胡艷麗

摘要：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)利用傳感器和計(jì)算機(jī)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)圖表和圖像進(jìn)行展示增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可視性。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究鎂與稀鹽酸反應(yīng)過(guò)程，可直觀反映溫度、濃度等因素在不同階段對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。通過(guò)讓學(xué)生提出問(wèn)題、動(dòng)手操作、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、改進(jìn)創(chuàng)新這一系列研究性學(xué)習(xí)過(guò)程，真正落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；可視性；研究性學(xué)習(xí)；核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-0546（2023）09-0094-04

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2023.09.019

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是一種新興的信息技術(shù)，也是一種現(xiàn)代化的教學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，具有直觀、綜合、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、便攜、定量的特點(diǎn)，將對(duì)化學(xué)教育產(chǎn)生非常大的幫助和影響。[1]新課標(biāo)（2017版）中首次提出了要重視化學(xué)教材的信息化發(fā)展，提倡在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)軟件處理信息的能力。[2]要充分體現(xiàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教育功能，教師需要將其“融”人到具體的學(xué)科知識(shí)教學(xué)中，重視學(xué)生的主體地位，重視學(xué)科課程的重要地位，尋找充分發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能的途徑和策略。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充與完善，是優(yōu)化化學(xué)教學(xué)的需要。[3]

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)改變了學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知，信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)相互融合，加強(qiáng)了學(xué)生的思維鍛煉，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平。[4]將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的方式向?qū)W生展示，結(jié)果會(huì)更直觀，更能反映問(wèn)題的本質(zhì)，學(xué)生也更容易接受。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在一定程度上改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，變被動(dòng)為主動(dòng)，從而提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和學(xué)科思維能力。[5]

一、問(wèn)題提出

在人教版化學(xué)必修第二冊(cè)第六章第一節(jié)實(shí)驗(yàn)6—1中，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)知道鎂與稀鹽酸反應(yīng)是放熱反應(yīng)；在該章第二節(jié)學(xué)生學(xué)習(xí)了化學(xué)反應(yīng)速率之后，知道化學(xué)反應(yīng)速率不僅可以用快慢定性描述，還可以通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物濃度的減少或者是生成物濃度的增加來(lái)定量描述；在該節(jié)教材的練習(xí)與應(yīng)用中，更是通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)鎂與稀鹽酸反應(yīng)進(jìn)行更深入的定量分析。人教版化學(xué)必修第二冊(cè)第50頁(yè)第9題：

某課外實(shí)驗(yàn)小組利用壓強(qiáng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，探究鎂與不同濃度鹽酸的反應(yīng)速率，兩組實(shí)驗(yàn)所用藥品如表1所示。

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖1所示。學(xué)生需回答以下兩個(gè)問(wèn)題：（1）試說(shuō)明該圖中曲線的含義。（2）結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件，分析兩條曲線的區(qū)別。

在以往很多題目中我們接觸過(guò)很多速率時(shí)間圖，學(xué)生知道可以從pH、溫度、濃度等角度來(lái)分析曲線變化的原因，但是學(xué)生沒(méi)有嘗試過(guò)利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)自己親手將這些曲線繪制出來(lái)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比更直觀，更準(zhǔn)確地描述了在不同階段化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素，在本節(jié)引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，不光讓學(xué)生體會(huì)到化學(xué)研究從定性分析到定量分析的深入，更能熟悉采用只改變某一個(gè)因素，控制其他因素不變的變量控制研究方法，熟練進(jìn)行“數(shù)形轉(zhuǎn)換”。

因此，我們以此題為契機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室利用壓強(qiáng)傳感器、溫度傳感器、pH傳感器完成對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)，繪制壓強(qiáng)與時(shí)間、溫度與時(shí)間、pH與時(shí)間的曲線。通過(guò)比較單位時(shí)間內(nèi)壓強(qiáng)的變化來(lái)比較反應(yīng)速率，同時(shí)通過(guò)溫度與時(shí)間、pH與時(shí)間的變化曲線，讓學(xué)生分析影響化學(xué)反應(yīng)的因素以及不同階段的主導(dǎo)因素，變學(xué)生的被動(dòng)吸收為主動(dòng)探索。學(xué)生在探究中除了完成該題中的操作，還將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)一步深化與改進(jìn)，完成了一系列探究，最終得出結(jié)論。這種安排拓展了實(shí)驗(yàn)的深度，既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手操作能力，又通過(guò)定量化數(shù)據(jù)圖像分析，對(duì)學(xué)生進(jìn)行思維訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

二、實(shí)驗(yàn)原理

鎂與稀鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Mg+2HCl=MgC12+H2↑。之所以選擇這個(gè)反應(yīng)體系，一是因?yàn)樗鼈兎磻?yīng)時(shí)有明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，產(chǎn)生氣泡，反應(yīng)放熱，溫度變化明顯；二是反應(yīng)快慢適中，便于觀察和記錄；三是因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)藥品是實(shí)驗(yàn)室常用藥品，容易獲得，為學(xué)生接觸數(shù)字化實(shí)驗(yàn)提供了可行性。

三、實(shí)驗(yàn)用品

藥品：鎂條、鹽酸（ 1.0 moI.L-1， 0.5 moI.L-1）、蒸餾水。

儀器：量筒、膠頭滴管、試管、燒杯、壓強(qiáng)傳感器、溫度傳感器、pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦。

四、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

該數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要分為4步：

1．將壓強(qiáng)傳感器前端測(cè)量管在橡皮塞的圓孔中插緊并檢查裝置氣密性，將數(shù)據(jù)采集器與傳感器連接，并與電腦相連，如圖2所示。

2．用量筒量取2 mL 1.0 moI.L-1的稀鹽酸，倒人試管后固定好裝置，打開電腦軟件，取0.01 g鎂條置于試管中，并連接好壓強(qiáng)傳感器，塞緊橡膠塞，采集數(shù)據(jù)。待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，停止采集。

3．用量筒量取2 mL l.0 moI.L-1的稀鹽酸，倒人試管固定好裝置，打開電腦軟件，取0.01 g 條置于試管中，并連接好溫度傳感器，采集數(shù)據(jù)。待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，停止采集。

4．用量筒量取2 mL 1.0 moI.L-I的稀鹽酸，倒人試管后固定好裝置，打開電腦軟件，取0.01 g鎂條置于試管中，并連接好pH傳感器，采集數(shù)據(jù)。待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，停止采集。

五、數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

1．壓強(qiáng)與時(shí)間曲線

學(xué)生共分成六組完成實(shí)驗(yàn)，壓強(qiáng)與時(shí)間圖像繪制出來(lái)以后，讓各組學(xué)生交流自己圖像。其中有三組與圖1基本相似，例如：從圖3（a）可以看出0-100 s內(nèi)斜率比較大，100 s后壓強(qiáng)變化不大。有三組圖像曲線明顯不同，學(xué)生通過(guò)分析討論后找出各組實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題：圖3（b）沒(méi)有按照實(shí)驗(yàn)所需的藥品用量來(lái)進(jìn)行，圖3（c）可能是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中橡皮塞沒(méi)有塞緊，壓強(qiáng)增大后沖出導(dǎo)致氣密性不好，圖3（d）用了氫氣傳感器，并且實(shí)驗(yàn)中塞塞子的速度太慢了。

學(xué)生通過(guò)這組實(shí)驗(yàn)分析馬上意識(shí)到數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，普通實(shí)驗(yàn)室中簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)在這里必需要操作規(guī)范，否則不能得出正確的圖像結(jié)果，任何一個(gè)操作細(xì)節(jié)都可以從圖像上反映出來(lái)，實(shí)驗(yàn)時(shí)必須全身心投入，實(shí)事求是地做實(shí)驗(yàn)。后面幾組實(shí)驗(yàn)中學(xué)生不敢怠慢，準(zhǔn)確率有了顯著提高。

2．溫度與時(shí)間曲線

溫度時(shí)間圖基本都能做出來(lái)，通過(guò)圖4可以看出溫度在0-80 s升高得最快，整體趨勢(shì)表現(xiàn)為先升高后降低，這是由于該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，隨著反應(yīng)的發(fā)生溫度明顯升高，升高的溫度對(duì)反應(yīng)速率也產(chǎn)生了影響，使反應(yīng)速率在升溫階段快速提高。

3．pH與時(shí)間曲線

從圖5可以看出0-10 s氫離子濃度大對(duì)應(yīng)pH小，隨著反應(yīng)的發(fā)生溶液中氫離子濃度不斷減少，對(duì)應(yīng)圖像的pH不斷增大，其中10- 70 s內(nèi)pH變化幅度最大。整體來(lái)看曲線變化幅度較小，pH變化不是太明顯。學(xué)生通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)本次實(shí)驗(yàn)消耗鹽酸約為0.00083 mol，鹽酸過(guò)量較多，可以調(diào)整鹽酸的濃度。例如：選擇2 mL 0.5 mol．L-1鹽酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不但圖像效果更好，也節(jié)約了藥品。

4．結(jié)論

通過(guò)上述三組實(shí)驗(yàn)分析，反應(yīng)開始時(shí)氫離子濃度最大，但速率不是最快，主要是這時(shí)的溫度較低。在10- 70 s這個(gè)時(shí)間段壓強(qiáng)／時(shí)間曲線的斜率最大，反應(yīng)速率最快，這時(shí)溫度較高，氫離子濃度較大。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：對(duì)于同一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，在其他條件不變的情況下，反應(yīng)物濃度越大反應(yīng)速率越快；溫度越高，化學(xué)反應(yīng)速率越快。同一化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)速率會(huì)受到多種因素影響，在不同時(shí)段占主導(dǎo)的因素不同，對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響程度也不同。

六、實(shí)驗(yàn)反思與收獲

1．課本內(nèi)容驅(qū)動(dòng)，激發(fā)學(xué)生探究熱情

筆者基于較活潑金屬與酸反應(yīng)的特點(diǎn)及影響化學(xué)反應(yīng)的因素這些學(xué)生已基本了解的化學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，及時(shí)將書本知識(shí)利用各類傳感器和電腦實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，以數(shù)字和圖表的形式直觀地呈現(xiàn)出來(lái)，立刻獲得了學(xué)生認(rèn)可，激發(fā)了學(xué)生的探究熱情。學(xué)生通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量分析，有效地促進(jìn)了證據(jù)推理與模型認(rèn)知這一化學(xué)核心素養(yǎng)的形成。

2．利用反常圖像，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度

研究性學(xué)習(xí)要求學(xué)生提前了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，明確操作意圖，控制相關(guān)變量。學(xué)生實(shí)驗(yàn)中要頭腦清醒，規(guī)范操作，客觀記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，檢驗(yàn)自己的預(yù)測(cè)是否合理，對(duì)于沒(méi)有達(dá)到預(yù)測(cè)效果的實(shí)驗(yàn)要分析原因，并找出改進(jìn)方法。

在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有學(xué)生得不到正確的圖像，正是這些反常的數(shù)據(jù)和圖像讓一些不規(guī)范的操作、不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度立刻暴露出來(lái)，讓學(xué)生深切體會(huì)到科學(xué)態(tài)度是實(shí)驗(yàn)成功的前提。研究性學(xué)習(xí)過(guò)程不僅強(qiáng)化了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的科學(xué)探究方法，更培養(yǎng)了學(xué)生尊重事實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

3．優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)

在探究過(guò)程中有學(xué)生發(fā)現(xiàn)裝置可進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)于學(xué)生敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的精神，教師立即鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)一些優(yōu)化后的裝置，并讓他們進(jìn)行展示。例如：本次實(shí)驗(yàn)中一次只用一個(gè)傳感器測(cè)一個(gè)量，不同實(shí)驗(yàn)中誤差較大，有學(xué)生指出在同一組實(shí)驗(yàn)中同時(shí)用三個(gè)傳感器測(cè)量更準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)分析更有說(shuō)服力。教師及時(shí)肯定學(xué)生的建議并提醒要考慮壓強(qiáng)問(wèn)題。學(xué)生討論后想到了用三頸燒瓶組裝實(shí)驗(yàn)裝置，如圖6（a）是大多數(shù)同學(xué)的設(shè)計(jì)圖，圖6（b）是某同學(xué)的設(shè)計(jì)圖，該裝置使用了恒壓滴液漏斗，減小了實(shí)驗(yàn)誤差，讓結(jié)果更準(zhǔn)確。在展示交流的過(guò)程中甚至有同學(xué)提到，如果使用這些裝置，藥品的用量也要進(jìn)行調(diào)整，學(xué)生不僅有了創(chuàng)新意識(shí)同時(shí)也具備了科學(xué)探究的基本素養(yǎng)。

在上述活動(dòng)中，讓學(xué)生能發(fā)現(xiàn)和提出有探究?jī)r(jià)值的問(wèn)題；能從問(wèn)題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)出探究方案；能運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究；勤于實(shí)踐、善于合作、敢于質(zhì)疑勇于創(chuàng)新，[6]讓科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的學(xué)科核心素養(yǎng)真正落到實(shí)處。

4．鼓勵(lì)愛(ài)護(hù)器材，培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任。

本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用了多個(gè)傳感器，為保證學(xué)生能進(jìn)行規(guī)范操作，實(shí)驗(yàn)前教師演示了相關(guān)傳感器的用法并強(qiáng)調(diào)了使用注意事項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)中有學(xué)生拿出廢尺子和膠帶做成的傳感器支架，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置，安全實(shí)用。由于藥品用量少，試管不容易固定，有學(xué)生用5 mL滴眼液小藥瓶替代試管。實(shí)驗(yàn)后六組傳感器和數(shù)據(jù)采集器都放回了原處，pH傳感器也及時(shí)清洗并把電極放回了保存瓶里。這些細(xì)節(jié)過(guò)程既保護(hù)了器材，又幫助學(xué)生形成了正確的價(jià)值觀，培養(yǎng)了學(xué)生綠色化學(xué)理念與社會(huì)責(zé)任。

參考文獻(xiàn)

[1] 高妙添．運(yùn)用數(shù)字化手持技術(shù)改進(jìn)“測(cè)量化學(xué)反應(yīng)速率”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐[J]．化學(xué)教育，201 5，36（23）：49-55．

[2] 成華．將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有機(jī)整合，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)[J]．化學(xué)教與學(xué)，2021（14）：74-77+84．

[3] 陳琛，董雄輜，姚如富，姚成立，等．?dāng)?shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué) 的應(yīng)用研究[J]．合肥師范學(xué)院學(xué)報(bào)，201 8，36（03）：78-81.

[4] 張婷，馬宏佳．化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)影響學(xué)生概念改變的實(shí)證研究[J]．化學(xué)教育，201 7，38（09）：39-43.

[5] 穆莉莉，侯麗雅，章維一，微化學(xué)反應(yīng)的微流體數(shù)字化實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)研究[J]．化工學(xué)報(bào)，2009，60（03）：795-800.

[6] 中華人民共和國(guó)教育部，普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S]．北京：人民教育出版社，2020.