浅谈数字化实验在中学化学教学中的应用

孙毅男

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。本文介绍了数字化实验的界定及其构成、数字化实验在中学化学教学中的应用举例，分析了数字化实验应用在中学化学教学中的意义，以期更好地提升学生化学核心素养。

关键词：中学化学  数字化实验  大数据

当今时代是一个移动互联网加速发展的时代，在互联网技术渗透到生活方方面面的同时，也产生了大量的数据。从海量数据中提取有价值的数据并有效利用，使其作为人们分析问题、解决问题的重要依据。大数据正在改变着我们的生活，教育领域也同样离不开大数据。化学是一门以实验为基础的学科，当大数据的信息技术与化学实验相融合时，传统的化学实验发生了新的变革，这其中脱颖而出的便是数字化实验。

一、数字化实验的界定及其构成

数字化（Digital Information System）实验，也称传感器实验、DIS实验、手持技术等，其主要构成为传感器、数据采集器、计算机及处理软件等。物理量通过传感器转换为电信号，电信号被采集器处理后传输至计算机，计算机及软件对数据信息进行分析、记录和图像的呈现。

常见的传感器有压强传感器、温度传感器、pH值传感器、电导率传感器、离子传感器、二氧化碳等气体传感器、滴数传感器等。传感器能实时动态地测量压强、温度等物理量，且同一个实验中可多个传感器联用。尤其在复杂实验中，可同时得到几组数据，有效提高了实验效率。

数字化实验操作手段简单，可实时监测实验过程并采集实验数据，通过软件处理将采集的大数据转化为图表等可视化的形式。其先进的数据处理技术，可对数据和图表进行深层次分析，有助于深入探索和挖掘实验现象背后的本质。

二、数字化实验在中学化学教学中的应用举例

在中学化学教学中，实验占有极为重要的地位。化学实验有助于激发学生的学习兴趣，帮助其理解化学知识，启发科学思维，锻炼自主学习和动手能力，培养学科核心素养。新课程标准中明确提出，教材中应适当增加微型实验、数字化实验等探究活动，鼓励教师将大数据分析等技术引入到化学教学中，推动现代信息技术与中学化学实验的深度融合。

借助传感器能够多个联用的特点，在许多实验中，可同时使用几种类型的传感器来获得几组数据。接下来将从“同一实验，多个传感器”“一个传感器，多个实验”两个维度阐述数字化实验在中学化学教学中的应用。

（一）同一实验，多个传感器

1.空气中氧气含量的测定——红磷燃烧实验

九年级化学“空气中氧气含量测定”在进行红磷燃烧的传统实验时，常常不能准确收集到五分之一集气瓶的水，使实验结果不够精确，气体压强变化的反应原理也是学生学习的难点。

李凯等利用压强传感器测得红磷燃烧前后集气瓶内的压强变化情况，进而计算出空气中氧气的含量。当氧气含量降到一定值时，燃烧的红磷会熄灭，因此可联用氧气传感器测定集气瓶中的氧气剩余量。手持技术的引入，提高了实验的成功率和精确度，得到的数据曲线让实验过程变得可视化，帮助学生更好地理解反应原理。

2.酸碱中和滴定实验

高中化学中的酸碱中和滴定终点的判定，一般只介绍指示剂滴定的方法。利用观察指示剂变色的方法来判定滴定终点，不仅误差较大，而且无法观察反应过程中pH值的变化，学生对滴定终点的认识可能仅停留在表面。

由于化学反应不仅在物质上发生变化，能量上亦发生改变，因此除了采用pH值传感器确定滴定终点的方法外，还可利用其他传感器。李新义等借助温度传感器、电导率传感器、滴数传感器来确定滴定终点。一方面，由温度变化曲线上最高温度所对应的标准液的体积，能够找到滴定终点。另一方面，反应过程中发生了离子种类的变化，溶液的电导率也发生变化，故采用电导滴定法找到曲线上电导率的最低点对应的标准液的体积，也是确定滴定终点的一种方法。

3.影响化学反应速率的因素——过氧化氢分解实验

过氧化氢分解实验是中学化学阶段重要的实验之一。在初中学段，作为常见的制取氧气的方法之一，该实验的教学功能为认识催化剂及分解反应的特点，高中学段则利用该实验探究化学反应速率的影响因素及开展一些探究实验。

庞玉玺等将温度传感器、压强传感器分别插入到三颈烧瓶的瓶口，装有过氧化氢的恒压漏斗放置在另一瓶口。在同一水浴温度下，逐滴滴入不同浓度的过氧化氢。以传感器测定反应过程中温度、压强的变化，来说明浓度对化学反应速率的影响。

（二）一种传感器，多个实验

1.温度传感器

比如探究火焰的温度、晶体的熔点等实验，传统实验未能精确获得实验数据，采用高温传感器就可以直接解决这一问题。此外，像金属的氧化反应、酸碱中和反应等常见放热反应，传统教学中常常通过让学生触摸或温度计测量的方式来了解反应温度变化，但这种方式往往无法照顾到全体学生，弱化了部分学生的学习体验。将手持技术与传统实验相结合，用温度传感器測定反应过程中的实时温度，再让学生触摸反应容器。这种教学方法放大了实验现象，得到的温度曲线使反应温度变化更加直观形象，也便于对实验进行定量研究。

2.压强传感器

中学化学实验中凡涉及以压强变化来反映实验本质的，一般都可以引入压强传感器。如上文提到的红磷燃烧实验，以压强传感器测定集气瓶反应前后的压强变化;过氧化氢分解反应通过联用压强传感器与温度传感器，说明浓度对反应速率的影响;光照条件下CH4和Cl2的混合气体倒扣在食盐水中，采用压强传感器实时监测取代反应的发生;通过对比压强传感器采集的数据曲线，比较Na2CO3和NaHCO3与盐酸反应的速率;等等。

三、数字化实验应用在中学化学实验教学中的意义

数字化实验作为信息技术与化学教学融合的新途径，具有测量呈现实时化、实验手段数字化、现象规律可视化等特点。将数字化实验应用在中学化学教学中，有助于创新实验手段，改进教学方法，提升教学效果。

对教师而言，数字化实验与化学教学的融合，使教学模式更加多样化，也拓展了实验教学的深度与广度。在大数据背景下，教师将新颖先进的信息化元素应用在教学中，在促进传统教学向智慧化教学转变的同时，也能够促进教师的信息化素养和教科研能力的发展。

对学生而言，数字化实验能将那些化学反应中细微的、不易观察的变化通过对图像及数据的曲线拟合、对比及分析处理，更加直观地呈现，进一步对实验的本质做更深层次的挖掘，最终使原本难以理解的化学知识变得不再抽象，使定性实验向定量实验转化。对实验的设计、数据图像的分析和处理等环节，也增强了学生的自主学习能力。数字化实验的引入，不仅丰富了学生的课程体验，还有利于开发学生的科学思维能力，培养他们的核心素养。

结语

大数据时代已经来临，现代化的信息技术正逐渐融入教育教学中，数字化实验为中学化学教学提供了一种新的模式，如何有效地利用数字化技术优化课堂教学，培养学生核心素养，最终达到育人目的，值得我们今后思考和探索。

参考文献：

[1]李凯，鲍正荣.基于手持技术测定空气中氧气含量[J].中小学实验与装备，2012（1）：2223.

[2]李新义，高建伟.手持技术在酸碱中和滴定终点判定中的应用[J].化学教学，2013（6）：4547.

[3]庞玉玺，汪嵘.运用手持技术探究浓度对化学反应速率的影响——衔接初高中的过氧化氢分解实验探讨[J].实验教学与仪器，2016（7/8）：5860.