例析数字化实验在初中化学课堂中的应用

周洁

DIS数字化实验（下称“数字化实验”）是以真实的实验为基础，通过各种传感器将实验数据采集以后，交由计算机分析处理，从而更加清晰明确地展示实验现象、揭示实验规律的实验手段。数字化实验实现了感官的延伸、表征的多元、数据的可靠、处理的科学以及观念的更新，帮助中学化学教学搭上了信息时代的“高铁”。随着科学技术的发展，数字化实验正在逐步普及。

我校几位化学教师都进行了将数字化实验运用于课堂教学的尝试，并且收到了良好的效果，现例析如下：

案例一：在常州市的一次教研活动中，钱丽老师开设了公开课“再探氢氧化钠和二氧化碳的反应”，课堂拟解决如何验证氢氧化钠和二氧化碳发生了化学反应。钱老师通过经典的传统实验——喷泉实验、U型管实验，一一对二氧化碳的消失进行了验证。在课的最后，钱老师引入数字化实验，用压强传感器连接抽滤瓶支口，将注射器中的氢氧化钠注射入锥形瓶后，开始采集数据，同时电脑屏幕上出现了压强随时间变化的曲线图（图1）。

评析：氢氧化钠溶液与二氧化碳的反应是初中化学教学的难点，因为二者之间的反应没有明显的现象，学生在学习这一反应时没有感性认识，较难掌握知识点。传统实验用巧妙的设计，把二氧化碳减少所带来的压强变化以喷泉或者液面变化等直观的现象表现出来，让学生有了深刻的体会。而数字化实验的登场，则把二氧化碳减少引起的压强的变化数值，以图像的形式直接呈现在学生面前，既验证了实验中现象的合理性，又科学地呈现了该体系中真实的压强状况，对学生来说更具说服力。此外，借助具体数据，还可以从定性到定量继续深入挖掘该反应，拓展与高中衔接的知识，对学生核心素养的培养又添助力。此反应中，温度和二氧化碳的含量也可以通过对应的传感器来实现数据的采集。在原有基础上，钱老师等人继续进行课外研究，改进装置，实现了压强、温度、二氧化碳含量三个数据图像的同时绘制，为教师的教学研究提供了新的角度。

案例二：陈玲老师开设的区级公开课“专题复习：图像题”，重点复习了数字化实验绘制出的一类图像题。陈老师在课上用数字化实验进行了“暖宝宝”的研究，利用湿度传感器、温度传感器和氧气传感器进行了数据采集和图像绘制，帮助学生加深了对铁生锈现象的理解。

评析：“暖宝宝”发热的原理利用了铁生锈这一缓慢氧化过程。借助数字化实验，学生对书本上的铁生锈实验有了新的认识。铁生锈消耗空气中的氧气和水，因此，用压强传感器可以得到一条由于氧气减少而压强变小的曲线（图2-a）。另外，氧气传感器的使用，直观地表现出装置内氧气含量的变化情况（图2-b）。这一实验现象也弥补了教学中的一个盲点。压强的减小是由于装置内气压的减小，说明铁生锈需要消耗空气中的某种气体，但怎么确定这种气体就是氧气呢？以往的教学中，教师可以从元素守恒的角度出发，让学生进行分析，而借助数字化实验后，学生真正“看到了”消耗的气体确实是氧气。在湿度传感器的帮助下，得出了一条截然相反的曲线（图2-c），更是出乎学生的预料。在教师的引导下，学生进行资料查阅，发散思维，创造性地解答了这一实验中的“异常”现象——吸水性树脂补充了水分，保证了铁生锈的持续发生。

案例三：在市级评优课“厨房中的化學”上，笔者带领学生进行了对能源、材料和酸碱盐相关知识的复习。笔者利用数字化实验，借助温度传感器和pH传感器完成了对醋酸与氢氧化钠反应这一陌生情境化学反应的探究。

评析：醋酸作为一种有机酸，有着和书本第七章所学的无机酸类似的性质。笔者试图借助这一陌生物质，实现学生对酸的性质的知识迁移，其中，酸与碱的中和反应又是重点。笔者先让学生进行化学方程式的迁移，强化符号表征；然后提问学生该反应的微观实质，渗透微观表征；接下来提问该反应现象，引导学生注意其宏观表征。然而，醋酸与氢氧化钠的反应也是一个无明显现象的化学反应，于是笔者设计了数字化实验，引导学生关注图像表征。实验将分液漏斗中的醋酸加入烧杯中的氢氧化钠溶液中，将传感器置于盛有氢氧化钠溶液的烧杯中，采集数据，绘制图像（图3）。从图中，学生能清楚地看到中和反应所带来的温度变化和pH值变化，从而归纳出验证无明显现象反应发生的视角——生成物产生的视角、反应物减少的视角、能量变化的视角，实现了知识的深化和思维的提升。

数字化实验融入化学教学，为教学方法的转变注入了新的活力。当然，数字化实验只是传统实验的补充、拓展和延伸，绝不能替代传统实验，但两者的互相补充，必将让化学实验的教育功能实现更大化。因此，我们有理由相信，数字化实验的普及有着广阔的空间，这要求我们化学教师要不断更新自己的观念，掌握数字化实验技能，以迎接更多的挑战。

（作者单位：江苏省常州市中天实验学校）

领衔人点评：信息技术与学科课程的整合，已经成为当前基础教育改革的趋势和潮流。技术的变革带来了新的思想、新的工具、新的学习方式。在化学教学过程中，数字化传感技术以客观的数据突破了宏观与微观之间的关系建构，拓展了化学课程资源，成为实验探究和教学创新的支点，对激发学生的学习兴趣、提高学生的科学素养起到了促进作用。本文中的几个案例均为一线教师在常态课中运用数字传感器的成功案例，对数字化实验的课堂教学应用具有一定的参考价值。