摘? ?要：采用傳感器技術(shù)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為一種新型的實(shí)驗(yàn)方法，是常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段的重要補(bǔ)充和拓展。在初中化學(xué)教學(xué)中引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，有助于化學(xué)基本概念和原理的教學(xué)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。初中化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，豐富了研究性學(xué)習(xí)和綜合實(shí)踐活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)手段。如何有效地進(jìn)行初中化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)是化學(xué)教學(xué)與現(xiàn)代教育技術(shù)融合的有益探索。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn);初中化學(xué);教學(xué)策略

作者簡(jiǎn)介：楊銀分，湖北省武漢市光谷實(shí)驗(yàn)中學(xué)教師，中學(xué)高級(jí)教師，武漢市學(xué)科帶頭人。（湖北? 武漢? 430223）

中圖分類號(hào)：G633.8? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1671-0568（2019）25-0106-02

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，又稱手持技術(shù)，是指在掌上就可以操作的技術(shù)，是一種常用的傳感器技術(shù)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器由數(shù)據(jù)采集器、傳感器、配套的軟件和計(jì)算機(jī)組成。數(shù)據(jù)采集器由常規(guī)儀器組合而成。傳感器和配套的軟件可以定量地采集各種數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)采集器、傳感器與計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備連接，能準(zhǔn)確記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并保存下來。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用了不同的傳感器，可以采集包括電流、電壓、光強(qiáng)度、溫度、氣壓、pH、溶解氧、二氧化碳濃度、離子濃度、相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器便于攜帶，適合幫助學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以用數(shù)據(jù)記錄和呈現(xiàn)某些不易觀察的現(xiàn)象，可用于對(duì)某些常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)采用定量方法研究物質(zhì)的變化及變化規(guī)律，比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法更先進(jìn)、便捷、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、綜合、直觀。目前很多學(xué)校都在嘗試將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)引入化學(xué)教學(xué)。大多數(shù)高校已經(jīng)建立完備的手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，部分中小學(xué)也先后配備了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器。

研究表明，采用手持技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究熱情，加深學(xué)生對(duì)某些化學(xué)概念的理解，提高學(xué)生對(duì)圖像的認(rèn)知能力，增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，為中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一種良好的、可供選擇的教育手段。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以豐富研究性學(xué)習(xí)和綜合實(shí)踐活動(dòng)，如何有效進(jìn)行初中化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)是化學(xué)教學(xué)與現(xiàn)代教育技術(shù)融合的有益探索。

一、選擇時(shí)機(jī)，統(tǒng)籌安排，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)

初中化學(xué)教學(xué)應(yīng)合理統(tǒng)籌安排傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，把握數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。初中化學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)各有優(yōu)勢(shì)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)完全取代化學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)并不可取。教學(xué)中，教師應(yīng)根據(jù)實(shí)際教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容將兩者有機(jī)結(jié)合起來，以傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主，以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為輔。

初中化學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要是定性實(shí)驗(yàn)，著眼于培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范使用儀器，熟悉實(shí)驗(yàn)基本操作，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物質(zhì)性質(zhì)、物質(zhì)變化、物質(zhì)變化過程以及對(duì)結(jié)果的解釋和討論。初中化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)都是定量實(shí)驗(yàn)，通過電子設(shè)備采集、記錄數(shù)據(jù)，并用表格或圖像的方式呈現(xiàn)出來，著眼于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理能力。在初中化學(xué)教學(xué)中引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、讀表識(shí)圖能力，為學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

初中化學(xué)教學(xué)引進(jìn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)最好安排在學(xué)完第二單元之后。初中化學(xué)是一個(gè)啟蒙學(xué)科，學(xué)習(xí)需要有一個(gè)建模的過程，學(xué)生只有在初步熟悉常用儀器的規(guī)范使用、化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作以及接觸一些化學(xué)反應(yīng)后，才能初步理解數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的原理，規(guī)范完成數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。教學(xué)中，教師要處理好傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和師生互動(dòng)教學(xué)的關(guān)系。傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)要與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相配套，即以教師講述、演示實(shí)驗(yàn)為主，以學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)為輔。而中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)則是以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，突出表現(xiàn)為師生、生生互動(dòng)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為一項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)引入課堂教學(xué)并廣泛應(yīng)用，是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，不能操之過急。探究性實(shí)驗(yàn)作為對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充和引領(lǐng)，需要引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，并更新方法。中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，它與傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相得益彰。

二、分階段實(shí)施，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)互動(dòng)探究，培養(yǎng)綜合素質(zhì)

初中化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能操之過急，實(shí)施過程大體可分為三個(gè)階段：

1.“教師拉著學(xué)生走”教師強(qiáng)化示范為主，學(xué)生領(lǐng)悟模仿為輔。這一階段主要是教師演示、學(xué)生觀摩然后模仿教師完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)完第二單元后，學(xué)生已經(jīng)具備基本的實(shí)驗(yàn)操作能力，教師可以補(bǔ)充性地進(jìn)行某些數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)常規(guī)實(shí)驗(yàn)中的不足。教師可以選取教材中合適的實(shí)驗(yàn)素材加以改編，然后給學(xué)生演示，學(xué)生模仿教師的操作設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

【案例1】用壓強(qiáng)傳感器探究空氣中氧氣的體積含量

圖1所示裝置可用于測(cè)定空氣中氧氣的含量，其中與集氣瓶相連的壓強(qiáng)傳感器等電子設(shè)備能將集氣瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)精確地記錄并保存下來。圖2是用該裝置測(cè)量紅磷在集氣瓶中燃燒的壓強(qiáng)—時(shí)間關(guān)系圖（該裝置氣密性良好，p0是集氣瓶?jī)?nèi)初始?xì)鈮?，p是反應(yīng)結(jié)束后恢復(fù)到室溫時(shí)集氣瓶?jī)?nèi)的氣壓）。

學(xué)完第二單元后，教師可以運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量紅磷燃燒過程中集氣瓶?jī)?nèi)氣壓的變化，分析空氣中氧氣含量。然后學(xué)生模仿教師的操作，測(cè)量木炭燃燒過程中集氣瓶?jī)?nèi)氣壓的變化，得到如圖3曲線。通過分析曲線，學(xué)生可以進(jìn)一步理解測(cè)定空氣中氧氣含量應(yīng)該用紅磷或白磷，而不能用木炭，這是因?yàn)槟咎咳紵髸?huì)生成新的氣體。

學(xué)生通過模仿數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，練習(xí)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基本實(shí)驗(yàn)操作，熟悉傳感器的使用，可以進(jìn)一步明確用燃燒法測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)的原理和要求，學(xué)會(huì)對(duì)圖標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在這個(gè)過程中，學(xué)生可以獲得成就感，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和動(dòng)力。

2.“教師引著學(xué)生走”學(xué)生設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)為主，教師引導(dǎo)和幫助為輔。本階段教師可以根據(jù)學(xué)生關(guān)注點(diǎn)，選擇合適的問題，引導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料和小組討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。然后教師進(jìn)行指導(dǎo)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，小組學(xué)生按照優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)過程中，學(xué)生可能會(huì)經(jīng)歷困惑失敗，教師要適時(shí)給予指導(dǎo)和糾正，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。同時(shí)，教師可以讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行評(píng)價(jià)和反思，進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，集結(jié)實(shí)驗(yàn)探究案例。

【案例2】用相對(duì)濕度傳感器驗(yàn)證氫氧化鈉的吸水性

問題的提出：氫氧化鈉在空氣中，表面潮解變濕，是因?yàn)闅溲趸c吸收了空氣中的水蒸氣。怎樣用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證氫氧化鈉的吸水性呢？

教師指導(dǎo)學(xué)生在集氣瓶中加入氫氧化鈉固體，然后測(cè)量相對(duì)濕度來驗(yàn)證氫氧化鈉的吸水性，引導(dǎo)學(xué)生完成如下實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)步驟：連接裝置，檢查裝置氣密性后加入氫氧化鈉固體，連接相對(duì)濕度傳感器;觀察數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)（如圖4）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，密閉裝置中相對(duì)濕度減少，說明裝置內(nèi)的水蒸氣不斷被吸收;最后相對(duì)濕度為零，此時(shí)裝置內(nèi)為干燥的空氣，從而得出結(jié)論：氫氧化鈉固體具有吸水性。

學(xué)生在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行自主探究，親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程，這不僅鍛煉了學(xué)生的探究性思維，而且培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)事求是和認(rèn)真反思的科學(xué)態(tài)度和精神，提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐探究能力。

3.“學(xué)生摸著石頭走” 學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)為主，教師鼓勵(lì)和評(píng)價(jià)為輔。本階段教師根據(jù)教材和課標(biāo)提供不同的實(shí)驗(yàn)主題，小組同學(xué)根據(jù)自己的興趣選擇相應(yīng)的主題，然后進(jìn)行小組討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。小組根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如果失敗，則進(jìn)一步優(yōu)化或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。接下來學(xué)生根據(jù)教師和其他小組同學(xué)的評(píng)價(jià)進(jìn)行反思和總結(jié)。最后，小組學(xué)生提出具有探究?jī)r(jià)值的實(shí)驗(yàn)課題，進(jìn)行新一輪的實(shí)驗(yàn)探究。

【案例3】教師可以設(shè)置以下問題：如何運(yùn)用離子濃度傳感器（或溫度傳感器、PH傳感器）驗(yàn)證中和反應(yīng)的發(fā)生？如何讓運(yùn)用二氧化碳、氧氣傳感器、相對(duì)濕度傳感器比較人體吸入的空氣和呼出氣體的成分？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證濃硫酸的吸水性？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究硝酸銨、氫氧化鈉、氯化鈉溶于水時(shí)的溫度變化？

這個(gè)階段學(xué)生會(huì)遇到困難、挫折，甚至?xí)虻贸鲥e(cuò)誤的結(jié)論而氣餒灰心，教師要適時(shí)地進(jìn)行鼓勵(lì)和評(píng)價(jià)。只有經(jīng)歷了這個(gè)階段，學(xué)生才具有獨(dú)立探究的能力，才能獨(dú)自面對(duì)學(xué)習(xí)、生活中的困難與挫折。學(xué)生在這個(gè)過程中會(huì)獲得極大的科學(xué)成就感、體驗(yàn)感和滿足感，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新動(dòng)力。

在初中化學(xué)教學(xué)中引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，能有效幫助學(xué)生理解化學(xué)基本概念和原理。在初中化學(xué)教學(xué)中，教師合理運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，并親身示范，合理引導(dǎo)學(xué)生，不僅能豐富研究性學(xué)習(xí)和綜合實(shí)踐活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)手段，還能最大限度地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

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