中学化学数字化实验的发展与应用

裴传友 马善恒 杨芹

摘要： 通过查阅国内有关中学化学数字化实验的文献，从文件的出台、教材的编写、硬件的建设、专著的出版、活动的举行和论文的发表等方面，介绍数字化实验在中学化学教学中的应用与发展，论述数字化实验在传统实验的改进、创新实验的设计、疑难问题的辨析、课堂教学的融合、教学模式的探索和对学生认知的影响等方面取得的成果。

关键词： 数字化实验; 中学化学; 发展历程; 应用

文章编号： 1005-6629（2020）02-0056-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

我国的数字化实验起步晚于西方发达国家，但发展很快。近年来，数字化实验在中学化学教学中的应用研究已经取得了较多的成就。从传统实验的改进和创新设计逐渐向基于数字化实验的教学模式研究过渡，并在数字化实验对教学效果和学生认知的影响方面取得了较多的理论成果。现就数字化实验在中学化学教学中的发展历程和应用研究进行论述，以供同行参考。

1  数字化实验在中学化学教学中的发展历程

1.1  文件的出台

2003年教育部公布的《普通高中物理课程标准（实验）》首次提出“了解常见传感器及其应用，体会传感器的应用给人们带来的方便”的要求[1]。2004年公布的《上海市中学化学课程标准（试行稿）》要求中学化学教学“推行在化学实验中使用图形计算器或掌上电脑（掌上实验室）和传感器技术，并应用于中学化学课堂教学，特别是应用于研究性学习之中”[2]。2018年1月，《普通高中化学课程标准（2017年版）》正式颁布。该标准指出要在实验教学中积极探索现代信息技术与中学化学教学的深度融合，在中学化学教材中引入数字化实验[3]。

1.2  教材的编写

2005年，人民教育出版社出版的选修6《实验化学》[4]中，编入了“利用数字化实验研究酸碱中和滴定过程中溶液pH的变化曲线”的内容。山东科学技术出版社出版的选修6《实验化学》[5]中，编入了“利用pH传感器测定食醋的总酸度”“利用色度计测定食物中铁元素含量”的数字化实验内容。

1.3  硬件的建设

2004年1月，首个中学化学数字化实验室在天津市第一中学建成[6]，系该校与教育部教学仪器研究所共同研究建立的。2007年，学生化学数字化实验室在南京市金陵中学建立，能在其中开展“中和滴定”等数字化实验。2011年，西部地区也建立了数字化实验室，如内蒙古包头市固阳县第一中学等。2016年，安徽省合肥市和马鞍山市普通高中均配备了数字化实验室。

1.4  专著的出版

最早有关数字化实验的两本专著均为华南师范大学钱扬义教授所著，分别为2003年高等教育出版社出版的《手持技术在理科实验中的应用研究》[7]与2006年科学出版社出版的《手持技术在研究性学习中的应用及其心理学基础》[8]。2007年，北京师范大学王磊教授出版了《传感技术——化学实验探究手册》[9]，以化学课程标准和教材为依托，对传感技术在中学化学实验中的应用开展了系统的研究。

1.5  活动的推动

中国教育学会化学教学专业委员会和南京师范大学组织了一个重要的活动，即“威尼尔”杯数字化实验创新设计大赛（以下简称“V赛杯”），现已更名为“全国化学数字化实验教学应用成果交流与培训”，举办者试图以该活动调动广大中学化学教师参与数字化实验研究与应用的积极性，使数字化实验走进中学课堂，发挥数字化实验在化学教学中的优势作用。2011年第一届“V赛杯”到2019年共举行了八届，从第一届的5个省市的几十件作品和几十人参加到第八届的28个省市的几百件作品和近千人参加，说明数字化实验已经在全国得到推广，而且正在逐步进入中学化学课堂，应该说“V赛杯”在推动数字化实验的应用与研究方面发挥了较大的作用。

1.6  论文的发表

从期刊论文发表的角度看，2018年底，笔者分别以“数字实验”“手持技术”“传感器”等为关键词，在中國知网、万方数字期刊网和中国科技期刊数据库（重庆维普）进行检索，再对所得相关文献进行筛选，共获取与中学化学数字化实验相关的期刊文献487篇（见表1）。

根据文献检索，从不同年份发表的数量统计可以看出，有关中学化学数字化实验的期刊文献从2003年开始出现，整体呈现增长的趋势，2012年以后进入快速发展期（见图1）。数字化实验的快速发展主要来自两个方面： 一方面是数字化实验仪器厂商加大了宣传力度和加强了与各校的合作力度;另一方面由于地区经济的发展，增加了对教育的经费投入，同时数字化实验的实时性、直观性、便捷性等优点，自然引起教育研究者和一线教师的关注和应用。

2  数字化实验在中学化学教学中的应用

2.1  传统实验的改进

数字化实验具有数字化感知、测量准确和实时性记录等特点，人们可以对传统实验进行技术上的改进，目的是让实验现象更明显、更直观，或者操作更加简便等。例如“酸碱中和滴定”实验中测定酸（碱）未知浓度，传统实验通过选择酸碱指示剂判断终点，目测消耗标准液（待测液）的体积，存在操作繁琐、数据过多、误差过大等缺点。运用pH传感器和光电门传感器测定滴定终点和标准液（待测液）的体积（如图2所示），能够简化操作，提高准确性，有利于学生分析数据，探求其中内在的规律。再如，用pH传感器和温度传感器测定中和热;用pH传感器和电导率传感器揭示离子反应的实质;用压强传感器研究不同催化剂对过氧化氢分解的催化效率;用电流传感器研究单液原电池与双液原电池的优缺点等。

图2  盐酸标准液滴定未知浓度氢氧化钠溶液的pH变化曲线

2.2  创新实验的设计

创新实验的设计主要指利用数字化实验进行实验设计的研究。在教学中，常常有一些化学概念比较抽象，学生缺少感性认识，而传统实验又无法提供较好的验证方案。学生在学习这些知识时，常常难以理解，逐渐产生迷思概念，出现学习的疑难点。而数字化实验能够从多个角度呈现化学反应的信息，帮助学生从不同的角度分析和理解，而且各个信息之间相互印证，成为突破教学疑难点的利器[10]。

例如，用传统实验方法难以验证“沉淀溶解平衡”的存在，可以用电导率传感器测定氯化银固体加入蒸馏水中溶液导电性的增大证明难溶物也是溶于水的，并且通过电导率变化的数值可以看出难溶物溶解度很小，再用氯离子传感器检测向溶液中加入少量的硝酸银固体后氯离子浓度变化，证明“沉淀溶解平衡”的存在（如图3和图4所示）[11]。再如，用湿度传感器检测浓硫酸的吸水性;用温度传感器和氧气传感器探究铁粉型暖宝宝的发热原理和最佳配比;用氧化还原传感器探究84消毒液的漂白原理及其影响因素等。

图3  稀释AgCl悬浊液数据图

图4  改变AgCl悬浊液中Ag+浓度数据图

2.3  疑难问题的辨析

疑难问题辨析主要是利用数字化实验研究化学学科问题，对某些已有的结论辨析真伪，或对某些以前没法研究的问题用实验论证。这类研究在我国占有相当高的比例，这是我国数字化实验研究的特色之一。

例如，在溶液导电性的研究中，向盐酸中加入少量的固体氢氧化钠，很多中学教师的答案是溶液的导电性不变，理由是溶液的体积几乎不变，溶液中的H+虽然减少了，但是多了Na+，离子浓度不变，因此溶液的导电性不变。但是利用电导率传感器测量该实验过程中溶液导电性时，发现盐酸中加入固体氢氧化钠，开始时溶液的导电性减小，并不是不变的，如图5所示。通过查阅文献分析可知，在盐酸溶液中加入氢氧化钠固体，离子浓度基本不变，但是离子种类发生了改变，不同离子的摩尔电导率是不同的（298K时，在无限稀释的水溶液中，H+的摩尔电导率为349.82×10-4S·m2·mol-1，而Na+的摩尔电导率为50.11×10-4S·m2·mol-1）[12]，导致溶液的导电性发生变化。

图5  固体氢氧化钠与盐酸反应的电导率变化

2.4  课堂教学的应用

随着数字化实验的应用和推广，这种课堂教学案例也逐渐得到人们的接受和重视。例如，“基于手持技术的‘离子反应及其发生条件教学设计”[13]一文中作者利用钙离子与硝酸根离子传感器实时监测反应中两种离子浓度的变化，通过直观的数字呈现、图像变化，学生对离子反应“向着溶液中某些离子浓度减小的方向进行”的实质有了更为清楚的理解。再如，应用pH传感器和温度传感器测量浓度、酸度和温度对盐类水解的影响，将传统的定性实验转化为定量、直观、更加科学的实验，更有利于学生理解。“手持技术

在‘醋酸的电离平衡教学中的应用”[14]一文则应用pH传感器测量溶液的pH，“看见”H+的存在并直接通过计算机呈现溶液的物质的量浓度，证实醋酸在水溶液中是部分电离的。同时，用温度传感器测溶液温度，引导学生关注外界因素对电离平衡反应的影响，培养学生的变化观念和平衡思想。

2.5  教学模式的研究

2007年，邓峰、钱扬义等在应用数字化实验的教学模式做了深入研究，提出了基于手持技术的“激趣（Stimulate）”“引导（Steer）”“猜想（Suppose）”“演示（Show）”“探究（Seek）”“总结（Summarize）”的“6S”化学实验探究教学模式的构建与特点，并分析该教学模式在帮助学生正确理解化学概念和培养学生科学探究与创新意识方面的作用[15]。

2011年，彭豪发表了“基于POE策略的高中化学四重表征概念教学研究”的成果[16]。提出了基于数字化实验的“四重表征”教学设计，阐述了数字化实验在化学概念教学中的具体应用。

2015年，林建芬、盛晓婧、钱扬义等发表了“化学‘四重表征教学模式的理论建构与实践研究”[17]一文，回顾了15年来数字化实验研究中对“四重表征”分析方法的论述，剖析了化学“四重表征”教学模式的研究背景、研究问题、研究思路及方法，从“四重表征”教学模式的理论创新、研究内容和应用案例三个方面进行讨论分析，并且就如何培养学生的“四重表征”意识和思维，提出加强“提高教师自身的意识和转换水平”“分析学生迷思概念的成因”和“积极开发优秀实验案例”3点建议。

除了上述列举的不同教学模式以外，还有采用小组合作的形式，或采用开放式的探究模式，或采用问题情境引入的模式，或采用与传统实验教学方式的对比等教学模式。可以看出，研究都是基于探究式的教学模式，这样的研究促进了数字化实验在教学中的应用，充分发挥了数字化实验在化学教学中的优势。

2.6  对学生认知的影响

对学生认知影响研究需要进行教学实践，采用实证研究设计并展开调查研究，对学生进行测试，收集数据，从中发现运用数字化教学前后学生认知、学习兴趣或学习能力等的變化。一般过程是： 选题、研究设计、实施并收集资料、分析资料、得出结论。这样的研究有实证和数据，具有很强的说服力，因而具有重要的意义。但是从文献数目来看，国内研究并不多，这是当前我国数字化研究中比较薄弱的一部分。出现这种现象的原因之一是数字化实验目前在我国还处于演示实验和课外实验状态，还没有普及为全班学生参与的学生实验，真正参与的学生还比较少，对大部分研究者而言，研究数字化实验对学生的影响缺乏前提。另一个原因是我国教学研究相比西方国家缺乏重视实证研究的传统[18]。

我国关于数字化实验对学生认知影响的研究文献虽然少，但仍然有高水平的文献可供借鉴。例如，王祖浩等的“基于手持技术的高中生化学概念学习认知研究”[19]，以高中二年级学生为研究对象，以“酸碱中和滴定”为教学内容开展研究。研究结果表明，手持技术对于学生化学概念的学习有一定的影响，尤其是对女性学困生和学中生的影响较为明显。

再如王晶、郑长龙等进行的“手持技术促进学生化学变化和化学实验观念转变的实证研究”[20]，关于数字化实验对学生影响的实证研究也很有借鉴价值。

3  结束语

随着信息技术的发展，人类进入了信息时代。化学数字化实验是基于信息技术，利用计算机分析处理传感器采集的信息，以数值、曲线或图表等形式展示实验现象、揭示化学规律的实验系统。数字化实验利用仪器代替人体感官，客观地记录实验数据并做精确分析，可以避免因感觉的差异引起实验现象感知的偏差，可以感知一些人体无法感知或不便感知的实验现象，达到化学反应过程的实证化、动态化、定量化，反映了科学发展从宏观到微观、静态到动态、定性到定量的趋势。因此，数字化实验在发展学生“宏观辨识与微观探析”“科学探究和创新意识”“证据推理与模型认知”等化学核心素养方面具有独特的作用。

中學化学教学中运用数字化实验，为科学探究提供了技术支撑，不仅可以促进学生发展认知水平、学会实验探究、解决化学问题等化学学科素养的形成，还能提高学生的“四重表征”能力，进而促进学生科学素养的提高，数字化实验在中学化学教学的价值将逐渐被体现出来，引起更多化学教育工作者的重视。

参考文献：

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[2]上海市教育委员会. 上海市中学化学课程标准（试行稿）[S]. 上海： 上海教育出版社， 2004： 63.

[3]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 82～84.

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[18]马宏佳. 化学数字化实验的理论与实践[M]. 北京： 人民教育出版社， 2016.

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[20]王晶， 郑长龙， 徐洁， 吕永明. 手持技术促进学生化学变化和化学实验观念转变的实证研究[J]. 化学教育， 2011， （3）： 16.