朱成東
摘要:隨著信息技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)在學(xué)校的教學(xué)中逐漸推廣開。本文從更新化學(xué)知識(shí)、微粒變化可視化、革新實(shí)驗(yàn)方式、提升認(rèn)知方式、創(chuàng)新教學(xué)模式和拓展學(xué)習(xí)方式等六個(gè)維度闡述數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用,進(jìn)而使化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落地。
關(guān)鍵詞:數(shù)字化實(shí)驗(yàn) 化學(xué)教學(xué) 核心素養(yǎng)
數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的軟件組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測(cè)量化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并通過計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化的曲線,表征出實(shí)驗(yàn)中微粒的變化過程。將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中,既能體現(xiàn)現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)與化學(xué)課堂教學(xué)的融合,又能促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí),更好地發(fā)展學(xué)生宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)識(shí)、實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。
一、更新化學(xué)知識(shí)
化學(xué)知識(shí)的形成主要是建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,由于中學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展相對(duì)滯后和實(shí)驗(yàn)結(jié)果受外界因素的干擾較多,也有的實(shí)驗(yàn)本身較復(fù)雜,導(dǎo)致教學(xué)中的少部分知識(shí)出現(xiàn)似是而非,甚至錯(cuò)誤。隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)中,許多化學(xué)教師開始重新運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)中學(xué)中的實(shí)驗(yàn)再實(shí)驗(yàn),以研究教材和教學(xué)中似是而非的模糊問題,糾正部分長(zhǎng)期以來(lái)的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。如二氧化碳中混有氯化氫的,一般用飽和碳酸氫鈉溶液,原因是二氧化碳在飽和碳酸氫鈉溶液中溶解度比在水中小,但向兩個(gè)充滿二氧化碳?xì)怏w的圓底燒瓶中分別同時(shí)加入等體積的水與飽和碳酸氫鈉溶液,用壓力傳感器測(cè)其壓力的變化,壓力變化曲線如圖1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示二氧化碳在相同體積的飽和碳酸氫鈉溶液與水中,飽和碳酸氫鈉溶液中溶解的要多,可以推出,用蒸餾水除去二氧化碳中的氯化氫要比飽和碳酸氫鈉溶液要好。
二、微粒變化可視化
在中學(xué)化學(xué)的學(xué)習(xí)中,涉及微觀粒子變化平衡的概念和原理時(shí),學(xué)生易產(chǎn)生認(rèn)知障礙,感覺到學(xué)習(xí)困難,對(duì)后續(xù)化學(xué)的學(xué)習(xí)影響較大。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn),讓微觀粒子的變化可視化,可讓學(xué)生感受到現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)生重大影響,也可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的深度理解,形成化學(xué)觀念。如沉淀溶解平衡的教學(xué)中,可以先做CaCO3溶于水測(cè)導(dǎo)電率的實(shí)驗(yàn)。先測(cè)100 mL蒸餾水的導(dǎo)電率,然后加入1 g CaCO3,當(dāng)導(dǎo)電率不變時(shí)(c點(diǎn)),繼續(xù)加10 mL蒸餾水,觀察導(dǎo)電率的變化,在e點(diǎn)繼續(xù)加10 mL水,觀察導(dǎo)電率的變化(如圖2)。
溶液中的離子變化,通過導(dǎo)電率的曲線表征出來(lái),讓學(xué)生清晰地觀察到溶液中離子的變化過程。再根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖像引導(dǎo)學(xué)生分析,CaCO3溶于水測(cè)溶液的導(dǎo)電率,溶液的導(dǎo)電率增大說明什么?一段時(shí)間后,導(dǎo)電率為什么保持不變?其保持不變說明什么?在c點(diǎn)加入10 mL蒸餾水,導(dǎo)電率為什么突然減?。咳缓鬄槭裁从衷龃??其增大說明了什么?一段時(shí)間后,其又為什么保持不變?導(dǎo)電率保持不變,CaCO3的溶解停止了嗎?通過問題深度的逐層遞進(jìn),學(xué)生慢慢認(rèn)識(shí)難溶電解質(zhì)的溶解平衡。
三、革新實(shí)驗(yàn)方式
化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求,數(shù)字化實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足,與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)形成互補(bǔ),呈現(xiàn)了更加準(zhǔn)確、更加清晰的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、曲線圖像,而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)自帶軟件的強(qiáng)大功能更是使數(shù)據(jù)處理更加便捷,數(shù)據(jù)的“回放”更是輕松地使實(shí)驗(yàn)“再現(xiàn)”,使學(xué)生更易觀察實(shí)驗(yàn)中變化的細(xì)節(jié),引發(fā)對(duì)實(shí)驗(yàn)變化的深度思考,更有利于學(xué)科素養(yǎng)的落地。利用這類傳感器,為化學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新提供了有力的技術(shù)支持。如酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)中學(xué)生對(duì)接近滴定終點(diǎn)時(shí)的一滴或半滴的操作很難控制,且對(duì)酚酞作指示劑,強(qiáng)酸滴定強(qiáng)堿恰好反應(yīng)的時(shí),理論上pH為7,但實(shí)際滴定的終點(diǎn)的pH不等于7,二者的誤差難以控制。利用滴數(shù)傳感器、pH傳感器等完成酸堿中和滴定的數(shù)字實(shí)驗(yàn),完美呈現(xiàn)出滴定過程中的pH變化曲線圖(如圖3),利用數(shù)據(jù)回放功能,當(dāng)接近終點(diǎn)時(shí),放慢速度,讓學(xué)生更直觀地感受接近滴定終點(diǎn)時(shí),一滴溶液(或半滴),可以使pH變化很大,也可以利用求導(dǎo)功能,直接找出滴定終點(diǎn)。
圖3 NaOH溶液滴定鹽酸過程中pH的變化曲線圖
四、提升認(rèn)知方式
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的運(yùn)用,對(duì)化學(xué)的認(rèn)知方式由三重表征(宏觀表征、微觀表征、符號(hào)表征)提升到四重表征(宏觀表征、微觀表征、符號(hào)表征、曲線表征)。宏觀表征主要是通過感官直接感知物質(zhì)的形態(tài)、顏色及化學(xué)變化時(shí)呈現(xiàn)的宏觀現(xiàn)象;微觀表征主要是指微觀粒子(如分子、離子、電子等)構(gòu)成物質(zhì)、微粒的運(yùn)動(dòng)及其變化過程中微觀信息的表征;符號(hào)表征主要是指用化學(xué)符號(hào)(如化學(xué)式、電子式、結(jié)構(gòu)式、化學(xué)反應(yīng)方程式等)對(duì)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化過程等信息進(jìn)行表征;曲線表征主要是指某因變量隨自變量的變化而變化,在由“x軸”“y軸”構(gòu)成的平面內(nèi)呈現(xiàn)的曲線變化的圖像表征?!八闹乇碚鳌钡恼J(rèn)知方式從更多的角度引導(dǎo)學(xué)生從本質(zhì)上理解化學(xué)變化,促進(jìn)其對(duì)化學(xué)概念、化學(xué)原理的學(xué)習(xí)。特別是曲線表征,學(xué)生可以通過曲線的信息深度思考其變化原因,進(jìn)而探究變化本質(zhì),發(fā)展核心素養(yǎng)。如:在構(gòu)建弱電解質(zhì)的電離平衡的概念時(shí),用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)測(cè)0.1 mol/L鹽酸與0.1 mol/L醋酸中溶質(zhì)的濃度稀釋到原濃度的1/10時(shí)pH的變化(如圖4),數(shù)字化實(shí)驗(yàn)表征出pH值的變化,而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)僅測(cè)出某一時(shí)間點(diǎn)的pH值,從pH值變化的表征,讓學(xué)生思考溶質(zhì)微粒的變化過程,很容易獲得強(qiáng)弱電解質(zhì)的區(qū)別及弱電解的電解平衡。
五、創(chuàng)新教學(xué)模式
新課程標(biāo)準(zhǔn)提倡的基于真實(shí)問題情境的科學(xué)探究,目的是讓學(xué)生樂于參與、主動(dòng)探索,在探究中發(fā)現(xiàn)問題、交流合作、解決問題,進(jìn)而發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)、證據(jù)推理與模型認(rèn)識(shí)的學(xué)科素養(yǎng)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驈亩鄠€(gè)角度呈現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的信息,幫助學(xué)生從不同的角度分析和理解,而且各個(gè)信息之間相互印證,成為突破教學(xué)疑難點(diǎn)的利器。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有利于拓展實(shí)驗(yàn)研究面,有利于讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)走出實(shí)驗(yàn)室,有利于學(xué)生的自主探究,讓學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體。在數(shù)字實(shí)驗(yàn)的支撐下,科學(xué)探究POE教學(xué)策略[“預(yù)測(cè)(Predict)—觀察(Observe)—解釋(Explain)策略”]及“6S”[激趣(Stimulate)、引導(dǎo)(Steer)、猜想(Suppose)、演示(Show)、探究(Seek)、總結(jié)(Summarize)]化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)模式都逐步走進(jìn)課堂,豐富創(chuàng)新了課堂教學(xué)模式。
六、學(xué)習(xí)方式的創(chuàng)新
數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為近幾年新發(fā)展的實(shí)驗(yàn)手段,豐富了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的方式,結(jié)合了化學(xué)學(xué)科和學(xué)生認(rèn)識(shí)特點(diǎn),激發(fā)了學(xué)生的探究欲望。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)中,可用于學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)、化學(xué)課外興趣小組的學(xué)習(xí)、化學(xué)選修課的學(xué)習(xí)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)等多種形式的學(xué)習(xí)活動(dòng),拓展了學(xué)生的探索范圍和學(xué)習(xí)空間,同時(shí)將實(shí)驗(yàn)對(duì)象也從學(xué)校拓展到科學(xué)—技術(shù)—社會(huì)—環(huán)境(STSE)的范疇,讓化學(xué)的學(xué)習(xí)更貼近社會(huì)和生活,有利于學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。
參考文獻(xiàn):
[1]錢揚(yáng)義.手持技術(shù)在化學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用與建模研究[M].北京:科學(xué)出版社,2009.
[2]錢揚(yáng)義.手持技術(shù)在理科實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究[M].北京:高等教育出版社,2003.
[3]徐志宏.淺談數(shù)字傳感器技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué),2013(9):50.
[4]鄧峰,錢揚(yáng)義,劉麗明,等.基于手持技術(shù)的“6S”化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)模式[J].中國(guó)電化教育,2007(11):7579.