陳勇

摘要：近三年南京市中考化學(xué)試題出現(xiàn)了新類型，均滲透了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力提出了新的要求。因此，有必要在初中開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，針對性地提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)能力和化學(xué)基本素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：中考化學(xué);數(shù)字化實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

文章編號：1008-0546（2018）10-0082-02 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

近三年，南京市中考化學(xué)試題中均引入了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，在考查學(xué)生能力方面提出了新的要求。基于對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的定性分析，增加對具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的定量分析;在定性探究實(shí)驗(yàn)中物質(zhì)組成或利用質(zhì)量守恒定律進(jìn)行簡單含量計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步定量認(rèn)識實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象的本質(zhì)。需要學(xué)生在已有的實(shí)驗(yàn)認(rèn)知上進(jìn)一步觀察、分析、推導(dǎo)，學(xué)生容易在做題時迷惘。因此，有必要在平時的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)定量認(rèn)識實(shí)驗(yàn)的變化過程，從新的角度探究化學(xué)實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，從而更好地適應(yīng)中考化學(xué)的新理念。

一、數(shù)字化化學(xué)實(shí)驗(yàn)簡介

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置由傳感器（探頭）、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)（軟件）三個部分組成，常用于定量采集各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)字化化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以觀察和分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的微小變化，實(shí)時監(jiān)測和記錄化學(xué)反應(yīng)過程中各因素變化，將化學(xué)反應(yīng)和現(xiàn)象的本質(zhì)轉(zhuǎn)化為直觀的、可監(jiān)測的數(shù)據(jù)信號，并以圖表形式展示其變化特征及趨勢，實(shí)現(xiàn)定性實(shí)驗(yàn)定量化、實(shí)驗(yàn)變化過程的可視化和精確化，幫助學(xué)生從新的角度去認(rèn)識化學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時更深入地理解化學(xué)現(xiàn)象和反應(yīng)背后的本質(zhì)和規(guī)律。初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的傳感器主要有溫度、濕度、pH值和壓強(qiáng)傳感器四種[1]。

二、中考化學(xué)試題中數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的滲透

近三年南京市中考化學(xué)試題中均有滲透了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。2016年中考實(shí)驗(yàn)探究題注明了“用測氧氣濃度的傳感器測得反應(yīng)后裝置內(nèi)氧氣濃度分別為8.85%和3.21%”，2017年中考實(shí)驗(yàn)探究題和2018年選擇題都引用了通過pH傳感器測定的滴定過程中溶液酸堿度的變化曲線。題中均給出了明確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)考查學(xué)生觀察圖表，分析、推理化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的能力。

1.2016年中考化學(xué)22題：測定空氣中O₂的體積分?jǐn)?shù)

【試題節(jié)選】

實(shí)驗(yàn)與交流：在老師的指導(dǎo)下，小明分別用過量的紅磷和白磷進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，用測氧氣濃度的傳感器測得反應(yīng)后裝置內(nèi)氧氣濃度分別為8.85%和3.21%，請從燃燒條件的角度回答產(chǎn)生上述結(jié)果的主要原因_________________.

【試題特點(diǎn)】

（1）給出了精確的實(shí)驗(yàn)測定數(shù)據(jù)。盡管傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)也可以測定空氣中氧氣的含量，但是無法回避由于實(shí)驗(yàn)操作導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，測定的結(jié)果偏差較大。而采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，可以簡化繁瑣的實(shí)驗(yàn)操作，從而有效減小人為誤差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精確。并且，精確的數(shù)據(jù)更加具備說服力，引導(dǎo)學(xué)生跳出傳統(tǒng)的人為操作誤差分析。

（2）引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，激勵學(xué)生進(jìn)一步探究實(shí)驗(yàn)本質(zhì)。試題指出采用紅磷和白磷兩種相似的物質(zhì)測定，但都存在誤差，且實(shí)驗(yàn)誤差不同。針對該誤差分析，題中指出從“燃燒條件的角度”思考，學(xué)生通過分析燃燒的三個條件，自然地聯(lián)想到是由于選用的可燃物不同。進(jìn)而從物質(zhì)的性質(zhì)角度去思考，結(jié)合初中階段對紅磷和白磷的已有認(rèn)知，得出正確的結(jié)論：由于二者之間著火點(diǎn)不同，白磷的著火點(diǎn)比紅磷低，因此它更易燃燒，更加充分地消耗氧氣。學(xué)生對燃燒的原理也有了更深的理解。

2.2017年中考21題：探究碳酸氫鈉、碳酸鈉、氫氧化鈉的某些性質(zhì)

【試題節(jié)選】

實(shí)驗(yàn)探究3：向等體積、含等碳原子數(shù)的碳酸氫鈉和碳酸鈉溶液中，分別逐滴加入一定濃度的鹽酸，得到下列PH變化與時間的關(guān)系（變化曲線）如圖2、圖3所示。

交流與反思：b點(diǎn)的溶質(zhì)為_______（寫化學(xué)式），將圖2和圖3的陰影部分進(jìn)行疊加，發(fā)現(xiàn)兩者基本重合，c點(diǎn)的溶質(zhì)_______（寫化學(xué)式）。

得出結(jié)論3：通過上述分析，碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)過程，可以依次用以下兩個化學(xué)方程式表示：_______、

結(jié)論與反思：通過PH（不同物質(zhì)的）判斷反應(yīng)的進(jìn)程。

【試題特點(diǎn)】

（1）以圖像的形式直觀地呈現(xiàn)反應(yīng)過程的本質(zhì)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在碳酸鈉溶液中滴加稀鹽酸，學(xué)生會觀察到開始時無明顯現(xiàn)象，過一會開始產(chǎn)生氣泡，再根據(jù)質(zhì)量守恒定律推斷反應(yīng)的進(jìn)程，即反應(yīng)是否發(fā)生以及產(chǎn)物是什么。依據(jù)簡單的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行理論性猜想、推理，說服力不足，多數(shù)學(xué)生無法真正理解反應(yīng)的本質(zhì)。通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，則可以實(shí)時檢測反應(yīng)時溶液的PH值，繪制反應(yīng)過程中PH變化的圖像，直觀、清晰地呈現(xiàn)反應(yīng)中關(guān)鍵物質(zhì)的變化趨勢，使實(shí)驗(yàn)過程、結(jié)果可視化，物質(zhì)變化的過程蘊(yùn)含其中。幾個曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)就是反應(yīng)物種類改變的時刻，曲線的走勢則是反應(yīng)的進(jìn)行程度。

（2）利用圖像突破知識重難點(diǎn)。試題涉及的內(nèi)容屬于高中化學(xué)，在高中教學(xué)中也是重難點(diǎn)。如果仍依托于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，初中階段將無法進(jìn)行探究和考核。但借助于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以檢測、記錄、繪制反應(yīng)過程中溶液PH變化的圖像，可以順利引導(dǎo)初中生分析圖像中重要關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，逐步解析PH變化曲線的走向和趨勢，依據(jù)圖像中觀察到的信息，厘清反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，即反應(yīng)中關(guān)鍵物質(zhì)的變化。

（3）對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和化學(xué)素養(yǎng)提出新的要求。在考查學(xué)生根據(jù)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象判斷化學(xué)反應(yīng)實(shí)質(zhì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考核學(xué)生的觀察、分析、理解能力。通過觀察、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的圖像，分析、比較圖像中數(shù)據(jù)差別、聯(lián)系及變化趨勢，推導(dǎo)、認(rèn)識實(shí)驗(yàn)過程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，最終理解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)探究能夠考核的化學(xué)知識有限，一定程度上無法進(jìn)一步提高學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以為學(xué)生提供更多的有效信息，學(xué)生在分析中提煉關(guān)鍵信息，探索化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，深化原有認(rèn)知，提高自身的化學(xué)素養(yǎng)[2]。

3.2018年中考12題：辨析氫氧化鈉和稀鹽酸的中和反應(yīng)

【試題節(jié)選】

下圖為三種不同濃度的氫氧化鈉溶液對應(yīng)濃度的鹽酸反應(yīng)的曲線。

下列說法正確的是

A.在a、b、c三種曲線所示的實(shí)驗(yàn)中，所用鹽酸濃度越大，V時所得溶液的PH越大

B.在a曲線所示的實(shí)驗(yàn)中，若用酚酞作指示劑，酚酞溶液由紅色變?yōu)闊o色

C.在a、b、c三種曲線所示的實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)速率相同

D.在A、B、c三種曲線所示的實(shí)驗(yàn)中，溶液酸性由強(qiáng)到弱的順序是a>b>c

【試題特點(diǎn)】

1.通過圖像分析拓展延伸，綜合考核重難點(diǎn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只是用酚酞作指示劑，通過溶液顏色的改變，證明氫氧化鈉和稀鹽酸發(fā)生了中和反應(yīng)，并未在中和反應(yīng)中加入反應(yīng)物濃度這一概念，且初中階段通常通過考核反應(yīng)物的濃度是影響化學(xué)反應(yīng)速度的因素之一。本題中則要求學(xué)生進(jìn)一步通過圖像中的起止點(diǎn)，辨析題干中“等濃度”這一概念——對應(yīng)的酸和堿，起點(diǎn)時酸性越強(qiáng)，終點(diǎn)時堿性也越強(qiáng)，從而準(zhǔn)確辨析3條PH曲線的歸屬。

2.跳出“理想實(shí)驗(yàn)”，考核客觀實(shí)驗(yàn)事實(shí)。在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生往往會有疑問：為什么中和反應(yīng)溶液的pH變化情況不是直線，并且都在pH=7時曲線陡升或陡降？傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法很好地解決這一問題，而通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)實(shí)時、準(zhǔn)確地測定溶液的pH值，呈現(xiàn)清晰的PH變化過程及趨勢，學(xué)生能直觀地認(rèn)識中和反應(yīng)，理解該反應(yīng)的特點(diǎn)，正確認(rèn)識溶液的酸堿度這一概念。

總之，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)特有的感官的延伸、表征的多元、數(shù)據(jù)的可靠、處理的科學(xué)，能夠揭示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的本質(zhì)、實(shí)現(xiàn)定性實(shí)驗(yàn)定量化、實(shí)驗(yàn)變化過程的可視化和精確化，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有力的輔助、補(bǔ)充和拓展，與傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)可優(yōu)勢互補(bǔ)、相得益彰。對于教師來說，我們要與時俱進(jìn)，更新教育教學(xué)現(xiàn)念，探索將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化化學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的新途徑，提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]朱鵬飛.傳感技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用情況的調(diào)查及分析[J].北學(xué)教與學(xué)，2014（6）：21-24

[2]唐增富.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是助推中學(xué)化學(xué)教學(xué)的利器[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（Z1）：26-30