潘景微

摘 要：從數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的必要性、優(yōu)越性及可操作性等三個(gè)方面提出中學(xué)化學(xué)課程教學(xué)的一些改革建議，為教師更好地將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)用于化學(xué)教學(xué)，并為提高學(xué)生自主思考能力和高考解題水平提供幫助。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究；傳感器；中學(xué)化學(xué)教學(xué)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（DIS）是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和配套軟件組成，能與計(jì)算機(jī)連接并進(jìn)行定量采集和處理數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng) [1 ]。中學(xué)化學(xué)教學(xué)中引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，不僅能彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)工具的缺陷，還能促進(jìn)學(xué)生了解先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，獲得科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)思維能力，提高探究水平。

多數(shù)省市已將數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室列入基礎(chǔ)教育裝備標(biāo)準(zhǔn)，但存在利用率低的問題，究其原因主要存在三個(gè)方面問題：首先，任課教師對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在提高中學(xué)化學(xué)教學(xué)水平上認(rèn)識(shí)不足，高考考綱上沒有傳感器的使用要求，教師便認(rèn)為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與高考無關(guān)，開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)會(huì)擠占傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的有限課時(shí)，弱化常規(guī)實(shí)驗(yàn)過程的操作規(guī)范及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的細(xì)致觀察，影響高考的卷面成績(jī)；其次，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室資源不足，多數(shù)學(xué)校也剛裝備起來，成熟的操作方案、教學(xué)案例不多；最后，教師操作數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器的技能較差，有畏難的情緒，也影響了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的開展。本文針對(duì)存在的這些問題，從數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的必要性、對(duì)提高中學(xué)化學(xué)教學(xué)效率的優(yōu)勢(shì)、可操作性以及存在的困難等4個(gè)方面提出一些改革措施，供同行參考。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的必要性

在中學(xué)化學(xué)新課程改革中，特別強(qiáng)調(diào)的“研究性學(xué)習(xí)”大多都與實(shí)驗(yàn)密切相關(guān)。但是，很多實(shí)驗(yàn)隨著研究的深入，會(huì)顯得“力不從心”，例如，有關(guān)定量、微觀現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)操作，大都難以開展。而DIS傳感器可以為研究性學(xué)習(xí)提供工具支持，借助DIS傳感器，可以使在中學(xué)階段難以開展的實(shí)驗(yàn)變得直觀、簡(jiǎn)單且容易被認(rèn)知，DIS傳感器會(huì)自動(dòng)顯示清晰的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。另一方面，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教室的分組設(shè)置，同時(shí)具有互聯(lián)網(wǎng)、多媒體功能，為探究性學(xué)習(xí)提供了很好的平臺(tái)。有些探究實(shí)驗(yàn)必須引入DIS，才可以精確地完成實(shí)驗(yàn)。

在傳統(tǒng)的中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，一些難理解的科學(xué)概念和原理，通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不容易讓學(xué)生理解，也需借助于數(shù)字化傳感技術(shù)的直觀演示、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析和圖表展示，達(dá)到快速突破教學(xué)難點(diǎn)、優(yōu)化教學(xué)過程及提高教學(xué)效率的目的。例如，講解離子反應(yīng)、離子濃度時(shí)，通過電導(dǎo)率DIS實(shí)驗(yàn)，引入DIS技術(shù)后，就能實(shí)現(xiàn)微觀“可視化”，很好地反映溶液中的離子濃度變化情況。

近年高考，呈現(xiàn)出“對(duì)化學(xué)知識(shí)的考查難度降低，讀圖能力要求提高”的趨勢(shì)。如圖1，2012福建理綜12題，涉及的化學(xué)知識(shí)點(diǎn)和計(jì)算不難，但要能從圖像中讀出pH=2時(shí)，曲線下降越快，說明溶液的酸性越強(qiáng)，降解速率越大。要注意到縱坐標(biāo)的數(shù)量級(jí)，pH=2、pH=7曲線最后重疊，到最后為零說明是完全降解，正確解讀這些信息是解題的關(guān)鍵。2013福建理綜12題（圖2），涉及的原理和計(jì)算也不難。但此題挑戰(zhàn)性強(qiáng)、區(qū)分度高，即使拔尖考生也未必知其所以然。關(guān)鍵就在這個(gè)曲線圖上：b、c兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間都是65s，有些考生就認(rèn)為b、c兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)反應(yīng)速率相等；曲線在40℃時(shí)向上折，相信將絕大多數(shù)考生難住了，這里呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，考生要從中得出淀粉不再適合做指示劑這個(gè)信息。我們常規(guī)實(shí)驗(yàn)很難涉及到這些方面。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是由某些自變量（如：濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑、表面積等）變化引起的因變量（如：pH數(shù)值、導(dǎo)電率、反應(yīng)速度、轉(zhuǎn)化率、體積分?jǐn)?shù)、沉淀量等）變化，以坐標(biāo)圖表示的曲線 [2 ]，正好對(duì)應(yīng)現(xiàn)在高考題中的“曲線表征題”。這是基于這類題型能夠定量和全面地考查考生學(xué)習(xí)、分析和應(yīng)用能力而設(shè)置的，能客觀地評(píng)價(jià)學(xué)生認(rèn)知水平、思維能力。今年高考的12題也一如既往的考出曲線圖表題（如圖3），如果能從表中所給數(shù)據(jù)得出：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)c（N2O）的變化量是定值。認(rèn)真分析不同坐標(biāo)所表示的曲線變化，很容易得出正確的答案。這些高考題都能在平時(shí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)所得的曲線中找到影子 [3 ]。所以，重視數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)圖表分析能力，將會(huì)大大提高學(xué)生這方面的解題能力，適應(yīng)這一高考命題趨勢(shì)。

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的優(yōu)越性

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以提高中學(xué)化學(xué)教學(xué)的效率。以往我們?cè)谥v解影響電離平衡、水解平衡因素這類問題時(shí)，花的課時(shí)不少，實(shí)驗(yàn)也沒少做，但效果不好?，F(xiàn)在采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，應(yīng)用DIS傳感器，改變平衡的影響因素，在電腦屏幕上能很直觀地反映出平衡移動(dòng)及各離子濃度情況，使抽象知識(shí)可視化。

牽涉到微觀粒子的知識(shí)、平衡等問題，對(duì)學(xué)生來講，都是難以理解的 [4 ]。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以有效突破許多化學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)。例如：利用稀硫酸與氫氧化鋇溶液的反應(yīng)，設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。利用pH傳感器，得到pH變化曲線（圖4）。學(xué)生的注意點(diǎn)集中在隨著稀硫酸不斷地滴加，剛開始pH變化不大，中間有一個(gè)突變。定量地展現(xiàn)了酸堿中和滴定過程中的pH變化，幫助學(xué)生理解滴定中“突躍”這個(gè)概念。利用電導(dǎo)率傳感器，得到電導(dǎo)率的變化曲線（圖5），實(shí)時(shí)體現(xiàn)溶液中離子的導(dǎo)電情況，直接反映溶液離子情況，學(xué)生直觀地體會(huì)出溶液中離子“量”的問題。簡(jiǎn)單的工作曲線就能比較直觀地說明抽象的知識(shí)點(diǎn)，即溶液的導(dǎo)電能力與離子濃度有關(guān)。這樣就能有效突破這個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。同時(shí)再將這兩個(gè)曲線聯(lián)系起來，比較pH=7時(shí)，與電導(dǎo)率最低處的關(guān)系。強(qiáng)調(diào)pH曲線，反映的是氫離子濃度，電導(dǎo)率反映的是所有導(dǎo)電離子總的離子濃度情況。通過對(duì)這些曲線的講解、分析，使學(xué)生從不同層次、不同角度來理解溶液離子反應(yīng)。如果增加溫度傳感器，還能很好地同時(shí)體現(xiàn)出酸堿反應(yīng)是熱效應(yīng)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的“自動(dòng)化”、 “實(shí)時(shí)化”、 “并行化”、 “定量化”是傳統(tǒng)常規(guī)實(shí)驗(yàn)無法比擬的。

還有，利用各種傳感器很容易獲取常規(guī)實(shí)驗(yàn)無法得到的結(jié)果。如：酒精燈內(nèi)外焰不同的溫度，氣體中氧氣、二氧化碳的濃度，溶液溫度、離子濃度的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)等等，從而讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的樂趣。同時(shí)數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室為我們提供了多媒體教學(xué)系統(tǒng)、交互式電子白板、小組合作學(xué)習(xí)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)化信息查詢和豐富的學(xué)習(xí)資源等優(yōu)越的條件，不僅極大地豐富與方便了教師的教學(xué)活動(dòng)，也為學(xué)生的合作、交流和展示提供了許多有利條件。DIS為探究實(shí)驗(yàn)的開展提供了優(yōu)越的工具和環(huán)境。

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的可操作性

在進(jìn)行數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)中，課前先將各種儀器裝好、校好，上課時(shí)由班上化學(xué)興趣小組成員協(xié)助完成。整個(gè)過程占用課時(shí)不多，學(xué)生有時(shí)間思考每種因素是如何影響的，影響的后果是怎樣的。平時(shí)授課中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室不但提供了各種數(shù)字傳感器，同時(shí)還是一個(gè)多媒體、網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)載體，很容易實(shí)現(xiàn)教學(xué)的錄制、轉(zhuǎn)播，實(shí)時(shí)的互動(dòng)。為了縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，可采用教師演示前半部分，后面播放事先錄好的內(nèi)容。同時(shí)利用教師機(jī)的轉(zhuǎn)播功能，將事先存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖像轉(zhuǎn)播到學(xué)生機(jī)上?？朔藗鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，老師演示，多數(shù)學(xué)生看不清楚；學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，不好控制，出現(xiàn)較多干擾因素，過多時(shí)間花在操作上，造成實(shí)驗(yàn)過程中的問題得不到充分探索和討論。

特別是學(xué)生在專題復(fù)習(xí)課上，充分利用多媒體技術(shù)、信息通信技術(shù)，在電腦中清晰看到過程和結(jié)果，既簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的操作，又提高了課堂效率。這次高三有些專題課中采用了這種辦法，效果很好，從幾次的質(zhì)檢結(jié)果來看，識(shí)圖能力有較大提高，曲線題得分率明顯提高。

四、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開展初期存在的困難及對(duì)策

數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)對(duì)于多數(shù)老教師來說是陌生的。我們?cè)诟咭弧⒏叨_展化學(xué)研究性學(xué)習(xí)，主要吸收化學(xué)科特長(zhǎng)生，全體化學(xué)老師都參與。從每個(gè)傳感器的使用開始，師生互動(dòng)，教學(xué)相長(zhǎng)。學(xué)生不多，又不象正規(guī)的上課，每個(gè)教師參與度都很高。全體化學(xué)教師數(shù)字化實(shí)驗(yàn)操作能力有了很大的提高。在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初期的半年，利用開展化學(xué)興趣小組活動(dòng)的方式，完成了老師、化學(xué)特長(zhǎng)學(xué)生數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)的熟練運(yùn)用。

由于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集是采用了很多光電原理來轉(zhuǎn)換，在其他學(xué)科不一定都跟進(jìn)時(shí)，在化學(xué)課上花較多的時(shí)間解釋這些原理，本身是不實(shí)際，也沒有必要。特別是在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)建設(shè)初期，學(xué)生儀器總共使用14套，各儀器的安裝、校準(zhǔn)、清洗，就不一定要全體學(xué)生參與，充分利用班上化學(xué)興趣小組成員課前先將各儀器裝好、校好，并協(xié)助完成實(shí)驗(yàn)。這樣可以減少部分學(xué)生對(duì)技術(shù)的恐懼，同時(shí)減少學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中過度關(guān)注技術(shù)和設(shè)備，學(xué)生關(guān)注的焦點(diǎn)應(yīng)該是通過屏幕反映出來的數(shù)據(jù)的變化原因，思考圖形變化的背后有什么規(guī)律?？朔硕鄶?shù)學(xué)生不熟悉數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，和占用課時(shí)多的缺點(diǎn)。

綜上所述，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開創(chuàng)了一種嶄新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生對(duì)這些儀器充滿新鮮感，而實(shí)驗(yàn)過程的新穎、獨(dú)特，也有極大的吸引力，很大程度激發(fā)了學(xué)生的探究欲望。相信依托傳感技術(shù)、信息技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，高效、靈活的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。將會(huì)越來越受到重視，并將與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合在一起，兩者互相補(bǔ)充，將共同在化學(xué)教學(xué)中發(fā)揮良好的作用。

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