数字化实验与中学化学教学融合的理解与落实

摘要： 在实施《教育信息化2.0行动计划》背景下，本文结合化学课程标准的有关内容，阐述了数字化实验的教学功能，论述了数字化实验与中学化学教学有效融合，在增进学生理解知识、提升探究水平、拓展认识领域及促进观念形成等方面的重要作用。教师开展数字化实验教学，应选择适合的内容设计实验，关注课程目标和教学重点，处理好与传统实验的关系，发挥实验教学的功效，提升学生解决综合性问题的能力。

关键词：化学;数字化实验;信息技术;传感器;科学探究

2018年，教育部发布的《教育信息化2.0行动计划》指出，“应用信息技术解决教学、学习、生活中问题的能力成为必备的基本素质”，倡导“发挥技术优势，变革传统模式，推进新技术与教育教学的深度融合”。信息技术融入中学化学课程越来越受到关注。在中学化学课程中，数字化实验是实现新技术与化学教学融合的重要手段，是化学课程培养学生信息素养的重要途径。

一、数字化实验进入化学课程

数字化实验指利用传感器、数据采集器和计算机及相应软件进行的实验^[1]，是现代技术手段在中学化学教学中的应用。数字化实验在我国走过近20年历程，但正式进入中学化学课程，则是在近几年。《高中化学课程标准（2017年版）》提出“关注信息环境下的教学改革”的修订原则，给出“积极探索现代信息技术与化学实验的深度融合”相关实施建议。“数字化实验”和“传感器”等名词从此见诸化学课程标准。《义务教育化学课程标准（2022年版）》在课程目标要求、课程内容、课程实施板块中多次提出信息技术融入化学课程的要求和建议（如图1）。

新的课程标准从学科本质、科学探究、实际应用、解决问题等角度，反映信息技术融入中学化学教学的重要性，对于课程实施中数字化实验的开展，具有重要的指导意义。

二、发挥数字化实验的教学功能

随着数字化实验教学应用的普及程度不断提升，越来越多的学生有机会应用数字化设备来探究和创新^[2]。数字化实验与中学化学实验有效融合，对增进知识理解、提升探究水平、拓展认识领域及促进观念形成具有积极影响，不断促进教学功能的优化。

（一）增进知识理解，认识学科本质

课堂教学是中学化学的主要教学活动，化学实验教学是一种重要的方式，体现较强的认识功能价值。化学实验是学生获取知识，形成感性认识的重要途径。真实的实验现象，是学生认识元素化合物性质、概念原理的感性认识基础。观察实验现象是学生认识物质的重要科学方法。教师将信息技术融入化学实验教学，通过传感器这一技术手段表征化学反应中的物质变化^[3]，将传统实验中难以观察到的变化，经过技术分析和处理，转化为直观的数据或图像，不仅能提升化学实验过程和结果的可视化程度和准确度，而且可使抽象且模糊的化学知识具体化、清晰化，引导学生从量的角度分析实验过程和结果，从量的角度感知化学知识，并根据不同因素的数量关系揭示化学规律^[4]，帮助学生透过现象认识本质，从感性认识上升为理性分析，进而认识学科本质，建立认知过程，形成科学观念，促进认知能力发展。

例如，“离子反应”是高中化学中的重要概念，比较抽象，认识其反应的本质，对学生来说存在一定难度。人教版《普通高中教科书 化学 必修第一册》编排了如下两种形式的实验。一是利用传统实验，通过氯化钡溶液与硫酸钠溶液反应生成沉淀的实验现象，证明发生了化学反应。教师参照教材进行实验，旨在提供感性情境素材，讲解电离方程式，引导学生将宏观现象与微观解释相联系，认识“离子反应”的本质。二是利用习题，呈现借助电导率传感器进行氢氧化钡溶液与稀硫酸反应的数字化实验的结果——导电能力变化曲线^[5]。虽然这个数字化实验是作为习题呈现的，但是在教学中已有较多应用，所呈现的曲线可“直观”表征离子反应的过程。教师对曲线的变化进行分析和解释，可使学生比较容易地理解“离子反应”的实质。

（二）提升探究水平，发展科学思维

化学实验是探究活动的重要形式，是培养学生科学探究与创新意识核心素养的重要途径。科学探究过程包括获取证据、分析解释数据等重要环节。学生通过观察和实验等方法获取证据，基于证据进行分析推理^[6]，可提高科学思维能力。教师应用信息技术开展数字化实验教学，有利于学生获得更多的数据变量，并通过控制多变量获取信息，使实验结果分析的合理性增强。学生对真实数据、图像或曲线进行综合性分析，使证据推理的可靠性增强，有利于他们认识变量控制的实验方法，提升综合归纳的能力，发展科学思维能力。

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》划分了学科核心素养水平。笔者基于此，将科学探究与创新意识素养中证据和处理分析水平划分了4个层次（见表1）。

对于“离子反应”，例如氯化钡溶液与硫酸钠溶液反应的传统实验，反应现象不足以作为判断离子反应发生的直接证据，所以，教材并没有设计探究活动（考虑大多数学校教学条件），素养水平为1级或2级。在教学中，教师可设计传统实验与数字化实验相结合的实验探究活动，先通过传统实验带领学生感知现象、分析现象、提出问题，在此基础上，再开展数字化实验，利用数据和图像，获取有效证据，作证据推理、分析解释，揭示“离子反应”的本质。学生参与这样的探究活动，相关素养提升到3级或4级。教学中，学生素养水平的进阶路径如图2所示。

在融合数字化实验的探究活动中，学生不仅可以通过观察现象进行感知性认识，而且可通过对数字化实验表征的数据和图像进行处理和分析，认识定量研究的意义，理解学科本质，认识科学方法，了解科学探究过程，提升科学探究和证据推理学科核心素养水平。

（三）拓展认识领域，促进观念形成

新课程注重综合化，重视培养学生在真实情境下解决综合问题的能力，强调培养学生“综合运用化学等学科的知识和方法，通过一定的技术手段，在解决真实情境问题和完成综合实践活动中展现的能力与品格”^[7]。在初中和高中课程标准中，提出了许多真实情境下的综合实践活动及建议，如“微型空气质量‘检测站的组装与使用”“基于特定需求设计和制作简易供氧器”“水质检测及自制净水器”等跨学科实践活动，以及“应用数字化实验等手段探究不同环境中空气的质量”“水体富营养化、化学需氧量（CDO）或生化需氧量（BDO）的测定”等任务。学生在真实情境下开展活动，不仅需要调用多学科的知识，而且要根据实际需要，通过技术手段获取和加工信息^[8]。例如：学生参与“水质检测及自制净水器”这一活动，可以利用传感器检测水的浊度和色度，也可以利用氯离子传感器检验水中的氯离子浓度;学生“应用数字化实验等手段探究不同环境中空气的质量”，需要利用氧气、二氧化碳等多种气体传感器;等等。数字化实验技术的融入为有效开展综合实践活动提供了有力支撑。

教师利用数字化实验在真实情境下开展综合实践教学活动，丰富了探究实践的手段和形式，拓展了学生的认识领域。科学开展数字化实验教学，不仅能促进学生形成运用多学科知识、技术、工程融合解决问题的能力^[9]，而且能使学生增强利用现代技术研究和解决实际问题的意识，理解科学与技术的关系，体会和认识技术手段的创新对化学科学的重要价值，形成严谨求实、勇于实践的科学态度，发展实践能力^[10]，增强科学观念与社会责任感。

三、数字化实验教学需注意的问题

（一）选择适合的内容设计实验

在课堂教学中，数字化实验内容的选择和设计主要体现在几个方面：补充新实验，解决传统实验现象难以观察或耗时较长等问题;与传统实验结合，体现化学反应的原理及变化过程或趋势;对实验现象进行分析、解释，揭示本质;开展综合实践活动，解决实际问题;等等。教师进行教学设计，应选择适合的内容，注重发挥数字化实验的功效，讲求实效，切实体现其优势，提高课堂教学效率。

如条件受限，开展数字化实验有一定的困难，教师可通过多种形式的设计体现数字化实验手段的作用，如以资料信息的形式介绍实验方法和过程，以讨论交流、习题等形式，对数字化实验呈现的图像进行分析等。人教版化学教材必修第一册第二章第二节“科学·技术·社会”栏目以“验证次氯酸光照分解产物的数字化实验”^[11]为例，介绍了数字化实验的定义、设备、实验步骤、实验结果等，让学生对数字化实验有初步的了解。选择性必修第一册第三章第一节中的“思考与讨论”栏目给出了镁与盐酸、醋酸反应时气体压强随时间变化的曲线（如图3^[12]），引导学生围绕相关问题进行讨论分析，增强对化学反应速率、电离平衡移动等知识的理解，提升其图像分析的能力。在教学中，教师可结合学校和学生的实际情况，参考这些示例或形式进行再设计，以发挥数字化实验的功能价值。

（二）关注课程目标要求和教学重点

教师设计数字化实验，应关注课程目标及教学重点，考虑不同学段对知识内容的要求，优化教学。例如，对于中和反应的实验，教师可利用数字化实验将其设计为多变量，让学生使用不同的传感器进行实验探究。在不同阶段，对于实验呈现的图像的分析，要求有所不同：义务教育阶段，可引导学生观察曲线的变化，认识反应的发生及放热现象的事实，达成教学目标;高中阶段则可以根据教学实际，设计中和滴定实验，分析中和反应的变化过程、滴定终点、突变点及热量变化等，还可以利用数据、曲线进行有关的计算。

数字化实验是将化学反应的现象或过程转化为数据和图像，常需要学科或跨学科知识间的转换。教师设计数字化实验，应考虑学生的知识基础，在装置、操作、原理和时效上都应坚持简约原则，避免过多引入新的知识而偏离重点，降低教学功效。

（三）处理好数字化实验与传统实验的关系

传统实验与数字化实验各有其教学功能，采用何种实验方式，教师应考虑不同的教学环境、学习背景、目标要求和教学重点，科学决策。例如，空气中氧气含量的测定，是教材设计的一个经典实验，此实验的重点并不在于结果的精确性，而是通过模拟科学发现，让学生感受科学家的研究过程，了解科学实验和探究的方法，加深对空气中氧气含量的认识，同时学习氧气的性质。对于教学实验，教师不应只是关注实验结果及结果的精确程度，更要关注对过程和结果的分析和探究，引导学生从不同的角度体验探究的过程。在这方面，空气中氧气含量的测定这一实验发挥了较强的作用和功效。教学中，教师融入数字化实验，利用传感器可以很方便、快速地测得较为精确的结果，使学生清楚地认识空气的成分，加深对定量研究方法的了解。教师还可以进一步引导学生探究反应中氧气是否能完全消耗等问题，拓展认识领域，提升探究水平。在实验之后，教材说明了“人们已能用实验方法精确地测定空气的成分”，这为实验探究的拓展提供了空间。

教学实验应以简洁实用为原则，数字化实验的融入，不应使实验复杂化。例如，检测化学反应后溶液的酸碱度，用pH试纸或pH计即可达到目的，引入数字化实验意义不大。

传统实验是中学化学实验教学的主要形式，数字化实验是传统实验基础上技术手段的更新而非替代，二者各具有独特而重要的教学功能。在教学中，教师只有将数字化实验与传统实验科学融合，相辅相成，才能真正提升化学实验教学的功效。

参考文献

[1] 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，2017.

[2] 徐睿.中学化学数字化实验的新趋势[J].化学教学，2020（9）：31.

[3][6][9][10]中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准：2022年版[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[4] 王立新，钱扬义.认知心理学视角下探究化学实验中手持技术的应用[J].中小学数字化教学，2019（8）：5.

[5][11]王晶，郑长龙.普通高中教科书 化学 必修 第一册[M].北京：人民教育出版社，2019.

[7] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准 ：2017年版[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

[8] 房喻，王磊.义务教育化学课程标准（2022年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2022.

[12]王晶，郑长龙.普通高中教科书 化学 选择性必修1 化学反应原理[M].北京：人民教育出版社，2020.

（作者系人民教育出版社编审，中国教育学会化学教学专业委员会理事长，义务教育化学课程标准修订组核心成员，人教版初高中化学教材主编）

责任编辑：祝元志