数字化实验在高中化学教学中的实践研究

林珍珍

［摘 要］数字化实验在高中化学教学中发挥着至关重要的作用。文章以提升学生核心素养为目标，经由“融合技术→改进装置→演绎数据→推理证据→认识本质”教学路径，从改进教材实验、解决教学疑难、探讨异常现象三个方面进行基于数字化实验的实验创新实践研究，提供数字化实验探究范例。

［关键词］数字化实验；高中化学；教学路径

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）05-0077-05

数字化实验是数字化技术与现代教育相结合的产物，是一种由传感器将检测的实验数据经数据线和数据采集器傳送至计算机，再由计算机相关软件进行数据和图形分析、处理，得到实验结果的现代化实验手段。数字化实验具有定量化和可视化特点，可作为认知工具帮助学生克服化学概念学习中的认知难点，使他们在现有认知水平上科学感知并有效建构抽象化概念。人教版高中化学教材中的实验和习题都有数字化实验应用的相关举例，新高考考题中频繁出现以数字化实验研究为背景的曲线分析、数据处理的题目，新课标也要求注重发挥现代信息技术的作用，积极探索现代信息技术与化学实验的深度融合，合理运用计算机模拟实验［1］。然而在实际教学中，由于设备不足、技术不到位、思想上不重视等原因，数字化实验的开展收效甚微。

基于以上分析，并通过对数字化实验应用于具体教学案例的深入研究，笔者探索出了以提升学生核心素养为目标的“融合技术→改进装置→演绎数据→推理证据→认识本质”教学路径（如图1），从改进教材实验、解决教学疑难、探讨异常现象三个方面进行基于数字化实验的实验创新实践研究。下面是具体的数字化实验教学范例。

一、改进教材实验

利用数字化实验改进教材中的传统实验，可实现探究实验的智能化。通过实验过程直观化、实验数据采集实时化、数据处理自动化，可以让学生获得更加准确的实验数据，凸显实验原理；还可以将相关数据以图像的形式呈现，直观反映两个或多个物理量之间的关系，方便学生获得更加丰富的实验数据，调动他们多种感官参与实验探究，促进他们多方位素养的培育和发展。

（一）演示实验改进

人教版高中化学选择性必修1第三章第一节通过比较等体积、等浓度盐酸和醋酸的pH、导电能力以及与等量镁条的反应情况，帮助学生认识盐酸和醋酸的电离程度不同，进而引出强弱电解质的概念［2］。然而，教材上并未给出具体的操作步骤，因此给了教师和学生更大的探索空间。我们可以用pH传感器测定溶液的pH，用电导率仪测定溶液的导电能力，用氢气传感器测定等浓度盐酸和醋酸与镁条反应产生H2的快慢情况，并用CO2气体传感器测定盐酸和醋酸与碳酸氢钠溶液反应的快慢来进一步比较盐酸与醋酸的酸性强弱。实验装置如图2所示，测定结果如表1所示。

（二）探究活动改进

人教版高中化学必修二第六章中的实验活动利用Na2S2O3 + H2SO4＝Na2SO4 + SO2↑+ S↓+ H2O反应探究化学反应速率的影响因素。传统实验通过比较出现浑浊现象所需时间的长短来判断反应进行的快慢［3］。为得到更准确和直观的结论，我们尝试利用数字化实验进行改进：（1）为了避免肉眼观察带来的主观性，我们通过测定不同条件下体系浊度随时间变化的情况来判断反应速率的大小；（2）反应生成SO2，而实验中却观察不到有明显的气泡生成，我们尝试使用更精密的SO2传感器来测定体系中SO2的含量随时间变化的情况，进而判断不同条件下反应速率的大小。为了更易于检测，实验在一定温度的水浴中进行。实验装置如图3所示，实验结果如表2所示。

二、解决教学疑难

教学疑难是化学教学中难以准确把握内涵、外延不清晰、易于混淆的知识，该部分内容抽象、深奥，不易被学生理解，或是由于学生思维水平的限制而不能准确掌握。高中化学教材中有不少疑难问题的简单化处理，但大多是通过简单的定性实验或文字叙述来帮助学生突破难点，不利于学生思维的深度发展。利用数字化实验为学生创设较为真实的化学实验情境，将化学反应现象和结论以数形结合的形式定量呈现，有助于学生根据宏观证据推出微观规律，提升宏观辨识与微观探析核心素养。

（一）钢铁腐蚀实验探究

人教版高中化学选择性必修一第四章第三节采用传统实验通过观察导管中水柱的变化验证铁的吸氧腐蚀，但实际操作中因气密性等原因导致实验现象不明显，且根据压强的变化推断腐蚀的类型有一定的间接性。为直接检测吸氧腐蚀中氧气是否参与反应、析氢腐蚀中是否有氢气产生，我们采用传感器来改进实验：向两个锥形瓶中加入铁粉和碳粉，其中一个锥形瓶加入饱和氯化钠溶液，采用O2传感器测定O2的含量；另一个锥形瓶加入稀盐酸，采用H2传感器测定H2的含量。实验装置图如图4所示，实验结果如图5所示。体系中氧气的百分含量在不断下降，说明氧气参与了铁的腐蚀，即吸氧腐蚀；氢气的含量不断升高，说明有氢气产生，即析氢腐蚀。

（二）分子间作用力感知实验探究

人教版高中化学选择性必修2第二章第三节关于“影响物质熔沸点因素”的探究［4］，主要从分子间作用力和氢键两方面入手，但是由于概念比较抽象，难以被直接感知，且在传统教学中教师难以通过实验启发学生思考，学生对该概念的理解主要停留在定性规律的机械记忆上。为了让学生能够直观地感受分子间作用力和氢键对物质熔沸点的影响，我们采用温度传感器测量醇类（甲醇、乙醇、正丁醇）在相同条件下蒸发时的温度变化曲线，通过可视化实验现象让学生感知分子间作用力的存在。实验装置如图6所示，具体操作为：将吸水纸包裹在温度传感器的感应处，分别滴加适量的甲醇、乙醇和正丁醇，测量三者挥发过程中的温度变化。实验结果如图7所示。分析可知，在其他条件相同的情况下，蒸发时温度下降越明显，则该液体越易挥发，液体分子间的作用力越小。由此可得分子间作用力：正丁醇>乙醇>甲醇。

三、探讨异常现象

在普通化学实验中，常常会出现一些异常现象，这些现象有时会以探究题目的形式出现在各类习题或者考题中。教师可组织学生将传统实验和数字化实验相结合进行实验探究，鼓励学生敢于质疑，大胆求证，并指导学生对异常现象进行分析，利用所学化学原理做出解释。这有利于学生跳出固化的思维模式，更好地解答高考中出现的比较灵活的实验题，并逐渐养成崇尚科学真理、不迷信书本和权威的科学态度。

（一）NaHCO3和Na2CO3与CaCl2反应比较探究

鉴别NaHCO3和Na2CO3的一种常用方法是：分别向两溶液中滴加CaCl2或BaCl2溶液，若产生白色沉淀则为Na2CO3，若无白色沉淀产生则为NaHCO3。然而在课堂实验上发现，向NaHCO3溶液中滴加CaCl2溶液也能观察到产生白色沉淀的现象。因此，我们将传统实验和数字化实验结合起来设计探究实验，分别用CO2气体传感器和浊度计检测不同浓度NaHCO3和Na2CO3与CaCl2溶液反应的情况。实验装置如图8所示，实验结果如表3所示。

总结规律 1. NaHCO3溶液浓度较大时（如1 mol/L和0.5 mol/L）能明显看到CO2气体的产生；2. 采用数字传感器检验是否有CO2生成，可以鉴别0.02 mol/L及以上的两种溶液；3. 利用浊度计测量体系的浊度，可以鉴别更低浓度（0.01 mol/L）的两种溶液。 ]

（二）醋酸溶液稀释过程中导电性变化探究

向弱电解质溶液中加水稀释会促进电离平衡正向移动，同时由于溶液被稀释，导电能力会下降；但是也有反常现象，例如向冰醋酸中加水稀释的过程中，溶液的导电能力呈先升高后降低的趋势，很多题目围绕这一趋势对学生进行考查。有学生质疑：“事实真是这样吗？”为了让学生体验这一反常现象的真实性，我们用电导率仪测定向V（冰醋酸） [∶] V（水）=1 [∶] 2的混合液中逐滴滴加水进行稀释的过程中电导率的变化情况。实验装置如图9所示，实验结果如图10所示。在实验基础上引导学生分析醋酸的电离平衡：CH3COOH + H2O ? CH3COO- + H3O+，最初由于加入的水量少，可以看成水的醋酸溶液，随着加入水量的增大，水的浓度增大，平衡正移，自由移动离子浓度增加，所以导电性能先增大；继续加入水，醋酸电离程度增大，但自由移动的离子浓度在减小，所以导电性能随着水的加入而减小。通过以上实验探究和理论分析，帮助学生更进一步理解离子浓度的变化规律。

四、小结

数字化实验在实际教学中的应用，可减少高中化学教学中存在的规律总结文科化、基础概念脸谱化、相对问题绝对化、实验探究程式化、复杂问题简单化、化学概念学科化等问题，能促使教师进一步深化教学理解，优化教学行为。

从课堂教学来看，将信息技术融入化学课堂教学，教学方法和模式具有一定创新性，能克服传统课堂实验以讲代做、重宏观轻微观、强定性弱定量、以给出结论代替探究过程的弊端，同时将化学实验教学与学生核心素养提升紧密结合，重视素养培育的过程性和方法性，促进素养目标落地生根。

从学生角度来看，以数字化实验为技术手段，将抽象转化为具体，有利于降低学生学习难度；数字化实验的数字、曲线图像的同步表征能力，可为学生学习提供更为直观的证据来源，进而能有效帮助学生理解和掌握化学知识，建构化学概念，理解反应原理，发展学科思维，提升化学学科核心素养。

从教师角度来看，有助于提升教师实验教学的整合力、创新力，增进教师对学科专业的理解，增强教师利用实验、设计实验、创新实验能力的发展，促进教师的专业成长。

然而，目前传统课堂中数字化实验的应用实例还较少，基于数字化实验的课堂教学路径仍需要不断修正和完善，因此更需要我们积极投入数字化实验的开发、研究和各项培训中，提升个人教育教学理论与实践水平。

［   参   考   文   献   ］

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

［2］  人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书 化学 选择性必修1［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］  人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书 化学 必修第二册［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［4］  人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书 化学 选择性必修2［M］.北京：人民教育出版社，2020.

（責任编辑 罗 艳）