王玲玲 丁嬌陽 余騰

[摘要]數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是信息技術(shù)發(fā)展的代表產(chǎn)物，在高中化學(xué)教學(xué)中引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，可幫助學(xué)生構(gòu)建化學(xué)認(rèn)知模型，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)概念的建構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的關(guān)鍵能力，突顯教育的核心價(jià)值，推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字化實(shí)驗(yàn);教學(xué)改革;信息技術(shù);價(jià)值分析

[中圖分類號(hào)]G633.8

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

[文章編號(hào)] 1674-6058（ 2020）35-0063-02

國務(wù)院辦公廳頒布的《關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》明確指出，在“創(chuàng)新教學(xué)組織管理”中要深化課堂教學(xué)改革，推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，加強(qiáng)教學(xué)研究和指導(dǎo)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是信息技術(shù)發(fā)展的代表產(chǎn)物，對(duì)優(yōu)化中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有極大的幫助，也能有效促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落地。

一、利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)構(gòu)建化學(xué)認(rèn)知模型

化學(xué)認(rèn)知的發(fā)展包含化學(xué)知識(shí)積累和認(rèn)識(shí)方式的豐富?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中要求“通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)的本質(zhì)和規(guī)律”。

【案例1】通過學(xué)習(xí)人教版化學(xué)選修4《原電池》一課，學(xué)生雖然已經(jīng)知道化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化，但對(duì)于建立由單液原電池到雙液原電池的認(rèn)知模型，特別是引入鹽橋裝置，理解原電池的工作原理還存在很大困難。

教材中引入實(shí)驗(yàn)4-1（如圖1），用充滿電解質(zhì)溶液的鹽橋，將放置Zn片的硫酸鋅溶液和放置Cu片的硫酸銅溶液進(jìn)行連接，然后將Zn片和Cu片用導(dǎo)線連接，并在中間串聯(lián)一個(gè)電流表，讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

理論上的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為：①插入鹽橋時(shí)電流表指針偏轉(zhuǎn);②Zn片逐漸溶解;③Cu片表面附著有銅單質(zhì)。結(jié)合宏觀現(xiàn)象推出微觀本質(zhì)：Zn較Cu活潑，易失電子，電子經(jīng)過導(dǎo)線到達(dá)Cu片，硫酸銅溶液中的Cu2+在Cu片上得電子生成Cu單質(zhì)。KCI鹽橋中Cl-向負(fù)極Zn片的燒杯中移動(dòng)，K+向正極Cu片的燒杯中移動(dòng)。問題來了，鹽橋內(nèi)離子是如何移動(dòng)的？

教材中對(duì)該問題的解釋是：由于鋅原子失去電子變成鋅離子，導(dǎo)致硫酸鋅溶液中正電荷增加;同時(shí)銅離子獲得電子變成銅單質(zhì)析出，使硫酸銅溶液中硫酸根濃度相對(duì)增加而帶負(fù)電荷;為平衡電荷，KCI鹽橋中鉀離子移向硫酸銅溶液，氯離子移向硫酸鋅溶液，使得氧化還原反應(yīng)得以進(jìn)行，從而源源不斷產(chǎn)生電流。但對(duì)于學(xué)生來說，原電池中的正極和負(fù)極的判斷、電池反應(yīng)、電子移動(dòng)方向、電流方向等一系列問題綜合在一起時(shí)，純粹的記憶和抽象的理解都不利于他們真正掌握原電池的知識(shí)。最好的方法是讓學(xué)生親自體驗(yàn)到“陽離子移向正極，陰離子移向負(fù)極”。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的引入就使得學(xué)生對(duì)以上問題有了直觀、準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，加深了學(xué)生對(duì)雙液原電池的模型認(rèn)知。比如通過鉀離子濃度傳感器（如圖2）檢測(cè)雙液原電池（氯化鉀鹽橋）電解液正極Cu片燒杯中的鉀離子濃度，展示鉀離子濃度的變化趨勢(shì)，實(shí)時(shí)、直觀地呈現(xiàn)出鉀離子的移動(dòng)方向（如圖3），幫助學(xué)生對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象形成直觀理解，得出離子移動(dòng)的規(guī)律，最后驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論的正確性。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)比人的感知更敏感、直觀、準(zhǔn)確，使得學(xué)生對(duì)過程變化的了解更全面、深入。部分?jǐn)?shù)字化實(shí)驗(yàn)，教師易于操作，學(xué)生易于理解。比如，pH傳感器可以在溶液渾濁或有沉淀、有顏色時(shí)測(cè)定體系的pH值;氧氣濃度傳感器可以測(cè)氫氧化亞鐵轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵時(shí)氧氣濃度的變化，從而確定發(fā)生微觀反應(yīng)，有助于學(xué)生理解反應(yīng)是什么，過程為什么。

另外，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有非常強(qiáng)大的信息分析處理性能。數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔短，且可自行記錄及處理，圖像繪制可自動(dòng)生成，大大提高了獲得實(shí)驗(yàn)圖像、數(shù)據(jù)和結(jié)果的速率，提高了實(shí)驗(yàn)的效率。所有數(shù)據(jù)資料可及時(shí)儲(chǔ)存，這使得學(xué)生能更加直接地觀測(cè)到實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和實(shí)驗(yàn)曲線，從而深刻理解化學(xué)變化的基本原理，如此便給學(xué)生提供了更多有意義的思考，并通過分析定量數(shù)據(jù)，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知的深化。

二、利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)促進(jìn)化學(xué)概念的建構(gòu)

概念原理是一類具有共同特性事物的抽象概括。在化學(xué)概念教學(xué)中，依托化學(xué)實(shí)驗(yàn)，基于真實(shí)問題情境，一直是概念教學(xué)的常用方法。學(xué)生通過親身感受宏觀現(xiàn)象的發(fā)生，體驗(yàn)實(shí)際問題的解決過程，逐漸領(lǐng)悟概念的本質(zhì)。

【案例2】以“酸堿中和滴定曲線的繪制”這一實(shí)驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)中的一個(gè)代表性實(shí)驗(yàn)，其中涉及重要概念，由于這部分知識(shí)內(nèi)容豐富（涉及滴定原理、中和反應(yīng)、滴定曲線、酸堿指示劑、滴定突躍、化學(xué)計(jì)量點(diǎn)、滴定終點(diǎn)等概念），學(xué)生學(xué)習(xí)起來相對(duì)抽象，人為操作引起的誤差很大。且實(shí)驗(yàn)前要進(jìn)行較長時(shí)間的準(zhǔn)備，比如酸式、堿式滴定管的檢漏、潤洗等;接近變色點(diǎn)時(shí)要十分謹(jǐn)慎地滴加，同時(shí)還要準(zhǔn)確讀數(shù);等等。這些煩瑣的工作使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較差。

而通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，不僅使滴定操作更簡單，曲線繪制更精細(xì)，而且讓學(xué)生對(duì)反應(yīng)的本質(zhì)以及滴定概念的理解更清晰、具體和準(zhǔn)確。比如，滴數(shù)傳感器和pH傳感器可以聯(lián)合使用，設(shè)定合適的液體滴加速度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶液pH變化，并以圖片的形式直觀呈現(xiàn)。又如，在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，通常用指示劑來指示酸堿滴定過程中溶液的pH變化，但只有突變點(diǎn)才能看到顏色的變化，無法看到整個(gè)過程中pH的變化，從表面上看似乎溶液pH沒有太大變化，但實(shí)質(zhì)上變化很大。這樣，學(xué)生就更難理解為什么指示劑的變色點(diǎn)不在pH=7處，卻用指示劑的突變來反映化學(xué)計(jì)量點(diǎn)。但引人數(shù)字化實(shí)驗(yàn)來描繪滴定過程的曲線，同時(shí)對(duì)滴定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就能很好地展示滴定終點(diǎn)的判斷、指示劑的選擇、突躍范圍之間的相互聯(lián)系。

三、利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)突顯教育的核心價(jià)值

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》提出，教育改革發(fā)展的核心包括“著力提高學(xué)生服務(wù)國家、服務(wù)人民的社會(huì)責(zé)任感”，這與新課程標(biāo)準(zhǔn)“立德樹人”的教育理念不謀而合。培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任意識(shí)也是當(dāng)下化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分?；瘜W(xué)本身來源于生活，同時(shí)也擔(dān)負(fù)著服務(wù)生活的使命，但受限于諸多因素，使得社會(huì)責(zé)任教學(xué)和化學(xué)學(xué)科教學(xué)未能有機(jī)融合，尤其缺少課外探究形式的教學(xué)，讓學(xué)生難以將知識(shí)應(yīng)用于生活，體會(huì)不到“學(xué)以致用”的成就感，也就更難認(rèn)清自身的使命和責(zé)任。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具有使用便捷高效的特點(diǎn)，傳感器和數(shù)據(jù)采集器也便于在戶外探究使用，讓學(xué)生可以自行研究身邊的化學(xué)現(xiàn)象，引發(fā)學(xué)習(xí)興趣，領(lǐng)略化學(xué)的魅力，及時(shí)關(guān)注與化學(xué)相關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問題，并能自己獨(dú)立思考。

【案例3】數(shù)字化實(shí)驗(yàn)“跟蹤監(jiān)測(cè)長江水質(zhì)變化的調(diào)查研究”。2018年，習(xí)總書記來到湖北宜昌，視察長江沿岸生態(tài)保護(hù)情況時(shí)再一次指出“綠水青山就是金山銀山”。我?！八{(lán)天白云社”的學(xué)生到戶外開展探究性實(shí)驗(yàn)，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行真實(shí)場(chǎng)景中的實(shí)驗(yàn)調(diào)查，以主人公的身份完成實(shí)驗(yàn)。比如，對(duì)長江水酸堿度、電導(dǎo)率、溶解氧、水溫等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試調(diào)查，并得出長江水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告，再通過長時(shí)間的跟蹤調(diào)查，整理出長江水質(zhì)變化報(bào)告。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的簡單的課外實(shí)驗(yàn)，不僅讓學(xué)生產(chǎn)生了科研的成就感，也讓保護(hù)環(huán)境的責(zé)任意識(shí)深深烙在了學(xué)生心里。

這樣，學(xué)生利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)走進(jìn)自然、走進(jìn)社會(huì)進(jìn)行考察，像科學(xué)家一樣進(jìn)行研究，有助于他們勇于探索、理性分析、務(wù)實(shí)求真的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)品質(zhì)的養(yǎng)成，同時(shí)增強(qiáng)了學(xué)生的社會(huì)屬性，幫助他們認(rèn)識(shí)社會(huì)、融人社會(huì)以及服務(wù)社會(huì)，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感。

四、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)科學(xué)探究的關(guān)鍵能力

由于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器具有攜帶方便、精密度高、研究量化等優(yōu)越性，故很適合用于開展學(xué)生的探究活動(dòng)。比如，學(xué)生在開展“測(cè)定長江水質(zhì)變化”“探究消毒液氧化性和酸度”等探究活動(dòng)中，自行查閱資料、制訂實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、觀察、評(píng)估、適時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)等，靈活運(yùn)用各種知識(shí)與技能。有時(shí)需要對(duì)不同的變量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)或因果關(guān)系做進(jìn)一步的探討，對(duì)變量的關(guān)系進(jìn)行假設(shè)并設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，這一過程極大地訓(xùn)練了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和分析問題的能力、假設(shè)和推理的能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與調(diào)控的能力、動(dòng)手操作和觀察的能力、收集和處理數(shù)據(jù)的能力、總結(jié)和歸納的能力、解釋與表達(dá)的能力等。在這一過程中，學(xué)生收獲了科學(xué)的研究方法，學(xué)會(huì)多角度觀察、思考、發(fā)現(xiàn)和解決問題，提高了對(duì)探究活動(dòng)的興趣，發(fā)展了實(shí)踐能力以及科學(xué)探究的關(guān)鍵能力。

（責(zé)任編輯 羅艷）