数字化实验在高中化学教学中的应用研究

［摘 要］随着科学的进步和时代的发展，信息技术与教学活动的联系日益密切，越来越多的高中化学教师开始尝试将传统实验与数字化实验相结合，希望通过二者的优势互补，帮助学生获取更加精准的数据，以更加深刻地认识化学反应的本质。文章基于此，首先介绍了数字化实验的发展趋势，然后客观阐述了在高中化学教学中应用数字化实验的优势和弊端，最后再综合以上情况，总结出相应的解决措施和方法策略。

［关键词］数字化实验；高中化学；应用

［中图分类号］    G633.8            ［文献标识码］    A          ［文章编号］    1674-6058（2023）06-0040-03

教育信息化是大势所趋，而高中化学涉及的知识范围广阔，学生既要掌握化学反应，又要开展实验验证，对此，数字化实验无疑是“最优解”和“必选项”。数字化实验是一项综合了计算机、传感器、数据采集器以及相应的数据处理软件等智能信息处理系统的手持技术实验，简称DIS。它不仅能获得传统实验的现象，还能获取相关实验数据，从而使得实验更加具有说服力和可靠性。高中化学教师应改变传统的教学观念，结合先进的科学技术，借助仪器和设备开展数字化实验，以提高化学实验数据的精确度，从而将化学实验“透过现象看本质”的效果最大化。

一、数字化实验的发展趋势

研究表明，数字化实验可以提高学生的信息采集、获取和处理能力，能充分激发学生的学习兴趣，增强学生之间的合作与沟通。数字化实验以其强大的探究功能，在化学教学中得到了推广与应用，并发挥了巨大的作用。

《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》中提出“推进信息技术与教学融合”的理念。《普通高中化学课程标准（2017年版）》中也指出要在实验教学中积极探索现代信息技术与中学化学教学的深度融合。随着经济的发展，国家对教育的投入不断增加，越来越多的学校配备了数字化实验设备，同时数字化实验的优势也得到了一线教师的认可。随着数字化实验的普及，我们使用的教材中也开始加入一些利用手持技术进行探究的数字化实验。

二、在高中化学教学中应用数字化实验的优势

（一）数字化实验是时代的“弄潮儿”

近年来我国的科学技术发展迅猛，智能设备在教学领域更是不可或缺的角色。现在的教室基本都配备了多媒体教学系统，给教师的教学和学生的学习带来了许多便利，既丰富了教学方式，也极大地提高了教学效率。化学是一门以实验为基础的科学。传统的化学实验在化学教学中有着举足轻重的作用，但在微观层面的探究上就显得“力不从心”。数字化实验能够很好地弥补传统实验在这方面的缺陷，可以从多个维度测量和探究多种数据，如溶液的电导率、温度、溶解氧、pH值以及压强等，将这些实验过程中看不到的微观变化通过传感器等数字化实验设备以曲线或数据的形式表征出来，从而让学生更直观地认识微观层面的问题。例如，在教学离子反应时，为了让学生更好地认识离子反应的本质，教师可以设计“测定硫酸与氢氧化钡溶液反应的电导率和pH值”实验。在滴有酚酞的氢氧化钡溶液中滴加硫酸，用磁力搅拌器对溶液进行搅拌，利用手持技术测定反应过程中溶液的电导率和pH值，通过数字化实验表征出来的曲线图让微观的离子反应过程“看得见”。在实验过程中，学生既能观察到溶液的颜色变化，同时也能看到颜色变化过程中溶液的电导率和pH值的变化。

（二）数字化实验是学习的“调味料”

化学作为一门自然科学，与生活有着密不可分的联系，甚至可以毫不夸张地说，我們每时每刻都在享受着化学研究带来的成果，所以学生对化学是具有亲切感的。在目前信息技术环境的影响下，学生对数字化实验教学的接受程度普遍较高。数字化实验可以实现实验数据的可视化、数据收集的自动化，这些能够解决学生的实验操作问题。数字化实验与传统的化学实验有很大的区别，它更能吸引学生的注意力，提升学生的学习兴趣。

（三）数字化实验是安全的“保障书”

化学实验多涉及化学反应，有些反应和实验操作存在一定的安全隐患。如有些化学试剂具有一定的腐蚀性或毒性，部分化学实验需要用到明火等。如果教师或学生操作失误，就有可能遭受身体创伤，或造成财产损失。而合理使用数字化实验，对相关实验进行微型化创新改进，这些问题都能迎刃而解。因为数字化实验在降低试剂的用量的同时，可以精确获取相关实验数据，既保证了实验安全又节约了实验试剂，从根源上阻断了化学药品的威胁。

三、在高中化学教学中应用数字化实验的弊端

（一）学校“囊中羞涩”

尽管我国格外重视教育投入，进行了多项政策保护，投入了大量资金支持，但仍有部分经济发展水平落后的地区无法采购先进的数字化实验设备。况且如今物价日增，主流的数字化实验设备价格高昂，纵使学校跃跃欲试，奈何囊中羞涩，只能望而却步。当然，根据相关调查报告数据显示，我国购买数字化实验设备的学校越来越多，但是这些信息化技术设备非但没有成为“新宠”，反而成了“摆设”。究其原因在于一线教师习惯传统的教学模式，教学观念较难转变，加之教师的信息技术水平不高、数字化实验仪器操作经验匮乏、相关教学资源较少等，使得数字化实验的推广进程缓慢。

（二）学生“偷工减料”

数字化实验主要采用传感技术获取实验数据，并通过相关配套软件对数据进行分析处理，实验过程中产生的所有数据都将通过电脑自动输出，当实验结束时，结果也会公之于众，这就意味着学生全程都不需要对实验数据进行记录和运算。这虽然在一定程度上推动了实验教学的进度，但是也使学生形成了投机取巧、偷工减料的懒惰心理。因为在可以直接得到实验结果的情况下，很少有学生会去思考实验数据代表的含义，这对于学生而言何尝不是一种得不偿失。要知道在新高考中，对学生数据分析处理能力的要求越来越高，因此在数字化实验教学中一定要引导学生对实验数据进行分析，否则将对学生的数据处理、判断和计算等能力产生严重的不良影响。

四、在高中化學教学中应用数字化实验的策略

（一）在仪器设备正常运行的前提下指导学生使用

数字化实验，顾名思义就是需要借助信息化、数字化的仪器设备开展的实验活动。但是无论是何等高端的仪器设备，都会在使用过程中有所磨损，一旦“大限将至”，设备将无法提供精确的数据和正确的结果。因此，教师想要充分发挥数字化实验的作用，首要任务就是对数字化设备的保养、维护和更新加以重视，做好检查工作，在发现设备精密度出现问题时及时进行修复和调整。其次，教师必须耐心向学生介绍设备的使用注意事项和操作规范。在传统的实验教学中，学生在实际操作时往往会出现各种各样的问题，所以在数字化实验教学中，教师更需要对学生的操作进行重点培训，以提高学生的实验探究能力。不仅如此，教师自身也需要“支棱”起来，在潜意识里形成规范地使用数字化实验设备来完成实验过程、观察实验现象和完善实验细节的习惯，以身作则，引领学生进行更深层次的探索和创新。

例如，利用数字化实验探究“催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响”时，除了要提前制作实验发生装置，还要按照正确的顺序将自制的实验发生装置与氧气传感器、数据采集器和计算机连接在一起，并设置好数据采集器的采集频率等。同理，利用pH传感器测定“食醋总酸含量”时，也需要事先向学生展示磁力搅拌器、pH传感器等实验仪器的使用方法，之后再让学生进行数字化实验操作。实验结束后，要引导学生对实验中使用的pH传感器等仪器进行检查，并按要求妥善保管。

（二）结合数字化实验优化传统实验教学

数字化实验的应用并非意味着传统实验的淘汰，相反二者相辅相成、缺一不可。传统实验教学内容主要包括实验操作、观察现象、分析结果和得出结论；数字化实验教学内容则在传统实验教学内容的基础上增加了实验数据的获取、数据分析等，从而更好地证明实验结论。显然它们各有优劣，如果将这两种实验教学相结合，先进与传统、机械与人工相融合，将会产生怎样的火花？在数字化实验教学下，学生不仅能够整合资源，还能够演绎推理；在传统实验教学下，学生不仅能够察“颜”观“色”，还能够真操实练。当学生通过二者完成实验任务时，无论是动手实践能力、观察能力，还是数据的分析处理能力，都将得到巨大的提升。

例如，关于“氢氧化亚铁沉淀的制备”实验，在教学中教师与学生讨论如何制备并共同设计实验方案。最初将装有NaOH溶液的长滴管伸入FeCl2溶液中，挤出NaOH溶液，并在溶液上方加入一层植物油进行液封，但实验的效果并不理想，生成的沉淀很快就变色了。此时，教师引导学生分析并发现可能是溶液中溶解的氧带来的影响。为了探究溶解氧是否对这个实验产生影响，可以借助手持技术中的氧气传感器来测定溶液中溶解氧的含量。在传统实验中氧含量的测定一般使用的是碘量法，为了精确测定氧含量还必须配制相关的标准溶液来进行滴定，整个过程操作烦琐，耗时较长，还可能因操作不当造成较大误差。而利用手持技术，只需要一个小小的氧气传感器及相关仪器，就能够快速、精确地获取溶液中的氧含量，并且还可以测定实验过程中溶解氧的含量变化，以判断是否是溶解氧氧化了氢氧化亚铁。这是传统的化学实验无法完成的。

（三）基于数字化实验发展学生的学科核心素养

数字化实验可以实现实验过程中的数据表征成曲线，与实验现象同步可视化，从而突破传统实验仅能从宏观现象分析物质微观层面变化的难题。借助数字化实验数据曲线，学生会更加深刻地认识物质的微观变化，从而更好地发展“宏观辨析与微观探析”化学学科核心素养。例如，在“电解质”概念教学中，为了更好地让学生理解电解质的电离过程，教师设计了“测定乙醇、氯化钠等物质在水中的电导率”实验，利用这些物质逐步加入水中带来的电导率变化所表征出来的曲线，再辅以动画演示，让学生对电离过程有一个更加深入的认识。

数字化实验可以将实验中的温度、pH值、电导率或者氧气浓度等的变化过程通过数值或者曲线表征出来，这种方式可以让学生更好地认识到物质是运动和变化的。通过温度传感器测定化学反应过程中的温度变化，学生可以认识到化学反应过程中不但有新物质生成，还会伴随着能量的变化。不同的传感器可以多维度动态地展示化学变化，借此能更好地发展学生“变化观念与平衡思想”的化学学科核心素养。例如，在探究离子反应本质的教学中，通过测定氢氧化钠溶液与盐酸滴定过程中的电导率以及pH值，学生可以更好地认识到离子反应过程中离子浓度的变化，从而对离子反应的本质有一个深入的认识。

物质的研究必须建立在实验的基础之上，实验探究是学习化学的重要途径。基于数字化实验的研究性学习，可以培养学生的探究意识、问题意识和创新意识，从而发展学生的“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养。例如，关于分子间作用力这种看不见的力，如何帮助学生更好地认识不同分子的分子间作用力的大小？在教学中，教师可引导学生认识分子间作用力与物质蒸发过程中温度变化的关系，并设计实验，借助温度传感器测定物质蒸发过程中的温度变化，进而得到不同物质的温度变化与其分子间作用力大小的关系。在整个教学过程中，先引导学生发现并提出问题，再引导学生根据问题进行假设，借助数字化实验设计实验方案并实施，最后验证假设从而解决问题。

综上所述，随着社会经济和信息技术的发展，以及新课程改革的全面推进，作为一种先进的教学手段，数字化实验的研究价值越来越受到一线教师的重视，数字化实验也得到越来越多的推广应用。对此，高中化学教师应改变教学观念，借助先进的信息技术手段——数字化实验优化课堂，提升实验教学效果。目前，数字化实验在实际应用过程中仍存在一些问题，或学校“囊中羞涩”，或学生“偷工减料”，正可谓“路漫漫其修远兮”，需要教师坚持不懈地“上下求索”。如今，我国已经制定了明确的教育方针，同时拥有先进的信息技术，对于数字化实验也有越来越多的经验可以借鉴。因此，只要一线化学教师能够在仪器设备正常运行的前提下指导学生使用、结合数字化实验优化传统实验教学、基于数字化实验发展学生的学科核心素养，所有的困扰都将迎刃而解，学生的化学学科核心素养也一定会在数字化实验技术的加持下得到提升。

［   参   考   文   献   ］

［1］  徐凤.高中化学数字化实验教学的几点思考［J］.中学课程辅导，2022（16）：15-17.

［2］  伍娟，傅铁军.信息技术视域下高中化学数字化实验的实施探究［J］.知识文库，2022（5）：169-171.

［3］  曾永裕.教育信息化背景下的高中化学数字化实验教学［J］.中学教学参考，2021（29）：68-69.

［4］  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.

［5］  裴传友，马善恒，杨芹.中学化学数字化实验的发展与应用［J］.化学教学.2020（2）：56-60

［6］  中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.

（责任编辑    罗    艳）