摘要： 在實施《教育信息化2.0行動計劃》背景下，本文結(jié)合化學(xué)課程標準的有關(guān)內(nèi)容，闡述了數(shù)字化實驗的教學(xué)功能，論述了數(shù)字化實驗與中學(xué)化學(xué)教學(xué)有效融合，在增進學(xué)生理解知識、提升探究水平、拓展認識領(lǐng)域及促進觀念形成等方面的重要作用。教師開展數(shù)字化實驗教學(xué)，應(yīng)選擇適合的內(nèi)容設(shè)計實驗，關(guān)注課程目標和教學(xué)重點，處理好與傳統(tǒng)實驗的關(guān)系，發(fā)揮實驗教學(xué)的功效，提升學(xué)生解決綜合性問題的能力。

關(guān)鍵詞：化學(xué);數(shù)字化實驗;信息技術(shù);傳感器;科學(xué)探究

2018年，教育部發(fā)布的《教育信息化2.0行動計劃》指出，“應(yīng)用信息技術(shù)解決教學(xué)、學(xué)習(xí)、生活中問題的能力成為必備的基本素質(zhì)”，倡導(dǎo)“發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，變革傳統(tǒng)模式，推進新技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合”。信息技術(shù)融入中學(xué)化學(xué)課程越來越受到關(guān)注。在中學(xué)化學(xué)課程中，數(shù)字化實驗是實現(xiàn)新技術(shù)與化學(xué)教學(xué)融合的重要手段，是化學(xué)課程培養(yǎng)學(xué)生信息素養(yǎng)的重要途徑。

一、數(shù)字化實驗進入化學(xué)課程

數(shù)字化實驗指利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機及相應(yīng)軟件進行的實驗^[1]，是現(xiàn)代技術(shù)手段在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。數(shù)字化實驗在我國走過近20年歷程，但正式進入中學(xué)化學(xué)課程，則是在近幾年?！陡咧谢瘜W(xué)課程標準（2017年版）》提出“關(guān)注信息環(huán)境下的教學(xué)改革”的修訂原則，給出“積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實驗的深度融合”相關(guān)實施建議?！皵?shù)字化實驗”和“傳感器”等名詞從此見諸化學(xué)課程標準?！读x務(wù)教育化學(xué)課程標準（2022年版）》在課程目標要求、課程內(nèi)容、課程實施板塊中多次提出信息技術(shù)融入化學(xué)課程的要求和建議（如圖1）。

新的課程標準從學(xué)科本質(zhì)、科學(xué)探究、實際應(yīng)用、解決問題等角度，反映信息技術(shù)融入中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重要性，對于課程實施中數(shù)字化實驗的開展，具有重要的指導(dǎo)意義。

二、發(fā)揮數(shù)字化實驗的教學(xué)功能

隨著數(shù)字化實驗教學(xué)應(yīng)用的普及程度不斷提升，越來越多的學(xué)生有機會應(yīng)用數(shù)字化設(shè)備來探究和創(chuàng)新^[2]。數(shù)字化實驗與中學(xué)化學(xué)實驗有效融合，對增進知識理解、提升探究水平、拓展認識領(lǐng)域及促進觀念形成具有積極影響，不斷促進教學(xué)功能的優(yōu)化。

（一）增進知識理解，認識學(xué)科本質(zhì)

課堂教學(xué)是中學(xué)化學(xué)的主要教學(xué)活動，化學(xué)實驗教學(xué)是一種重要的方式，體現(xiàn)較強的認識功能價值。化學(xué)實驗是學(xué)生獲取知識，形成感性認識的重要途徑。真實的實驗現(xiàn)象，是學(xué)生認識元素化合物性質(zhì)、概念原理的感性認識基礎(chǔ)。觀察實驗現(xiàn)象是學(xué)生認識物質(zhì)的重要科學(xué)方法。教師將信息技術(shù)融入化學(xué)實驗教學(xué)，通過傳感器這一技術(shù)手段表征化學(xué)反應(yīng)中的物質(zhì)變化^[3]，將傳統(tǒng)實驗中難以觀察到的變化，經(jīng)過技術(shù)分析和處理，轉(zhuǎn)化為直觀的數(shù)據(jù)或圖像，不僅能提升化學(xué)實驗過程和結(jié)果的可視化程度和準確度，而且可使抽象且模糊的化學(xué)知識具體化、清晰化，引導(dǎo)學(xué)生從量的角度分析實驗過程和結(jié)果，從量的角度感知化學(xué)知識，并根據(jù)不同因素的數(shù)量關(guān)系揭示化學(xué)規(guī)律^[4]，幫助學(xué)生透過現(xiàn)象認識本質(zhì)，從感性認識上升為理性分析，進而認識學(xué)科本質(zhì)，建立認知過程，形成科學(xué)觀念，促進認知能力發(fā)展。

例如，“離子反應(yīng)”是高中化學(xué)中的重要概念，比較抽象，認識其反應(yīng)的本質(zhì)，對學(xué)生來說存在一定難度。人教版《普通高中教科書 化學(xué) 必修第一冊》編排了如下兩種形式的實驗。一是利用傳統(tǒng)實驗，通過氯化鋇溶液與硫酸鈉溶液反應(yīng)生成沉淀的實驗現(xiàn)象，證明發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。教師參照教材進行實驗，旨在提供感性情境素材，講解電離方程式，引導(dǎo)學(xué)生將宏觀現(xiàn)象與微觀解釋相聯(lián)系，認識“離子反應(yīng)”的本質(zhì)。二是利用習(xí)題，呈現(xiàn)借助電導(dǎo)率傳感器進行氫氧化鋇溶液與稀硫酸反應(yīng)的數(shù)字化實驗的結(jié)果——導(dǎo)電能力變化曲線^[5]。雖然這個數(shù)字化實驗是作為習(xí)題呈現(xiàn)的，但是在教學(xué)中已有較多應(yīng)用，所呈現(xiàn)的曲線可“直觀”表征離子反應(yīng)的過程。教師對曲線的變化進行分析和解釋，可使學(xué)生比較容易地理解“離子反應(yīng)”的實質(zhì)。

（二）提升探究水平，發(fā)展科學(xué)思維

化學(xué)實驗是探究活動的重要形式，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識核心素養(yǎng)的重要途徑?？茖W(xué)探究過程包括獲取證據(jù)、分析解釋數(shù)據(jù)等重要環(huán)節(jié)。學(xué)生通過觀察和實驗等方法獲取證據(jù)，基于證據(jù)進行分析推理^[6]，可提高科學(xué)思維能力。教師應(yīng)用信息技術(shù)開展數(shù)字化實驗教學(xué)，有利于學(xué)生獲得更多的數(shù)據(jù)變量，并通過控制多變量獲取信息，使實驗結(jié)果分析的合理性增強。學(xué)生對真實數(shù)據(jù)、圖像或曲線進行綜合性分析，使證據(jù)推理的可靠性增強，有利于他們認識變量控制的實驗方法，提升綜合歸納的能力，發(fā)展科學(xué)思維能力。

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》劃分了學(xué)科核心素養(yǎng)水平。筆者基于此，將科學(xué)探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)中證據(jù)和處理分析水平劃分了4個層次（見表1）。

對于“離子反應(yīng)”，例如氯化鋇溶液與硫酸鈉溶液反應(yīng)的傳統(tǒng)實驗，反應(yīng)現(xiàn)象不足以作為判斷離子反應(yīng)發(fā)生的直接證據(jù)，所以，教材并沒有設(shè)計探究活動（考慮大多數(shù)學(xué)校教學(xué)條件），素養(yǎng)水平為1級或2級。在教學(xué)中，教師可設(shè)計傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗相結(jié)合的實驗探究活動，先通過傳統(tǒng)實驗帶領(lǐng)學(xué)生感知現(xiàn)象、分析現(xiàn)象、提出問題，在此基礎(chǔ)上，再開展數(shù)字化實驗，利用數(shù)據(jù)和圖像，獲取有效證據(jù)，作證據(jù)推理、分析解釋，揭示“離子反應(yīng)”的本質(zhì)。學(xué)生參與這樣的探究活動，相關(guān)素養(yǎng)提升到3級或4級。教學(xué)中，學(xué)生素養(yǎng)水平的進階路徑如圖2所示。

在融合數(shù)字化實驗的探究活動中，學(xué)生不僅可以通過觀察現(xiàn)象進行感知性認識，而且可通過對數(shù)字化實驗表征的數(shù)據(jù)和圖像進行處理和分析，認識定量研究的意義，理解學(xué)科本質(zhì)，認識科學(xué)方法，了解科學(xué)探究過程，提升科學(xué)探究和證據(jù)推理學(xué)科核心素養(yǎng)水平。

（三）拓展認識領(lǐng)域，促進觀念形成

新課程注重綜合化，重視培養(yǎng)學(xué)生在真實情境下解決綜合問題的能力，強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生“綜合運用化學(xué)等學(xué)科的知識和方法，通過一定的技術(shù)手段，在解決真實情境問題和完成綜合實踐活動中展現(xiàn)的能力與品格”^[7]。在初中和高中課程標準中，提出了許多真實情境下的綜合實踐活動及建議，如“微型空氣質(zhì)量‘檢測站的組裝與使用”“基于特定需求設(shè)計和制作簡易供氧器”“水質(zhì)檢測及自制凈水器”等跨學(xué)科實踐活動，以及“應(yīng)用數(shù)字化實驗等手段探究不同環(huán)境中空氣的質(zhì)量”“水體富營養(yǎng)化、化學(xué)需氧量（CDO）或生化需氧量（BDO）的測定”等任務(wù)。學(xué)生在真實情境下開展活動，不僅需要調(diào)用多學(xué)科的知識，而且要根據(jù)實際需要，通過技術(shù)手段獲取和加工信息^[8]。例如：學(xué)生參與“水質(zhì)檢測及自制凈水器”這一活動，可以利用傳感器檢測水的濁度和色度，也可以利用氯離子傳感器檢驗水中的氯離子濃度;學(xué)生“應(yīng)用數(shù)字化實驗等手段探究不同環(huán)境中空氣的質(zhì)量”，需要利用氧氣、二氧化碳等多種氣體傳感器;等等。數(shù)字化實驗技術(shù)的融入為有效開展綜合實踐活動提供了有力支撐。

教師利用數(shù)字化實驗在真實情境下開展綜合實踐教學(xué)活動，豐富了探究實踐的手段和形式，拓展了學(xué)生的認識領(lǐng)域。科學(xué)開展數(shù)字化實驗教學(xué)，不僅能促進學(xué)生形成運用多學(xué)科知識、技術(shù)、工程融合解決問題的能力^[9]，而且能使學(xué)生增強利用現(xiàn)代技術(shù)研究和解決實際問題的意識，理解科學(xué)與技術(shù)的關(guān)系，體會和認識技術(shù)手段的創(chuàng)新對化學(xué)科學(xué)的重要價值，形成嚴謹求實、勇于實踐的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展實踐能力^[10]，增強科學(xué)觀念與社會責(zé)任感。

三、數(shù)字化實驗教學(xué)需注意的問題

（一）選擇適合的內(nèi)容設(shè)計實驗

在課堂教學(xué)中，數(shù)字化實驗內(nèi)容的選擇和設(shè)計主要體現(xiàn)在幾個方面：補充新實驗，解決傳統(tǒng)實驗現(xiàn)象難以觀察或耗時較長等問題;與傳統(tǒng)實驗結(jié)合，體現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的原理及變化過程或趨勢;對實驗現(xiàn)象進行分析、解釋，揭示本質(zhì);開展綜合實踐活動，解決實際問題;等等。教師進行教學(xué)設(shè)計，應(yīng)選擇適合的內(nèi)容，注重發(fā)揮數(shù)字化實驗的功效，講求實效，切實體現(xiàn)其優(yōu)勢，提高課堂教學(xué)效率。

如條件受限，開展數(shù)字化實驗有一定的困難，教師可通過多種形式的設(shè)計體現(xiàn)數(shù)字化實驗手段的作用，如以資料信息的形式介紹實驗方法和過程，以討論交流、習(xí)題等形式，對數(shù)字化實驗呈現(xiàn)的圖像進行分析等。人教版化學(xué)教材必修第一冊第二章第二節(jié)“科學(xué)·技術(shù)·社會”欄目以“驗證次氯酸光照分解產(chǎn)物的數(shù)字化實驗”^[11]為例，介紹了數(shù)字化實驗的定義、設(shè)備、實驗步驟、實驗結(jié)果等，讓學(xué)生對數(shù)字化實驗有初步的了解。選擇性必修第一冊第三章第一節(jié)中的“思考與討論”欄目給出了鎂與鹽酸、醋酸反應(yīng)時氣體壓強隨時間變化的曲線（如圖3^[12]），引導(dǎo)學(xué)生圍繞相關(guān)問題進行討論分析，增強對化學(xué)反應(yīng)速率、電離平衡移動等知識的理解，提升其圖像分析的能力。在教學(xué)中，教師可結(jié)合學(xué)校和學(xué)生的實際情況，參考這些示例或形式進行再設(shè)計，以發(fā)揮數(shù)字化實驗的功能價值。

（二）關(guān)注課程目標要求和教學(xué)重點

教師設(shè)計數(shù)字化實驗，應(yīng)關(guān)注課程目標及教學(xué)重點，考慮不同學(xué)段對知識內(nèi)容的要求，優(yōu)化教學(xué)。例如，對于中和反應(yīng)的實驗，教師可利用數(shù)字化實驗將其設(shè)計為多變量，讓學(xué)生使用不同的傳感器進行實驗探究。在不同階段，對于實驗呈現(xiàn)的圖像的分析，要求有所不同：義務(wù)教育階段，可引導(dǎo)學(xué)生觀察曲線的變化，認識反應(yīng)的發(fā)生及放熱現(xiàn)象的事實，達成教學(xué)目標;高中階段則可以根據(jù)教學(xué)實際，設(shè)計中和滴定實驗，分析中和反應(yīng)的變化過程、滴定終點、突變點及熱量變化等，還可以利用數(shù)據(jù)、曲線進行有關(guān)的計算。

數(shù)字化實驗是將化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象或過程轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)和圖像，常需要學(xué)科或跨學(xué)科知識間的轉(zhuǎn)換。教師設(shè)計數(shù)字化實驗，應(yīng)考慮學(xué)生的知識基礎(chǔ)，在裝置、操作、原理和時效上都應(yīng)堅持簡約原則，避免過多引入新的知識而偏離重點，降低教學(xué)功效。

（三）處理好數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的關(guān)系

傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗各有其教學(xué)功能，采用何種實驗方式，教師應(yīng)考慮不同的教學(xué)環(huán)境、學(xué)習(xí)背景、目標要求和教學(xué)重點，科學(xué)決策。例如，空氣中氧氣含量的測定，是教材設(shè)計的一個經(jīng)典實驗，此實驗的重點并不在于結(jié)果的精確性，而是通過模擬科學(xué)發(fā)現(xiàn)，讓學(xué)生感受科學(xué)家的研究過程，了解科學(xué)實驗和探究的方法，加深對空氣中氧氣含量的認識，同時學(xué)習(xí)氧氣的性質(zhì)。對于教學(xué)實驗，教師不應(yīng)只是關(guān)注實驗結(jié)果及結(jié)果的精確程度，更要關(guān)注對過程和結(jié)果的分析和探究，引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度體驗探究的過程。在這方面，空氣中氧氣含量的測定這一實驗發(fā)揮了較強的作用和功效。教學(xué)中，教師融入數(shù)字化實驗，利用傳感器可以很方便、快速地測得較為精確的結(jié)果，使學(xué)生清楚地認識空氣的成分，加深對定量研究方法的了解。教師還可以進一步引導(dǎo)學(xué)生探究反應(yīng)中氧氣是否能完全消耗等問題，拓展認識領(lǐng)域，提升探究水平。在實驗之后，教材說明了“人們已能用實驗方法精確地測定空氣的成分”，這為實驗探究的拓展提供了空間。

教學(xué)實驗應(yīng)以簡潔實用為原則，數(shù)字化實驗的融入，不應(yīng)使實驗復(fù)雜化。例如，檢測化學(xué)反應(yīng)后溶液的酸堿度，用pH試紙或pH計即可達到目的，引入數(shù)字化實驗意義不大。

傳統(tǒng)實驗是中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的主要形式，數(shù)字化實驗是傳統(tǒng)實驗基礎(chǔ)上技術(shù)手段的更新而非替代，二者各具有獨特而重要的教學(xué)功能。在教學(xué)中，教師只有將數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗科學(xué)融合，相輔相成，才能真正提升化學(xué)實驗教學(xué)的功效。

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（作者系人民教育出版社編審，中國教育學(xué)會化學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會理事長，義務(wù)教育化學(xué)課程標準修訂組核心成員，人教版初高中化學(xué)教材主編）

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