全国首届化学数字化实验创新设计大赛的“数字化”解读

赖 军

（江苏省南通市天星湖中学 江苏 南通 226010）

全国首届化学数字化实验创新设计大赛的“数字化”解读

赖 军

（江苏省南通市天星湖中学 江苏 南通 226010）

2011年3月12日，由中国教育学会化学教学专业委员会和南京师范大学化学与材料科学学院主办、江苏省教育学会化学教学专业委员会承办的“全国首届‘威尼尔’杯化学数字化实验创新设计大赛”在南京师范大学化科院的数字化实验室进行了数字化实验教学的展示评比。共有来自全国的40余位选手参加了比赛，其中25位选手参加了复赛。

本次大赛是化学数字化实验教学方面的首次全国性大赛，既为各地的骨干教师提供了展示和交流的平台，同时也将对数字化实验在中学化学教学中的应用产生深远的影响。

笔者作为参赛选手，参与并观摩了大赛的全过程，对参赛选手和参赛实验进行了分析，以数字形式做归纳，为数字化实验在化学中的应用作参考。

一、地区差异明显，发展极不平衡

参加复赛的25位选手分别来自5个省市，其中江苏最多，共有21位，占到了参赛选手总数的84%。上海、广东、杭州、安徽各有1名选手参赛。参赛选手基本都来自东南沿海地区，中西部地区基本没有派出选手参赛，且江苏选手也以南京、苏州、无锡、常州等苏南经济发达地区为主，地区差异非常明显。其原因主要是数字化设备比较昂贵，这也是造成参赛省市较少的主要原因。希望数字化实验的技术能更加成熟和电脑、手机等其他电子产品一样能够有一个绝大多数中学可以接受的价格，让数字化实验能够普及。

二、传感器使用频率不均衡

25个实验中，有21个实验使用了单个传感器，占参赛总数的84%，使用2、3、4、6个传感器的实验各一个，实验的综合程度还有待加强。对于一些多因素影响的实验，参赛者考虑还不是很周全。

从不同的传感器使用频率来看，9个实验使用了温度传感器，7个实验使用了pH传感器，其他传感器使用次数在2～4次，CO2传感器使用了一次。温度和pH对实验的影响较为广泛，这两种传感器的使用也比较简单和成熟。这是大多数选手选择这两种传感器的主要原因，而其他的传感器应用的范围和使用频率就相对要小一些。开发这些传感器的用途，是实验创新的一个方向。

三、数字化实验在化学中的三个应用

1.激发学生的学习兴趣

兴趣是最好的老师，它是人们力求认识某种事物或爱好某种活动的倾向。它又是一种情感因素，对人们的智力活动和其他的实践活动有着积极的功能。

化学是一门以实验为基础的自然科学，实验过程中的变化本身就能引起学生的兴趣，而数字化实验更是以特殊的实验仪器与电脑的关联，曲线的自动绘制等新颖的东西吸引学生的关注。通过引导，迁移到对实验本身的关注。在学校装配数字化实验设备初期能够起到很好的教学效果。但随着学生新鲜感的淡化，就需要教师能从其他角度对学生的学习积极性进行引导。在参赛的25个实验中，只有一位参赛者介绍了刚购进设备时通过用它来吸引学生的注意。所有的参赛者都没有停留在这一层次。

2.辅助课堂教学

教育要现代化，信息技术与学科的整合是一条重要的途径。数字化实验具有“可视化”的优点，能将实验中肉眼看不见的分子、离子等的压强、浓度、色度、pH、导电率等性质通过传感器转化为电讯号，然后通过数据采集器进入电脑。将实验过程用数字、点、曲线等形式直观展现在学生的面前，将围观的离子通过“数字化”进行放大。参赛的25个实验中有18个可以直接用于辅助中学化学教学。例如：“碳酸钠与碳酸氢钠溶解过程中温度变化的比较”可以通过温度传感器方便地测量盐溶解过程的热效应；“磷酸突跃曲线”可以利用pH传感器清晰地观察到磷酸滴定过程中的三个突跃；浊度传感器可以将Fe（OH）3胶体和FeCl3溶液中分散质粒子的大小直观地展现在学生面前。色度传感器可以 敏锐地捕捉到Fe（SCN）3溶液血红色深浅的变化。使传统实验不能解决的一些难点得到了突破。

3.进行探究活动

探究活动包括两层含义，一是作为参赛者自己的研究，二是作为教师组织学生进行的探究活动。

数字化实验具有“自动化”的特点，系统连续采样频率可以按照实验要求设置。最高采集频率可达5000－10000Hz，采集的速度高的可到每秒一万个数据，低的可到几分钟甚至几小时一个数据，因而可以适应各种不同类型实验的需要。有文献称双氧水电池具有较稳定的电压输出，“微型双氧水电池设计与探究”就按文献中的方法组装双设氧水电池，选用电压传感器测量其输出电压，得到了一条和横轴平行的直线，从而验证了双氧水电池电压的稳定性。“碱与酚酞平衡移动”、“气体摩尔体积测定”、“尿素摩尔质量的测定”等实验都不是中学要求的范围。在校研究生、本科生可以开展相应的研究，中学教师也可以通过对实验的研究，重温大学知识，提高自己的综合能力。

教师可以利用数字化实验组织学生开展探究性学习。一类和体系的某些性质（包括变化）与反应条件间的定量或半定量的关系相关的内容可以用来进行探究性学习［1］。数字化实验的优势就在于定量、半定量。掌握了数字化传感器的操作后，学生能够较快地运用数字化实验开展和量有关的研究性学习。“探究钢铁的电化学腐蚀”利用氧气传感器，将电化学腐蚀中消耗氧气的用量数字化，使学生更易接受吸氧腐蚀中氧气得电子的事实。“镁铝氢氧化物沉淀反应习题科学性的研究”中，利用电导率传感器，证实了我们沿用了多年的镁铝离子混合物中加入过量强碱的图像是错误的。利用它可以培养学生实事求是的精神，敢于先权威挑战。

本次化学数字化实验设计大赛取得了圆满成功，评委们表示，参赛选手们在本次大赛中体现出了较高的教学设计和数字化实验开发水平，课堂教学综合素质也很优秀。希望借助这一次展评活动促进数字化实验的发展，有更多的数字化实验进入中学的课堂。

［1］宋心琦，黄儒兰，胡美玲.关于中学化学施行探究性学习的思考［J］.化学教育，2002，（3）

1008-0546（2011）07-0097-01

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008－0546.2011.07.048