“数字化实验”在信息技术推动和教学改革中的价值分析

王玲玲 丁娇阳 余腾

[摘要]数字化实验是信息技术发展的代表产物，在高中化学教学中引入数字化实验，可帮助学生构建化学认知模型，促进学生化学概念的建构，培养学生科学探究的关键能力，突显教育的核心价值，推进信息技术与教育教学深度融合。

[关键词]数字化实验;教学改革;信息技术;价值分析

[中图分类号]G633.8

[文献标识码] A

[文章编号] 1674-6058（ 2020）35-0063-02

國务院办公厅颁布的《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》明确指出，在“创新教学组织管理”中要深化课堂教学改革，推进信息技术与教育教学深度融合，加强教学研究和指导。数字化实验是信息技术发展的代表产物，对优化中学化学实验，促进实验教学有极大的帮助，也能有效促进学科核心素养的落地。

一、利用数字化实验构建化学认知模型

化学认知的发展包含化学知识积累和认识方式的丰富。《普通高中化学课程标准（2017年版）》中要求“通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学的本质和规律”。

【案例1】通过学习人教版化学选修4《原电池》一课，学生虽然已经知道化学能与电能的转化，但对于建立由单液原电池到双液原电池的认知模型，特别是引入盐桥装置，理解原电池的工作原理还存在很大困难。

教材中引入实验4-1（如图1），用充满电解质溶液的盐桥，将放置Zn片的硫酸锌溶液和放置Cu片的硫酸铜溶液进行连接，然后将Zn片和Cu片用导线连接，并在中间串联一个电流表，让学生观察实验现象。

理论上的实验现象为：①插入盐桥时电流表指针偏转;②Zn片逐渐溶解;③Cu片表面附着有铜单质。结合宏观现象推出微观本质：Zn较Cu活泼，易失电子，电子经过导线到达Cu片，硫酸铜溶液中的Cu2+在Cu片上得电子生成Cu单质。KCI盐桥中Cl-向负极Zn片的烧杯中移动，K+向正极Cu片的烧杯中移动。问题来了，盐桥内离子是如何移动的？

教材中对该问题的解释是：由于锌原子失去电子变成锌离子，导致硫酸锌溶液中正电荷增加;同时铜离子获得电子变成铜单质析出，使硫酸铜溶液中硫酸根浓度相对增加而带负电荷;为平衡电荷，KCI盐桥中钾离子移向硫酸铜溶液，氯离子移向硫酸锌溶液，使得氧化还原反应得以进行，从而源源不断产生电流。但对于学生来说，原电池中的正极和负极的判断、电池反应、电子移动方向、电流方向等一系列问题综合在一起时，纯粹的记忆和抽象的理解都不利于他们真正掌握原电池的知识。最好的方法是让学生亲自体验到“阳离子移向正极，阴离子移向负极”。

数字化实验的引入就使得学生对以上问题有了直观、准确的认识，加深了学生对双液原电池的模型认知。比如通过钾离子浓度传感器（如图2）检测双液原电池（氯化钾盐桥）电解液正极Cu片烧杯中的钾离子浓度，展示钾离子浓度的变化趋势，实时、直观地呈现出钾离子的移动方向（如图3），帮助学生对复杂现象形成直观理解，得出离子移动的规律，最后验证实验结论的正确性。

数字化实验系统比人的感知更敏感、直观、准确，使得学生对过程变化的了解更全面、深入。部分数字化实验，教师易于操作，学生易于理解。比如，pH传感器可以在溶液浑浊或有沉淀、有颜色时测定体系的pH值;氧气浓度传感器可以测氢氧化亚铁转化为氢氧化铁时氧气浓度的变化，从而确定发生微观反应，有助于学生理解反应是什么，过程为什么。

另外，数字化实验有非常强大的信息分析处理性能。数据采集时间间隔短，且可自行记录及处理，图像绘制可自动生成，大大提高了获得实验图像、数据和结果的速率，提高了实验的效率。所有数据资料可及时储存，这使得学生能更加直接地观测到实验进程和实验曲线，从而深刻理解化学变化的基本原理，如此便给学生提供了更多有意义的思考，并通过分析定量数据，促进学生认知的深化。

二、利用数字化实验促进化学概念的建构

概念原理是一类具有共同特性事物的抽象概括。在化学概念教学中，依托化学实验，基于真实问题情境，一直是概念教学的常用方法。学生通过亲身感受宏观现象的发生，体验实际问题的解决过程，逐渐领悟概念的本质。

【案例2】以“酸碱中和滴定曲线的绘制”这一实验为例，该实验是中学化学学习中的一个代表性实验，其中涉及重要概念，由于这部分知识内容丰富（涉及滴定原理、中和反应、滴定曲线、酸碱指示剂、滴定突跃、化学计量点、滴定终点等概念），学生学习起来相对抽象，人为操作引起的误差很大。且实验前要进行较长时间的准备，比如酸式、碱式滴定管的检漏、润洗等;接近变色点时要十分谨慎地滴加，同时还要准确读数;等等。这些烦琐的工作使得实验教学效果较差。

而通过数字化实验，不仅使滴定操作更简单，曲线绘制更精细，而且让学生对反应的本质以及滴定概念的理解更清晰、具体和准确。比如，滴数传感器和pH传感器可以联合使用，设定合适的液体滴加速度，实时监测溶液pH变化，并以图片的形式直观呈现。又如，在传统课堂教学中，通常用指示剂来指示酸碱滴定过程中溶液的pH变化，但只有突变点才能看到颜色的变化，无法看到整个过程中pH的变化，从表面上看似乎溶液pH没有太大变化，但实质上变化很大。这样，学生就更难理解为什么指示剂的变色点不在pH=7处，却用指示剂的突变来反映化学计量点。但引人数字化实验来描绘滴定过程的曲线，同时对滴定数据进行处理，就能很好地展示滴定终点的判断、指示剂的选择、突跃范围之间的相互联系。

三、利用数字化实验突显教育的核心价值

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》提出，教育改革发展的核心包括“着力提高学生服务国家、服务人民的社会责任感”，这与新课程标准“立德树人”的教育理念不谋而合。培养社会责任意识也是当下化学学科核心素养的重要组成部分。化学本身来源于生活，同时也担负着服务生活的使命，但受限于诸多因素，使得社会责任教学和化学学科教学未能有机融合，尤其缺少课外探究形式的教学，让学生难以将知识应用于生活，体会不到“学以致用”的成就感，也就更难认清自身的使命和责任。

数字化实验具有使用便捷高效的特点，传感器和数据采集器也便于在户外探究使用，让学生可以自行研究身边的化学现象，引发学习兴趣，领略化学的魅力，及时关注与化学相关的社会热点问题，并能自己独立思考。

【案例3】数字化实验“跟踪监测长江水质变化的调查研究”。2018年，习总书记来到湖北宜昌，视察长江沿岸生态保护情况时再一次指出“绿水青山就是金山银山”。我校“蓝天白云社”的学生到户外开展探究性实验，利用数字化实验进行真实场景中的实验调查，以主人公的身份完成实验。比如，对长江水酸碱度、电导率、溶解氧、水温等进行现场测试调查，并得出长江水质检测报告，再通过长时间的跟踪调查，整理出长江水质变化报告。利用数字化实验进行的简单的课外实验，不仅让学生产生了科研的成就感，也让保护环境的责任意识深深烙在了学生心里。

这样，学生利用数字化实验走进自然、走进社会进行考察，像科学家一样进行研究，有助于他们勇于探索、理性分析、务实求真的科学态度和科学品质的养成，同时增强了学生的社会属性，帮助他们认识社会、融人社会以及服务社会，培养社会责任感。

四、数字化实验培养科学探究的关键能力

由于数字化实验仪器具有携带方便、精密度高、研究量化等优越性，故很适合用于开展学生的探究活动。比如，学生在开展“测定长江水质变化”“探究消毒液氧化性和酸度”等探究活动中，自行查阅资料、制订实验计划、观察、评估、适时调整实验等，灵活运用各种知识与技能。有时需要对不同的变量数据之间的相关或因果关系做进一步的探讨，对变量的关系进行假设并设计相应的实验来验证，这一过程极大地训练了学生发现问题和分析问题的能力、假设和推理的能力、实验设计与调控的能力、动手操作和观察的能力、收集和处理数据的能力、总结和归纳的能力、解释与表达的能力等。在这一过程中，学生收获了科学的研究方法，学会多角度观察、思考、发现和解决问题，提高了对探究活动的兴趣，发展了实践能力以及科学探究的关键能力。

（责任编辑 罗艳）