新高考背景下化学数字化实验的应用研究

黄俊峰

摘 要：科学技术的提高，离不开化学实验。实验在高中化学教学中尤为重要，伴随大数据信息时代的到来，数字化实验在高中化学中的应用越来越频繁，已被中学教师们作为化学课程中首选的教学资源。但是，由于数字化教学实验的运用还处在起步阶段，因此教师们必须在实验中不断创新。在课堂教学中，化学教师们应善于剖析数字化课堂教学的优点，并认真探讨数字化教学在化学课程中的运用技巧，以有效培养学生的科研实验能力，提升信息化管理水平。

关键词：高中化学;数字化实验;教学探究

在新高考背景下，化学教学模式的不断更新是提升化学教学质量的关键，化学实验也是高中化学课程的重点教学手段。怎样把数字化实验运用于化学课堂中，是化学教育必须重视的问题。在我国传统的化学教学方法中，教师灌输教育给学生的方法往往就是被动地在课堂开展化学实验，而数字化教学则为高中化学实验提供了无限的活力，怎样在高中化学教育中充分发挥数字化实验的优越性，是本文探究的重點课题[1]。

一、数字化实验的优点

在传统化学实验教学中，由于人工完成整个实验过程，出现误差甚至错误也是在所难免，因此影响了学生对知识的理解。教师们只能用语言来描述一个实验，这样会严重削弱学生的学习兴致，无法营造愉快有趣的课堂气氛。若能借助先进的数字化实验设备，利用其实际操作虚拟化和数字化的优势，从而改变传统实验的分散性，使得实验操作更加便捷，数据更加精准，效果也更加直观、清晰。还有，数字化实验设备的先进性、高效性，不仅加快了实验速度，而且实验结果也更靠谱，有效提升了学生的学习兴趣。

另外，利用数字化传感器技术的优点可替代传统实验过程不明朗、不能体现实验本质、不能定量监测的实验。比如，通过电导率测定碳酸钙溶于水的平衡移动实验、压强对化学平衡移动影响的研究、根据浊度计度测量碳酸钙饱和溶液中加入Na2CO3或CaCl2的实验案例。

二、数字化实验在高中化学的应用

数字化实验在高中化学教学的作用体现在以下几个方面：可以创设新的学习环境，能够形成新的探究工具，可以提高实验教学效率，能够实现对传统实验的优化改进。运用数字化实验教学将有利于新课程改革向纵深发展，有利于探究教学活动的开展，可以增强学生间的交流与合作，能够丰富化学实验评价的内涵，能够培养学生数图结合解决问题的能力[2]。

（一）应用数字化教学理解微观本质

在高中化学教学中，分子物理性质是人眼看不见的，因此需要充分发挥数字技术的优势，通过借助力传感器演示液体拉力实验，来比较正辛烷和水的分子间作用力大小的全过程，使学生能够清晰直观地通过实验图像观察到水的液体拉力大于正辛烷等相应的化学现象，从而加深了范德华力和氢键作用力的理解。在标准清晰的实验视频中，学生可以轻松观察物质内部的化学反应，动态体验物质的变化过程，感受化学知识之美。数字化实验方法可以解决教师和学生无法从微观上观察实验现象的困扰，从而为教学工作注入更多的活力。在讲述“相似相溶”过程时，笔者用少许洗涤剂“推开”浮在水面的五香粉的实验形式，介绍了洗涤剂是亲油基团将五香粉“拉着水”跑。在这种逼真的情境中，学生的感知器官会被调动起来。此外，笔者在演示实验时还会添加相应的旁白，以达到实验的最佳效果，有助于学生深入理解实验原理，加深对实验现象的印象，牢牢记住实验内容和结论。通过数字化实验方式，学生能够看到化学反应的内在转变过程，进而提高对有关知识点的掌握[3]。

（二）应用数字化教学增强观察效果

在化学实验中，许多实验反应速率快、具有毒性、污染性和高风险性的特点，这不能有效地让学生理解反应的实质。对于此类实验，教师可能希望使用数字化实验的教学方法。在数字化实验中，教师借助计算机、数据采集器、连接实验，通过传感器发送的数据从而取得实验本质的良好实验效果，给学生留下深刻印象，避免错误理解。标准化操作视频可以提高对学生的良好指导，规范学生的实验操作。在解释“过氧化钠的强氧化性”时，学生很难理解到反应的实质，例如过氧化钠与二氧化硫的反应，反应现象非常剧烈。学生虽然很清楚地看到整个实验过程，但实验的本质他们却不能完全理解。针对以上问题，作者采用数字演示实验，通过传感器采集三颈烧瓶氧气含量的变化，借助计算机生成曲线变化图像展示上述整个实验过程装置中氧气的量先增加后减少，加深学生对实验本质的理解。数字化实验可以通过规范学生的操作步骤和实验过程，避免操作不当造成的危险后果，达到一举两得的教学效果。

（三）应用数字化教学突破教材难点

在化学教材中，很多知识点往往都与现实生活有关。教师可以依托数字化实验，利用其实际操作虚拟化、数字化的优势，从而还原实验的整个过程，这有助于帮助学生突破教材中的困难。传统的实验方法，通过教师的教学和实验的操作过程，往往耗费大量的时间，导致关键内容最终出现时间不足。利用数字化实验过程可以节省实验时间，同时回放实验过程，使学生能够回放不理解的难点，提高学习质量，有利于教师的课堂教学。

在教学“强电解质和弱电解质”这节知识时，因为我们无法观察和触摸离子的特性，因此，这一节知识已成为高中化学课程中的一项难题。为此，作者通过数字化实验，并利用相关的实验设计，巧妙地使用了pH值数据传感器检测各种浓度醋酸溶液pH值的变化规律，然后再对数据加以收集、处理与汇总，再利用计算机软件对以前的数据进行分析。分析过程完成后，学生通过探索得出电解液对电离度影响的结论，即醋酸的加速稀释会导致弱电解液的电离度增加，随着醋酸浓度的降低，对弱电解液电离的影响会增加。通过数字化实验过程，学生可以快速完成相关实验的分析，从而得出正确的结论，最终快速突破教学难点[4]。

（四）开阔学生视野，支持课外探究

数字化实验并不一定局限于课堂，教师还应将先进的技术和设备应用到课外兴趣活动中，加强跨学科联系，开阔学生的视野，激发学生学习化学的兴趣和热情。

课外兴趣活动是课堂知识学习的有效拓展，开展数字化探索性课外兴趣活动，学生可根据自身需要和实验要求选择必要的仪器设备，开展主题式的数字化实验，并将它与传统实验的学习效果进行对比。如，根据当地土壤的特征开展主题为“乡土地理环境中土壤pH和酸雨测定”，通过引导学生探究生活中事例，复习了H2SO4、HNO3等酸雨知识，培养学生科学素养、创新精神和实践能力，提升了分析、解决实际问题的能力，促进学生的全面发展，丰富学生有益的课外兴趣活动。

三、数字化与高中化学实验的融合

（一）数字化实验技术在课程中的运用分析

实验是高中化学课的主要教学手段。但随着化学课程的不断更新与完善，传统的化学教学实验方式已不适应一些新的化学内容的教学要求，甚至出现了实验教学成效不好的问题。而数字化实验教学模式则恰恰克服了这一缺点。在数字化参与化学课堂教学的过程中，学生在传统课堂中难以掌握的化学基本原理与概念因为数字化讲授而更加简洁易懂，化学实验结果也较过去更为清晰，学生的化学认识也非常透彻。比如：在教学“酒精灯火焰温度的变化”知识时，传统的教学模式是由教师反复强调，加温时应该采用更高热的外部火苗与加温块，这只有理论知识，也沒有实验数据支撑。学生只能死记硬背，而不能真正理解。用大数据试验方法来处理上述问题要简单得多。因为我们只要求通过温度传感器来简单地计算酒精灯的内部火焰和外围火焰即可，而试验中获取的这些信息都具有高度可靠性，从而使他们能够用令人印象深刻的方法了解所学内容。由此可见，数字化试验方法彻底解决了传统化学试验手段所不能处理的问题，把化学实验能力提升到了一种全新的层次上。在大数据实验中，能够快速处理复杂问题的优点也十分突出。它能够应用于计算机技术和有关软件，正确地处理传感器在变化中所收集的大量信息。而加工过程的结果也是整个实验的重要依据，从而有助于整个化学实验流程的完成。这样，通过对复杂信息的有效处理，甚至对转换结果、拟合曲线、计算误差等复杂程序错误的有效处理，再对研究成果进行对比分析与总结，让学生在认识信息的过程中亲身感受知识生成的过程，从而极大地提高了学生的分析方法与解决问题的能力。

（二）数字化实验与传统实验结合的分析

我们应当充分发挥数字化的先进性，利用传统实验方式的合理性，但二者的结合还需要认真衡量，合理安排。学生必须能够掌握仪器的基本操作原理与应用方式，并在抽象现象中得出正确结论。二者都具有相应的优点。两种实验教学模式的有效组合，将能够发挥化学实验的功能，从而建立有效的化学课程，极大地提高了学生的实验水平和创造力。同时，在新旧教学模式相结合的化学实验中，学生也能够看到二者的互动，以及对完成化学实验任务的微妙影响，从而启发了学生自己动手实验的欲望。因此，在“制氨”的实验中，NH4Cl在和Ca（OH）2进行化学反应后，会形成气体，而本实验的主要目的是使学生体验气体的味道，并需要靠近仪器捕捉气体。但是，由于氨气有着很大的水溶性，而且只有加热才可以促进氨气的溢出，所以最好的实验效果就是学生们都会仔细观察整个实验过程，并且感受会比较深刻。这是将数字化实验方法和传统化学实验教学相结合的一种新教学模式，能够有效训练学生的思考与观察能力，从而提升学生的运算能力与推理水平。

（三）数字化实验优化手段的分析

传统的化学实验主要基于实验设备，这些硬件设施是实验成功的唯一基础，它们使实验过程具有可视性和可操作性，使学生有更多的观察和分析机会。在这个过程中，他们可以理解实验原理，发现物质规律和真理。化学实验装置同时也是硬件与软件的结合体，其中软件更新至关重要。改进化学实验手段的主要途径就是通过全面整合教学资源，进一步发挥数字化实验与立体化教学方法的优点，进一步训练学生的思维能力、动手能力及其解决问题的能力。在化学实验资源整合中，优化化学数字实验的功能可以从如下两点着手。第一，优化硬件设备是高质量实验的前提条件，而化学课程数字化实验又离不开各种实验装置的支撑。主要是计算机数据收集和管理系统，包括软件、智能接口、在线或离线的操作系统等软件;另外，我们应积极学习flash和PPT为主的多媒体教学软件。这些软硬件设备都是数字实验的必要条件。第二，基于数据的实验往往也需要大量实验资料，如教学录像、相关案例和数据光盘，以及其他收集材料的方法，比如各种学术期刊、教学计划及其他有关化学辅助技术中含有的实验数据和材料等。除此之外，我们还可以自己开发课堂教学所需要的有关化学实验材料，以及课堂教学所需要的有关化学实验过程的微视频和有关化学实验照片，而最好的方法就是可以把这些照片制作成有关化学实验动画，以充分调动学生的积极性，培养化学试验能力。同时，可以把这些生动的实验录像制作成化学实验教材，提供给孩子复习和借鉴。综上所述，现代数字化实验给高中化学教材带来了活力，它不但丰富了化学教学课堂，而且扩大了学生掌握化学的生存空间，从根本上改善了高中化学课的教学品质与效果。同时，也锻炼了学生群体的动手实验才能，提高了学生群体通过观察与解析化学事件的能力，从而极大地提高了学校化学课程的整体水准。

（四）科学定量分析，实现精准实验

对于传统实验来说，数字化实验可以更精准地做好数据处理。在传统实验教学中，因为人工完成整个实验、设备操作等客观因素影响实验现象不确定，实验数据有限，难以进行精准的分析，出现误差甚至错误也是在所难免。通过数字化实验，学生可以获得想要的任何实验数据，不会错过实验过程中的任何细节。在多次平行实验中，所有的实时感知实验数据通过传感器传输到计算机，以图像或表格的形式呈现出来，借助大数据助力我们分析，让我们有一个更为全面的了解，从中得到更准确的实验结论。只有正确的实验数据才能提高实验效果。例如：在教学《电解质溶液滴定曲线探究》这节课中，为了更精准地体现溶液pH值变化过程，先将计算机和pH测定传感器相连，将传感器的传感部分先置于烧碱中，随后再将稀释过的HCl溶液逐滴滴入烧碱中。此时，在计算机屏幕上将出现曲线，不断地显示pH的变化，学生可以很容易地从酸碱滴定过程离子浓度随pH的变化曲线图像中学习新知，并得出实验结论。

结束语

综上所述，教学模式的改革对高中化学教育具有积极意义，将直接影响教学和课堂效果。而在高中化学教育中开展数字化实验技术将发挥传统实验所不能比拟的优势，更有效地促进学生的化学学习方式的转变。另外，这也对培养高中学生的综合科研能力，训练他们在探究科研领域中的创新能力，以及培育创新意识等发挥积极的作用。因此，高中化学教师应深入探究数字化实验教学模式，以争取在教学活动中获得更科学合理的结果，并获得更完善的教学。

参考文献

[1]李金智，李莉，孙影.数字化实验在高考化学试题解析中的应用研究[J].化学教与学，2020，34（212）：235-236.

[2]傅忠.高中化学数字化实验教学研究[D].济南：山东师范大学，2012.

[3]窦学红.数字化实验系统应用于高中化学教学的方法研究[J].高考，2019（13）：39.

[4]何刚，季金杰，尹后庆.数字校园在高考新政背景下的实践应用：一项持续七年的信息化应用行动研究[J].中小学数字化教学，2019，433（12）：43-44.

惠安县教育科学“十四五”规划（第一批）立项课题“新高考模式下数字化实验教学策略的实践与研究”（HA1451—052）。