劉穎

摘要：本文在介紹中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了四個(gè)方面的論述：可使實(shí)驗(yàn)從定性升華到定量；有利于突破教學(xué)難點(diǎn)；有利于學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)；可為研究性學(xué)習(xí)提供技術(shù)支持。但中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，它與傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)可優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相得益彰。

關(guān)鍵詞：化學(xué)? 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)? 定量

中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)采集器、傳感器組成，將數(shù)字溫度計(jì)、pH計(jì)、電導(dǎo)率計(jì)、分光光度計(jì)等整合為一體。該系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的即時(shí)處理、編輯，可存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)文件。該數(shù)據(jù)采集器可實(shí)現(xiàn)采集器與電腦的連接，又可以進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集，具有內(nèi)置內(nèi)存，可以保存實(shí)驗(yàn)文件，可自動(dòng)識(shí)別各種傳感器和自定義傳感器功能。配備的傳感器可以檢測(cè)溫度、壓強(qiáng)、電流、電壓、pH、電導(dǎo)率等物理量，支持對(duì)相關(guān)化學(xué)反應(yīng)的監(jiān)測(cè)。

中學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以將化學(xué)反應(yīng)和現(xiàn)象的本質(zhì)轉(zhuǎn)化為可監(jiān)測(cè)的信號(hào)，從而幫助學(xué)生更深入地研究化學(xué)現(xiàn)象和反應(yīng)的本質(zhì)和規(guī)律，具有先進(jìn)、便捷、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、綜合、直觀等顯著特點(diǎn)。使用化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以優(yōu)化部分常規(guī)實(shí)驗(yàn)，降低教學(xué)難度；可以幫助解決一些常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段不能解決的問(wèn)題，是對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段的重要補(bǔ)充。該系統(tǒng)尤其對(duì)化學(xué)概念原理的課堂教學(xué)、研究性學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)起到有效的輔助作用，豐富了研究性學(xué)習(xí)和綜合實(shí)踐活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)新課程教學(xué)內(nèi)容改革和教學(xué)方式改革具有明顯的支持作用，是對(duì)化學(xué)教學(xué)與現(xiàn)代教育技術(shù)整合的有益探索。

中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的發(fā)展能夠起到積極作用，增進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)現(xiàn)象和原理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法和能力，有利于發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。在教學(xué)中使用中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)提高中學(xué)化學(xué)教學(xué)的現(xiàn)代化水平和教師專業(yè)素質(zhì)發(fā)展都具有積極的作用。由數(shù)字化采集設(shè)備、局域網(wǎng)、計(jì)算機(jī)終端、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)及多媒體技術(shù)組成的中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，促使產(chǎn)生新的課堂教學(xué)模式，使課堂實(shí)驗(yàn)的“教”與“學(xué)”合二為一，是一種以學(xué)生為“主體”，教師為“主導(dǎo)”的新型教學(xué)方式。

一、中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可使實(shí)驗(yàn)從定性升華到定量

在傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，雖能觀察到實(shí)驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)的現(xiàn)象，但很難進(jìn)行定量化處理。使用數(shù)字化傳感技術(shù)，可以采集到實(shí)驗(yàn)整個(gè)過(guò)程的完整數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)的分析，可以感受到實(shí)驗(yàn)全程的變化，從而可以得出更加準(zhǔn)確、科學(xué)的結(jié)論。將計(jì)算機(jī)與手持技術(shù)儀器聯(lián)用時(shí)，傳感器可以精確地測(cè)量與傳遞實(shí)驗(yàn)中所測(cè)定的各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將通過(guò)數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)經(jīng)由配套軟件將數(shù)據(jù)以表格和圖像的形式呈現(xiàn)，并進(jìn)行分析處理。

使用中學(xué)化學(xué)數(shù)字化儀器，培養(yǎng)學(xué)生獲取數(shù)據(jù)的能力。中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，有不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器的信息工具儀器，如傳感器和數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器難以測(cè)量和儲(chǔ)存隨時(shí)間變化的各種物理量以及隨其它方面變化的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也不能快速的可視化。信息工具儀器能解決這個(gè)問(wèn)題，并且當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間很長(zhǎng)或很短，或者需要同時(shí)獲得多種數(shù)據(jù)時(shí)，傳感器和數(shù)據(jù)收集器起到很好的效用。適當(dāng)組合地使用傳感器和數(shù)據(jù)收集器來(lái)采集數(shù)據(jù)和利用實(shí)時(shí)圖像來(lái)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，有利于培養(yǎng)學(xué)生獲取數(shù)據(jù)的能力，空出更多的時(shí)間讓學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，培養(yǎng)學(xué)生的思考能力。

使用中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)專業(yè)軟件，培養(yǎng)學(xué)生分析化學(xué)數(shù)據(jù)的能力。而電子數(shù)據(jù)表是用來(lái)分析數(shù)據(jù)的軟件。數(shù)據(jù)可以通過(guò)鍵盤(pán)收到輸入或從文件夾中輸出。電子數(shù)據(jù)表一個(gè)重要的用處就是數(shù)據(jù)可以以圖像的形式分析。兩組或多組相關(guān)的數(shù)據(jù)可以用柱狀圖或簡(jiǎn)單的線形圖表示。例如，學(xué)生利用電子數(shù)據(jù)表按原子序號(hào)顯示物質(zhì)的性質(zhì)。這便于學(xué)生形象化看到各主族、各周期在周期表中的變化趨勢(shì)。同時(shí)電子數(shù)據(jù)表可以幫助學(xué)生形象化的研究反應(yīng)產(chǎn)物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響。簡(jiǎn)單的化學(xué)系統(tǒng)模型，如化學(xué)平衡可以用到電子數(shù)據(jù)表。學(xué)生可以探究在“假設(shè)” 情況下的分析。

在《堿溶解與堿溶液的pH變化》實(shí)驗(yàn)中，將pH溫度傳感器與pH傳感器置于盛有少量水的燒杯中，隨著固體氫氧化鈉的加入，計(jì)算機(jī)屏幕上將分別出現(xiàn)兩條逐漸上升的實(shí)驗(yàn)曲線，并且在表格中實(shí)時(shí)顯示溫度與pH值的變化數(shù)據(jù)?？梢?jiàn)，化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，可將傳統(tǒng)教學(xué)中的定性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量化驗(yàn)證。

在《化學(xué)反應(yīng)與能量變化》實(shí)驗(yàn)中，教師先讓學(xué)生在大試管中進(jìn)行鎂條與鹽酸的反應(yīng)，學(xué)生通過(guò)手觸摸試管底部的外壁，感覺(jué)到管壁發(fā)熱，感性地認(rèn)識(shí)到此反應(yīng)放出了熱量。對(duì)于酸堿中和反應(yīng)，教師通過(guò)溫度傳感器測(cè)量鹽酸和氫氧化鈉溶液反應(yīng)前的溫度，經(jīng)過(guò)連接在電腦上的數(shù)據(jù)采集器的處理，以平行線的形式在投影上動(dòng)態(tài)顯示；再將二者混合，溫度在小范圍內(nèi)不斷升高，最后維持不變。從直接感知，到通過(guò)儀器定量測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)層次的飛躍。

在《外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響》實(shí)驗(yàn)中，分別用塊狀的大理石和粉狀的大理石與同濃度的鹽酸溶液反應(yīng)時(shí)，學(xué)生可以從產(chǎn)生的氣體的速度觀察到反應(yīng)的快慢情況，而同時(shí)使用絕對(duì)壓力傳感器來(lái)做時(shí)，學(xué)生不但可以觀察到上述現(xiàn)象，還能通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出，隨時(shí)間的推移，二者反應(yīng)的速率并不是穩(wěn)定不變，既不是持續(xù)增大，也不是持續(xù)減小，而是有時(shí)增大有時(shí)減小，這就是反應(yīng)全過(guò)程的真實(shí)情況。

二、中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有利于突破教學(xué)難點(diǎn)

優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，提高教學(xué)效率。一些難理解的科學(xué)概念和原理，通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)學(xué)生不易理解，借助于數(shù)字化傳感技術(shù)的直觀演示和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析，將變得容易認(rèn)知，可達(dá)到快速突破教學(xué)難點(diǎn)的目的。中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)通過(guò)各種表現(xiàn)手法拋開(kāi)某些表面的、次要的、非本質(zhì)的因素，將內(nèi)在的、重要的、本質(zhì)的東西表現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)處理和圖像輸出，在屏幕上實(shí)施微觀放大、宏觀縮小、動(dòng)靜結(jié)合，圖文并茂。在短時(shí)間內(nèi)調(diào)動(dòng)學(xué)生多種感官參與活動(dòng)，學(xué)生獲取動(dòng)態(tài)信息，從而形成鮮明的感官認(rèn)識(shí)，為進(jìn)一步上升為理性認(rèn)識(shí)奠定了基礎(chǔ)，有利于激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，提高課堂效率。

弱電解質(zhì)的不完全電離是區(qū)別于強(qiáng)電解質(zhì)的一個(gè)重要特征，是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)。對(duì)于弱電解質(zhì)的電離度，教材中對(duì)于影響電離度的因素缺少直觀的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)pH 傳感器監(jiān)測(cè)不同濃度乙酸溶液的 pH 值變化，再利用數(shù)據(jù)采集器收集數(shù)據(jù)加上Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出不同濃度乙酸的電離度。由實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，能幫助學(xué)生更好地理解和掌握濃度對(duì)于弱電解質(zhì)電離度的影響。從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以直觀看出，隨著濃度減?。ㄏ♂屵^(guò)程），弱電解質(zhì)的電離度相應(yīng)地增大，溶液濃度越小，越有利于弱電解質(zhì)電離。

三、中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有利于師學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)

將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化傳感技術(shù)相結(jié)合做出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，往往和只通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果有不一致之處，這就需要運(yùn)用掌握的知識(shí)進(jìn)行全面的分析，是實(shí)驗(yàn)操作上有不當(dāng)之處，還是實(shí)驗(yàn)與理論的差距，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，哪些因素會(huì)導(dǎo)致結(jié)果與預(yù)期的不一樣。在《外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響》實(shí)驗(yàn)中，為什么得到的數(shù)據(jù)會(huì)反映出速率時(shí)而增大時(shí)而減小呢？讓學(xué)生展開(kāi)討論，教師引導(dǎo)、綜合、歸納，原來(lái)在這個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，是幾個(gè)外界條件發(fā)生了變化：反應(yīng)過(guò)程要放熱，會(huì)使反應(yīng)體系溫度升高，從而會(huì)使反應(yīng)速率加快；同時(shí)，反應(yīng)物鹽酸的濃度會(huì)逐漸減小，從而會(huì)使反應(yīng)速率減?。贿€有固體顆粒物的大小也在不斷地發(fā)生變化，這些因素都從不同程度上影響著反應(yīng)速率，因此要看它們對(duì)速率影響的綜合結(jié)果，從而讓學(xué)生真正掌握知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的技能；通過(guò)討論、分析、交流，能有效培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)、溝通、實(shí)踐等能力，從而更好地體現(xiàn)新課標(biāo)的理念，落實(shí)新課標(biāo)的目標(biāo)。

四、中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可為研究性學(xué)習(xí)提供技術(shù)支持

研究性學(xué)習(xí)是新課標(biāo)的一項(xiàng)重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容，是為了培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的方法和意識(shí)，體會(huì)科學(xué)家研究未知領(lǐng)域的過(guò)程，增強(qiáng)熱愛(ài)鉆研的精神。研究性學(xué)習(xí)沒(méi)有固定的教材內(nèi)容和模式，給師生提供了更廣闊的思維空間。將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于第二課堂和學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生的探究思維和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

如手持技術(shù)儀器主要用于采集并儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，傳感器可根據(jù)探究需要測(cè)定的參數(shù)（如溫度、濕度、光強(qiáng)、pH值、溶解氧濃度、電導(dǎo)率、氣壓、電流、電壓等）而自行選擇；這些輕巧與便攜的儀器還為學(xué)生進(jìn)行戶外探究提供了方便，學(xué)生可以帶上溶解氧傳感器、pH傳感器和電導(dǎo)率傳感器與數(shù)據(jù)采集器，在野外進(jìn)實(shí)時(shí)定量測(cè)定水樣的有關(guān)常數(shù)和進(jìn)行水質(zhì)分析。

學(xué)生在學(xué)習(xí)酸堿中和滴定的過(guò)程中，有些學(xué)生產(chǎn)生了其他相關(guān)的一些聯(lián)想和疑問(wèn)：下面的三種情況是不是都能利用“酸堿指示劑指示溶液pH 的變化從而確定終點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定電解質(zhì)的濃度呢？（1）強(qiáng)堿滴定強(qiáng)酸；（2）強(qiáng)堿滴定弱酸；（3）強(qiáng)堿滴定強(qiáng)酸和弱酸的混合液。學(xué)生們?cè)诮處煹倪m當(dāng)引導(dǎo)下，通過(guò)查閱資料和思考討論，找到了他們從未接觸過(guò)的電導(dǎo)滴定法，教師引導(dǎo)學(xué)生課后自學(xué)電導(dǎo)率的相關(guān)知識(shí)，到實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，利用電導(dǎo)率傳感器并連接數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采集反應(yīng)過(guò)程的電導(dǎo)率變化，數(shù)據(jù)利用相關(guān)軟件進(jìn)行處理，就能得出較準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論了。

五、因“實(shí)”制宜，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)

中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行合理統(tǒng)籌安排。中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主要是從具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論，側(cè)重于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的探究過(guò)程和思維能力的培養(yǎng)，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)往往只是對(duì)結(jié)果作定性分析，側(cè)重于實(shí)驗(yàn)過(guò)程的具體操作、常用儀器的使用規(guī)范和用途、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的細(xì)致觀察以及從現(xiàn)象分析結(jié)論，應(yīng)該說(shuō)各有優(yōu)勢(shì)。把數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有機(jī)的結(jié)合在一起，將是最理想的教學(xué)狀態(tài)。中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)完全取代化學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段并不是可取的好方法，而應(yīng)根據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)際將兩者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。有如下兩種模式可供參考：（一）以傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主，以恰當(dāng)中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為輔；（二）以中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為主，以傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)為輔。只有將中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)配合使用，才能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短、相得益彰。

要處理好傳統(tǒng)化實(shí)驗(yàn)和師生互動(dòng)教學(xué)的關(guān)系。中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)的特征則是以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，它突出表現(xiàn)為師生互動(dòng)。學(xué)生的積極參與不僅活躍了課堂氣氛，更重要的是能加強(qiáng)對(duì)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)。

中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是社會(huì)進(jìn)步的需要，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)代化的一種體現(xiàn)形式，它能有效地提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，培養(yǎng)中學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)的興趣和意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)字化技術(shù)獲取信息、分析信息和處理信息的能力，讓學(xué)生獲得適應(yīng)未來(lái)信息社會(huì)需要的創(chuàng)新能力、動(dòng)手操作能力和思維想象能力。作為一項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)引入課堂教學(xué)中至在課堂教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，必然是個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需要研究和解決的問(wèn)題還很多。作為對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充和引領(lǐng)的探究性實(shí)驗(yàn)需要中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)引入帶來(lái)方法上的更新和轉(zhuǎn)變。