果。

【师】大屏幕上压强波形图中曲线的起始部分反映的是什么？

【生】瓶内起始气压。

【师】曲线上升一点，说明气压增大一点，这是什么原因？

【生】由于注入50毫升水对瓶内气体形成挤压，导致气压增大。

【师】震荡瓶子后，曲线下降一些，说明气压减小，这又是什么原因？

【生】由于水与部分二氧化碳发生反应，使瓶内气体减少，气压减小。

【师】接着曲线又上升一点，这又是什么原因？

【生】由于注入的50毫升氢氧化钠溶液对瓶内气体形成挤压，导致气压增大。

【师】又震荡瓶子后，曲线迅速大幅度下降，这说明什么？

【生】说明大量二氧化碳与氢氧化钠溶液发生反应。

【师】前后两段下降曲线下降的幅度明显不同，形成鲜明对比，这又说明什么？

【生】说明氢氧化钠反应掉大量二氧化碳。

【师】为什么？

【生】如果二氧化碳不与氢氧化钠反应，只与水反应，那么两段曲线下降的幅度应该一样。实际上是后面一段曲线下降的幅度大很多，说明大量二氧化碳与氢氧化钠发生反应。

【师】小结：分析得很好。这个数字化实验精确、直观地验证了氢氧化钠与二氧化碳发生了反应。下面我们来书写反应方程式。

（二）教学评析

氢氧化钠与二氧化碳反应是这节课的重点和难点。人教版九年级化学教材没有单独介绍氢氧化钠与二氧化碳反应的探究方法，而是通过回忆检验二氧化碳的反应来推知氢氧化钠与二氧化碳反应，并直接书写化学反应方程式，致使学生在掌握氢氧化钠与二氧化碳反应上感到困难。为了突出这个重点和突破这个难点，针对二氧化碳通入氢氧化钠溶液中无明显反应现象的情况，教师设计了多种有明显现象的实验装置来演示氢氧化钠与二氧化碳反应的实验。常见的实验有“软塑料瓶变瘪”“气球胀大”“喷泉实验”“瓶吞鸡蛋”等，这些实验为了确证氢氧化钠与二氧化碳反应，还需做对比实验来排除水的干扰或用稀盐酸验证反应后的产物，实验过程比较繁琐，有时效果不是很理想。

这节课设计的探究氢氧化钠与二氧化碳反应的数字化实验，定量、直观地证明了氢氧化钠与二氧化碳反应，使学生有了深刻的感性认识。从课堂反馈看，学生能够较好地理解和掌握氢氧化钠与二氧化碳反应，充分体现出数字化实验的优势，它能将“无明显现象”的化学反应以数字化形式呈现出来，使实验结果更加精确，通过分析波形图及相应数据，可以培养学生分析处理数据的科学素养。

三、教学反思

“常见的碱”这节课的重点是氢氧化钠的主要性质，其中氢氧化钠与二氧化碳反应是氢氧化钠的重要化学性质;这节课的难点是探究氢氧化钠与二氧化碳的反应，体会对比的科学探究思想。这节课的两个数字化实验都是利用氢氧化钠与二氧化碳的反应原理设计的，前后呼应、相得益彰。“鸡蛋爬升”数字化實验激趣、设疑，为后面的学习做铺垫;探究氢氧化钠与二氧化碳反应的数字化实验是对比探究实验，肉眼可见气体压强波形图曲线前后变化趋势明显不同。学生通过分析，得出氢氧化钠与二氧化碳反应的重要化学性质，并体会了对比的科学探究思想。“鸡蛋爬升”数字化实验有“鸡蛋爬升”的明显现象，可以帮助判断氢氧化钠与二氧化碳发生反应，但是没有排除水的干扰。探究氢氧化钠与二氧化碳反应的数字化实验通过对比，排除水的干扰，确证氢氧化钠与二氧化碳发生了反应。学生对氢氧化钠与二氧化碳反应有了直观的感性认识。这节课引入的两个数字化实验是成功的，既突出了这节课的重点，又突破了这节课的难点。

数字化实验不断在教学实践中展示出优势，它可以将肉眼无法观察到的实验事实以数字化形式呈现出来，使实验结果更加精确，实验结果可以保存，供反复研究使用。在化学课堂教学中引入数字化实验，不仅能对传统实验进行辅助和补充，还能促进学生了解先进的科学技术，培养思维能力，学会数据分析，提高探究水平，有助于提升学生的化学核心素养。化学教师若能在课堂教学中结合具体情况设计并开展数字化实验，化学课堂就会焕发新活力，数字化实验也会成为化学课堂的新亮点。

[参 考 文 献]

[1]葛德新，施维.“鸡蛋爬升”实验[J].中小学实验与装备，2018（6）：30-31.

[2]陈继清.用DIS实验探究NaOH与CO2的反应[J].中小学实验与装备，2018（3）：15-16.

（责任编辑：赵晓梅）

作者简介：陈继清（1970—），男，江苏南通人，江苏省南通市虹桥二中一级教师，大学本科，研究方向：化学实验教学。