让数字化实验技术点亮中学化学课堂

田蓓

数字化实验是指以真实实验为基础，通过各种传感器替代部分传统的仪表，将采集的实验数据交给计算机处理，能够更加清晰、明确地呈现实验现象，揭示实验规律的实验手段。应用数字化实验技术可以帮助教师解决一些现象不明显、不直观、操作难度较大或计算复杂的一些实验，但大部分教师只是将其用于公开课和赛教中，数字化实验技术还处于“展示”和“应景”状态。其实，导致数字化实验研究热而应用冷的因素有很多，主要原因是教师对传感器测量操作不熟练，觉得传感器使用不方便所致。为了推进数字化实验技术在化学课堂教学中的运用，笔者从整合装备搭建两个好用的数字化实验平台、根据教学目的选择适合运用数字化技术的实验两个方面进行了分析，并分享了一些成功的数字化实验技术运用案例，供一线教师借鉴。

一、整合装备搭建两个好用的数字化实验平台

在中学化学教学过程中应用数字化实验技术时，教师应积极整合现有的教学装备，搭建两个好用的实验平台（如图1所示）。

以朗威品牌为例，如果师生使用的是8.0以下版本的传感器，安装对应软件后要再安装一个补丁才能正常使用。我校于2015年购买了朗威6.5版本的传感器，现在还能正常使用。如果使用中遇到了问题，师生只需关注所购数字化实验装备品牌微信公众号，进入官网下载补丁就可以在电子白板上正常使用了，不会操作的还可以在官网上观看相关视频，也可以与售后联系请求帮助。

二、根据教学目的选择适合运用数字化实验技术的实验

笔者对义务教育人教版九年级化学上册、下册，人教版高中化学必修第一册、第二册，选择性必修1《化学反应原理》这五本中学化学教材中的实验进行了梳理，发现其中适合运用数字化实验技术的实验约有33个。因此，教师在确定采用数字化实验技术手段完成实验时要注意以下几点。

1.全面理解实验设计的意图、原理

在化学教学过程中，教师要明确实验研究的方法，根据课标要求结合实验的科学性、直观性、简约性和安全性等基本原则，围绕教学目标和学生的学习选择并设计实验。

2.避免复杂的实验组合装置

如果教师选用复杂的实验装置，安装占时较长，就会影响教学任务的完成，不利于学生仔细观察实验过程和结果，导致学生难以确定观察重点，从而弱化教材实验原本的作用。

3.符合学生的认知规律

作为信息技术与实验教学整合的产物，在中学化学教学过程中，教师在应用数字化实验技术时应注意梯度，逐渐推进，从定性实验逐步进阶到定量实验，即测定目标物质有没有—具体有多少—指定条件下的变化趋势及图像等。

三、数字化实验技术运用案例分享

1.运用传感器的入门实验案例

演示实验是教师在课堂上进行示范操作和讲解，并指导学生观察和思考的实验。教材中的定性实验对传感器的使用技术要求不高，操作简单，非常适合让学生体验数字化实验技术在化学研究中的应用过程。

案例1.酒精灯火焰温度的探究（陕西省2022年和2023年普通高中学业水平考试化学实验操作考试数字化实验试题）。

实验目的：探究酒精灯焰心、内焰、外焰的温度。

实验原理：酒精灯燃烧时，由于酒精蒸汽与空气接触面不同，燃烧程度不同，火焰不同位置的温度也不同。

实验用品：朗威数据采集器（V8.0版本）和朗威8.0版本软件、高温传感器、酒精灯。

入门方案A：学会使用高温传感器测量火焰温度。

实验操作步骤：

（1）连接交互式电子白板、数据采集器和高温传感器，双击朗威软件进入朗威V8.0软件界面，点击“通用软件”电子白板页面自动显示温度数据。

（2）点燃酒精灯。操作者手持高温传感器，肘部放在桌面上，通过调整肘部与桌面的夹角调整传感器的高度（不用夹子固定），分别测量灯芯、内焰、外焰的温度。

进阶方案B：初步学会测量和运用软件绘制时间—温度曲线。

实验操作步骤：

（1）点击通用软件。电子白板页面自动显示温度数据—在组合曲线中添加“时间—温度”曲线—点击平铺（上面为数据，下为曲线图）—点“开始”。

（2）点燃酒精灯。操作者手持高温传感器，肘部放在桌子上，通过调整肘部与桌子的夹角调整传感器的高度，测量灯芯、内焰、外焰的温度—点击结束—点击保存，曲线就可以保存在电脑了。

实验结论：

焰心温度＜内焰温度＜外焰温度（如图2所示）。

注意事项：

（1）实验时尽量减少空气流动，稳定酒精灯火焰。在教室里做所得到的曲线肯定是不光滑的，这恰恰反映了真实所在，教师不要纠结于此。

（2）通过实验，学生学会了测量酒精灯火焰不同位置温度的方法，知道为什么外焰的温度最高，今后用酒精灯什么位置给试管加热等知识。

（3）通过实验，学生知道了酒精灯内焰和外焰交界处的温度最高。

案例2.空气中氧气体积分数的测定。

实验目的：探究空气中氧气的百分含量。

实验原理：通过氧气传感器测量空气中氧气的百分含量。

实验用品：朗威数据采集器（V8.0版本）和朗威8.0版本软件、氧气传感器、电脑或交互式电子白板或手机等。

实验操作步骤：

（1）连接“交互式电子白板+数据采集器+氧气传感器”—双击朗威软件—进入朗威8.0版本软件界面—点通用软件—电子白板页面自动显示氧气体积分数，教师讲解测量方法，读取数据，实验结束。

（2）让一个学生现场吹气，用塑料袋收集学生呼出的气体，用氧气传感器测量氧气体积分数（也可增加一个CO2传感器），可以看出人体呼出气体中氧气体积分数在降低。

实验结论：

空氣中氧气约占21％（如图3所示）。

案例3.碳酸钠、碳酸氢钠性质比较（高中化学必修第一册第38页实验2-4）。

实验目的：

以碳酸钠和碳酸氢钠为例，指导学生认真观察化学物质，让学生学会运用控制变量、定性与定量结合的方式研究二者的相同点和不同点。

实验原理：

（1）通过测量溶液前后温度变化，验证碳酸钠溶于水是放热过程、碳酸氢钠溶于水是吸热过程。

（2）通过测量溶液的pH和滴加酚酞试液，证明碳酸钠和碳酸氢钠溶液都显碱性。

实验用品：

朗威V8.0数据采集器、温度传感器2支、pH传感器2支、试管架、250ml烧杯、18×180规格试管、滴管、蒸馏水、无水碳酸钠和碳酸氢钠粉末各1克、酚酞试液等。

实验操作步骤：

（1）连接交互式电子白板、数据采集器和温度传感器，点开朗威软件进入8.0界面—点通用软件—电子白板页面自动显示温度数据—點击平铺。

（2）将1g碳酸钠和1g的碳酸氢钠放入不同试管中，分别加入一滴管蒸馏水，振荡，用温度传感器测量温度变化（可以让2个学生进行示范，教师指导、评价），让学生读取温度度数，对比后得出结论（如图4所示），传感器用完都要冲洗、拭干。

（3）继续向两个试管分别加入5ml水，振荡后滴加2滴酚酞试液，观察并记录颜色变化，用pH传感器测量两种溶液的pH、记录、得出结论（如图5、表1所示）。

实验结论：

该实验用课本上的方法可视性差，如果改用温度传感器和pH传感器就能直观清晰地比较出二者的差异。通过这个实验，学生不仅学会了科学研究的一般方法和步骤，还学会了两种传感器的使用方法，感受到了技术手段的创新对化学研究的影响。

2.运用传感器做定量测量进阶演示实验案例

定量实验一直是高中化学实验的难点，费时长，误差大，数据处理麻烦。在实际教学中，教师在一节课内如果完成不了实验操作和数据处理就会放弃演示，而是改用课件+视频的方式讲解实验，这样在一节课内完成测定和计算、分析和讨论都是没有问题的。

案例4.强酸与强碱的中和滴定（选择性必修一必做实验）。

酸碱中和滴定难点：

（1）滴定终点的确定；（2）滴定过程中微观粒子浓度变化的不可视；（3）pH-V变化图像绘制。

实验原理：

（1）强酸与强碱发生中和反应，通过测定加入滴定液后的pH可以准确绘制酸碱中和滴定曲线，并确定滴定终点（常温下强酸强碱完全中和pH为7）。

（2）根据H＋＋OH－=H2O，用已知浓度的酸（碱）溶液滴定一定体积未知浓度的碱（酸）溶液，测出已知浓度酸（碱）溶液的体积就可以算出待测物质的浓度。

实验用品：朗威V8.0数据采集器，pH传感器，25ml酸式、碱式滴定管各1个，10ml移液管1根，100ml烧杯2个，胶头滴管2个，铁架台，滴定管夹，洗耳球一个，0.10mol/L盐酸，0.10mol/L氢氧化钠，蒸馏水，滤纸等。

实验步骤：

（1）连接电子白板、数据采集器和pH传感器，点开朗威软件—进入V8.0专用软件—选中“酸碱中和滴定”—电子白板页面自动进入中和滴定页面。

（2）提前将装好25ml0.1mol/L盐酸的酸式滴定管固定，学生A用移液管量取10ml未知浓度的氢氧化钠溶液放入100ml烧杯中，加入蒸馏水至溶液没过pH传感器，教师在一旁讲解移液管的使用方法，并评价矫正。

（3）学生A负责滴定操作和读数；学生B负责在电子白板上输入读数，并点击“记录数据”。

（4）学生A开启“磁力搅拌器”滴加稀盐酸，读数，直至溶液呈碱性；学生B在电子白板上点击“开始实验”，每输入体积读数后点击“记录数据”直至溶液显碱性，点击停止实验—绘图—图线分析图线自动标注出pH=7时消耗V标准的数值—数据计算系统自动计算出待测液的浓度（如图6所示）。

实验数据及结论：

（1）根据NaOH+ HCl=NaCl + H2O 和C（NaOH）×V（NaOH）= C（HCl）×V（HCl） ， 测出 C（NaOH）=____________mol/L。

（2）向氢氧化钠溶液滴加盐酸，开始时由于氢氧化钠浓度较大，滴入少量盐酸对pH的影响不大，当接近滴定终点时，滴加一滴盐酸就会引起pH突变。

注意事项：

（1）配制溶液浓度要准确。

（2）控制滴定滴速和磁力搅拌器转速（开始快接近终点要慢）。

（3）如果没有特殊要求可以用碱滴定酸，因为碱式滴定管比酸式滴定管好操作。

教师指导学生代表在讲台滴定操作，让其他学生观摩和讲解操作要点、在电子白板上读取溶液离子浓度变化数值、pH-V图像如何形成等。这种全员参与的教学方式，学生从中学会了中和滴定测定溶液浓度的方法，并结合课本习题，巩固了定量实验数据处理方法。这样一来，教师用一个课时完成教学目标就没有问题。

《普通高中化学课程标准（2017版2020年修订）》指出：“化学教材应精心设计学生必做实验，适当增加微型实验、家庭小实验、数字化实验、定量实验和创新实践活动等，让学生在实验探究活动中学习科学方法，认识科学探究过程，体会、认识技术手段的创新对化学科学的重要价值，形成严谨求实、勇于实践的科学态度，发展实践能力。”数字化实验技术是现代信息技术与理科实验教学整合的产物，是一种功能强大的实验工具，对教师的教学和学生的学习有着很大的帮助。学生数字化实验技能的形成和熟练离不开动手训练，实验中隐含问题的发现离不开学生的操作与仔细观察。因此，教师要围绕“发展学生化学学科核心素养”这一主旨组织和实施实验探究教学，激发学生的学习兴趣，培养学生的探究能力，落实立德树人根本任务。

附：历届陕西省理化生教师实验操作技能大赛数字化实验化学试题（仅供参考，在练习中要注意：①相关软件的熟练使用②测量操作动作的规范性）

1.酒精灯火焰温度的探究。

2.冰醋酸稀释过程中离子浓度的变化。

3.中和热的测定。

4.强酸和强碱的中和滴定。

5.指定溶液电导率的测定。

6.指定溶液pH的测定。

作者单位  西安市第三十中学