关于等效平衡的数字化实验初步研究与思考

倪凯群

摘 要：主要介绍如何在等效平衡的学习过程中进行数字化化学实验的探究，以及如何培养中学生化学实验探究能力的问题。

关键词：等效平衡；数字化实验；研究

等效平衡的问题就是指利用与某一种平衡状态等效的过渡平衡状态（相同平衡）进行与之有关的问题分析和判断，或利用相似平衡的相似原理进行有关量的计算。同时等效平衡也是一种思维分析方式和解题方法。由于等效平衡问题其丰富的知识点和灵活的考查方式，所以其对思维能力起到较强的锻炼效果；因此，它也一直是学生在学习和复习“化学平衡”这一部分内容时最大的难点。很多学生在接触到这一问题时，恐惧感很强，自信心不足。等效平衡的概念说明了化学反应的途径与化学平衡的状态无关。对于相同的条件，无论反应从什么方向开始，可逆反应达到的化学平衡时的状态是相同的。等效平衡也是利用平衡等效来解题的一种很好的思维方式和解题方法。

数字化实验主要是以手持式数据仪器为主的实验，其中采集器与传感器（各类探头）为主要工作原件。采集器负责实验数据的采集并储存；传感器根据实验需要测定的参数而自行选择；同时，数字化仪器的轻巧还为学生课外活动探究提供了方便。对于教师而言可以根据实际情况，把课堂开设在数字化探究实验室，加强学生对化学知识和化学原理的理解。以“酸碱中和滴定”为例，利用pH传感器、温度传感器和计算机，在化学课堂上演示“中和反应”实验，计算机可以以表格和图像的形式呈现并快速的分析处理。数字化仪器很大程度上能使过去的定性实验得以定量化的验证。

本文的着手点在于如何将数字化实验技术应用于等效平衡。经过实践研究在这里选取3个有代表性的实验简单说明。

对于中学化学实验而言，数字化的意义在于精确地定量。数字化仪器测量的优势在于无论实验时间很长或很短，或者需要同时获得多种数据时，数据传感器和数据收集器能够很容易的解决。如果能够巧妙地组合搭配使用数据传感器和数据收集器来采集数据分析处理，使学生能够有更多的时间在分析处理数据，找寻其中的规律。这几个实验都是传统课堂无法演示的实验。有了数字化传感器后，能够将不可感知的变成可感知的。第一个实验传统只能让学生看颜色变化，用了数字化仪器后可以直观地看到压强的变化，颜色转变对透光率的影响。第二个实验可以看到醋酸钠的水解反应与醋酸与氢氧化钠的中和反应之间具有微妙的可逆性，因为关系到放热和吸热，所以必须要用到温度传感器，通过计算算出温度对反应的影响，进而使学生得出温度方面的正逆向反应互斥的结论。第三个实验是典型的溶解与析出平衡，因为溶解度与温度密切相关，所以需要对溶液浊度进行测量的同时，需要对温度进行跟踪，同时检测溶液中氧含量对平衡速率及时间的影响。

同时通过这三个实验的操作和要求可以看出数字化化学实验探究技术对广大的化学教师可以说是提出了一个更加严苛的要求。我们可以从以下几方面来分析：（1）从课堂教学与教师专业水平关系看，要求教师能够教会学生使用（最好能独立使用）数字化仪器进行感兴趣的化学探究实验；（2）从课程与教学的关系看，要求教师善于从生活、社会及教科书中挖掘能运用数字化实验技术探究与解决的化学问题；（3）从学生与教师的关系看，要求教师主动引导学生利用数字化仪器进行探究解决各类问题，对于提高学生实验探究的能力是有促进作用的；（4）从教学与自我认识的关系看，反思型的教师可以使自己的教学经验不断地成熟，理论不断完善，有利于今后对数字化实验应用的研究与探索。对于学科教学而言，这有助于广大化学教师提高自身的素养，使学科内容与教学过程有机融合，提高自己的教学设计能力、课题开发与研究的能力、促进学生协作学习的能力等。数字化实验技术极大程度地改变了学生过多依赖教师的学习方式，使学生在新的学习环境中利用数字化实验技术从多渠道获得所需数据信息，提高了學生的质疑能力、动手能力等。当然，这是需要一定前提条件的，即学生需要具有符合学习要求的学习策略、独立自主学习的精神、善于获取知识的自学能力。数字化实验技术能够快捷方便的测定数据，并以图表的形式直观地呈现整个探究过程。在此过程中，学生对图像变化的观察与理解及时对实验条件做出合理的调整，并在调整实验方案或控制探究变量的过程中引导自己走向更深层次的学习。

数字化化学实验在培养学生的探究能力方面起到较好的推动作用，当然在实际的运用中，这种方式培养学生探究能力时存在许多难以回避和克服的实际问题。从教师的角度看，一线的许多教师仍然青睐“黑板+粉笔”的教学模式，在心理上畏惧数字化实验技术；一少部分教师虽然掌握了相当的计算机技术，但是限于自身专业水平，不善于运用数字化实验技术，不能够很好地融合到化学实验的改进和相关课题的研究中。

就学生这个角度而言，他们大部分都早已经习惯于“听着”学化学，在题海里做题学化学，面对如何在数字化实验仪器进行自主探究学习，产生深深的畏惧心理而不知所措。

从选题的角度看，现有的教科书中并无现成的探究案例可循，如果想要充分发挥数字化实验仪器的功能，就要求教师和学生对日常生活中出现的有关问题共同探讨，提出有意义的课题；而课题的选择与确定，则要求师生平日里多观察留心，要具备较强的概括能力，能够概括提出发现的问题，这在目前具有很大的操作难度。

从课时的角度看，一般学校化学周课时为2～3课时；借助数字化实验仪器学进行化学研究性学习则会比较耗时，对于这一问题要妥善处理好是有难度的。

从推广的角度看，虽然在我国发达地区的少数中学中，不少学校还运用它开设了一系列的校本课程，在日常教学与研究性的学习中又积极地培养学生的化学探究能力，具有象征性，从教育的广泛意义上来说取得了一定的成效。但是数字化实验技术的具体应用依然还处于起步的阶段，还有很大的前景可以作为，也有许多的实际问题等待解决。

参考文献：

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[2]钱扬义.手持技术在理科实验中的应用研究[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]化学课程标准研制组.化学课程标准（实验）解读[M].武汉：湖北教育出版社，2004：212-213.

编辑 鲁翠红