数字实验技术在初中化学教学中的运用

刘 彦

（甘肃省武威市凉州区永昌镇九年制学校，甘肃武威 733000）

初中化学教学领域的数字实验技术，主要是指数字化实验系统，该系统主要由配套教具、数据采集器、传感器和计算机软件构成，能够测量和采集各种实验数据，促进学生对物质变化现象的分析、比较、抽象和概括，提高知识理解和实验探究的效率。因此，教师应该积极开展在初中化学教学中运用数字实验技术的有益尝试，根据学生的兴趣和素质发展需求设计基于数字实验技术的教学和探究活动，引导学生主动地构建化学知识技能，从而达到事半功倍的教学效果。

一、数字实验技术在初中化学教学中的运用价值

（一）有利于调动学生的化学探索积极性

现阶段学生参与化学学习所面临的最大阻碍，就是认为化学现象和变化原理晦涩难懂，对学习存在一定的畏难情绪。以往的教学工具和方法比较陈旧，学生感知不到新意，学习化学的兴趣愈发低迷。数字实验技术是一种现代新兴科技，在初中化学教学中运用数字实验技术是调动学生化学探索积极性的主要途径。比如实验系统中的传感器、图形数据采集器等，都具有便捷、直观的特点，在手掌上就能操作，可以带给学生前所未有的新鲜感，使其产生强烈的尝试和操作动机。教师把数字实验所得的数据作为分析资料，也能有效地简化学生对化学知识的理解过程，从而带给学生新奇、有趣的化学学习体验。

（二）提高化学实验的精准性

实验在初中化学教学中占据着至关重要的地位，学生探知化学概念和规律都需要依托于实验。传统教学受到技术和资源的制约，局限在定性实验的模式内，对于一些实验细节很难实现有效把控，也无法精准地测定各类实验数值或参数，给化学实验探究带来不稳定的因素。数字实验技术具有强大的测量和控制功能，不仅对传统实验资源的不足进行了很好的补充，也能最大化地减少实验误差和影响因素，如化学实验中需要滴加药剂，药剂的量需要精确到1 滴或半滴，这个量就很难把控，教师可以指导学生使用手持式的滴数传感器，分毫不差地控制实验药剂的用量，同时连接数字实验的实时录像系统呈现滴加药剂后的现象变化，从而借助数字实验技术使实验教学资源变得更加丰富、鲜活。

（三）有利于改变学生的化学认知方式

在以往的初中化学教学中，学生对化学现象和规律的认知只有三重表征，即宏观表征、微观表征和符号表征，想要得出这些表征结果需要经过严谨的实验操作、观察和推理论证，但是在涉及微观粒子变化平衡方面的概念和原理时，上述表征不容易验证实验假设，学生也会遇到认知障碍。数字实验技术与传统教学方法最大的区别就是能即时采集实验数据并自动生成曲线图，在三重表征中又增加了曲线表征，有利于改变学生的化学认知方式。比如教师可以借助数字实验系统生成的曲线图引导学生结合实验活动分析曲线图中因变量和自变量之间的联系和规律，思考变化的原因、探究变化的本质，从而通过四重表征的认知方式推动学生对化学知识的深度理解。

二、数字实验技术在初中化学教学中的运用策略

（一）运用数字实验技术实施化学导入

在初中化学教学中，精彩的导入能够起到先声夺人的效果，使学生注意力高度集中并精神百倍地投入学习。以往教师一般只在实验探究阶段应用数字实验技术，忽略了课堂导入环节。数字化实验系统是创设导学情境的最佳工具，可以生动、具象地为学生呈现实验课题或现象。因此，教师应该运用数字实验技术实施化学实验课的导入，根据课程目标和内容，选择适宜的数字化工具和软件，采用演示实验的方式向学生展示奇妙的化学情景，同时精心设问，引导学生围绕着数字实验情景合作探讨、对实验提出合理的猜想，从而使化学实验课的开讲更加富有创意，唤醒学生的思维活力和求知欲［1］。

如在关于探究人体吸入空气与呼出气体差异的教学导入阶段，教师就可以预先准备氧气传感器、二氧化碳传感器、湿度传感器等数字实验设备，以及塑料瓶、胶皮管等常规实验器材，抛出第一个问题：同学们，大家感觉我们吸入的气体和呼出的气体一样吗？多数学生都回答：不一样。教师不急于揭晓答案，而是将各种数字设备和器材连接起来，打开传感器的开关，在电子白板上出示数字实验系统的操作界面，点击波形图，通过胶皮管向塑料瓶内呼出气体，白板上呈现瓶内氧气、二氧化碳、水蒸气含量变化的波形图，接着抛出第二个问题：从老师的演示操作和波形图像来看，大家认为人体吸入空气和呼出气体有什么不同？能否提出对应的猜想？学生激烈地讨论后反馈：三个波形图的曲线在气体交换后都发生了改变，氧气波形图的曲线下降了，二氧化碳和水蒸气的波形图都上升了，因而猜想吸入空气比呼出气体的氧气含量高、二氧化碳含量低、水蒸气含量低。接下来，教师组织学生正式使用数字实验系统开展分组操作，验证实验猜想，并结合传感器采集的数据探究得出氧气、二氧化碳、水蒸气发生变化前后的具体数值。这样通过利用数字实验技术实施化学导入，学生研讨实验假设时就有据可依，同时以浓厚的兴趣投入到自主探究活动中［2］。

（二）运用数字实验技术优化传统实验

传统化学实验模式具有操作简单、现象清晰的优点，但是对于部分需要观测物质快速变化过程的实验来说，传统方法存在一定的局限性。数字实验技术与传统实验形成良好的互补，其搭载的信息技术和各类手持传感器能够高速度、高精度地采集实验数据。因此，在初中化学教学中，教师应该运用数字实验技术优化传统实验，根据具体的实验课题剖析传统实验手段的不足，基于数字实验加以改进，引导学生对动态的实验数据进行综合、多维度的分析，从而实现传统和创新的有机结合，提高化学实验课的实施效率。数字化实验的表层意义是改变操作方法和实验仪器，其内核是一种教学理念与课程理念的创新，是传统与现代融合的课堂实验学习模式。通过分析传统实验与数字实验的方式可知，传统的化学实验操作简单，呈现的效果直观，但这仅限于简单的化学实验，而难度较大，过程复杂的化学实验则不适合于通过传统的实验方法进行学习，这是由于实验变化速度较快，学生很难清晰地观察到整个实验的过程，也不利于学生及时读取与记录数据。数字化实验教学的融入，则有效避免了这一问题，通过传感技术、信息技术能够自动化测量，并能精准采集数据，详细对每个实验的细节进行记录，这有助于学生从动态化的角度分析实验数据，并从多维视角进行知识点的讨论与分析。虽然数字化实验优势较多，但并不能完全取代传统实验，而是以兼收并蓄的态度综合运用两种实验模式，为学生搭建一座理性认知与感性认知相融合的桥梁，学生有更多的数据以供学习，能够从传统实验与数字化实验相融合的角度推理化学现象的产生过程，而不是单纯地对实验过程与结果的验证。如在关于探究石灰水和浓烧碱溶液吸收二氧化碳能力的实验中，饱和石灰水的浓度较低，对二氧化碳的吸收能力有限，烧碱的溶解度比较大，浓溶液能够充分地吸收二氧化碳。传统实验方法主要是通过肉眼观察二者对二氧化碳的吸收情况，对比不够鲜明。教师在优化时，可以在传统实验装置中，增加数字化压强传感器，把传感器接入电脑系统，指导学生按照实验装置图进行实验学习。这样通过采用数字化压强传感器优化实验，学生就能从量的角度，直观地比较二者对吸收二氧化碳能力的区别［4］。

（三）运用数字实验技术讲解疑难知识

学生的化学素养正处在形成初期，在探索化学概念及其规律的过程中经常会遭遇认知方面的困难。以往由于技术资源的匮乏，教师缺少强有力的解释办法。数字实验技术为化学课程重难点的突破带来了全新的生机。教师应该针对学生的思维特点和认知障碍，利用数字实验技术辅助化学疑难知识的讲解，从而强化学生的学科思维能力。教师可借助数字实验技术对学生讲解难以理解的、抽象的知识，如利用数字化手持技术开展实验教学，以可监测信号的方式呈现化学反应及其本质现象，帮助学生透过现象看本质，理解化学知识的规律；还可以通过手持技术实验降低学习难度，完成定性实验向定量实验的转变，使学生深入、精准地了解学习内容，通过分析数据对实验全程的变化进行感受，得出科学、精准的结论，帮助学生解决疑难问题。如在关于酸碱中和反应的化学教学中，学生在理解酸和碱反应的实质和特点时，经常陷入滴定终点“恰好变色”就是“恰好完全反应”的认知误区。在突破这一难点时，教师可以应用pH 传感器、滴数传感器、数据采集器、磁力搅拌器等数字化实验仪器，引导学生使用滴数传感器进行控制。在数字实验技术的支持下，学生就深刻地理解pH＝7是酸碱中和反应的终点，从而走出误区、实现对化学疑难知识的有效学习［5］。

（四）运用数字实验技术开展微观探析

初中化学教学涉及很多关于微粒变化的课程，这些课程知识点单靠宏观辨识和表象解释，学生是很难对其进行想象和理解的。在多媒体技术的支持下，能够以直观互动的方式从抽象的问题分析静止问题，并通过分析归纳的方式对问题进行总结，有助于从微观角度探析化学现象。教师还可以借助信息技术使实验学习过程变为模拟形式，为学生构建一种多人协作的学习空间，满足不同认知水平学生不同的学习需求，使其能够以对比的方式学习各类化学知识。同时，数字实验技术能够实现微粒变化可视化，利用最有说服力的数据揭示化学变化的本质，引导学生从宏观、围观、符号和曲线等多重表征建立完整的化学认知模型。因此，教师应该针对教材中有关微粒变化的课程，运用数字实验技术开展微观探析活动，引入色度、光强、电导率、离子等数字化传感器设备，以及DIS 直观演示和数据分析技术，带领学生观察、分析微观现象中的化学规律［6］。

（五）运用数字实验技术设计练习活动

数字化实验将DIS 数字信息系统与化学教学相融合，其原理是利用计算机、数据采集器、传感器及含有配套使用的专用及通用软件开展实验，以图表形式呈现定量采集的数据。在数字化实验的支持下，能够得到数字和曲线，具有较强的可靠性、真实性直观性，可帮学生养成证据意识，根据证据分析变化的规律及本质从微观、宏观两个视域理解化学现象。数字实验技术既适用于课堂学习，也适用于课后练习，其能帮助学生巩固学习内容，完善实验学习。练习是初中化学教学的重要构成部分，以往教师设计课堂练习时，通常是问答概念或者是布置化学计算题，学生早已感到厌倦，同时练习的内容和形式也比较单一。在数字实验的背景下，实验系统中的曲线表征图为化学练习提供更加优渥的资源。教师应该根据课程的考查重点，在数字实验系统中调取相关的曲线表征图，精心设计观察、比较、推理类的练习题，引导学生运用所学知识技能解答习题，从而提升课堂练习的综合性，实现数字实验技术的拓展运用。

如在关于盐酸滴定碳酸钠的化学教学中，学生通过数字化实验探究初步理解盐酸与碳酸钠分步反应的实质，在实施练习活动时，教师就可以出示GQY 数据采集器所生成的pH 反应曲线图，同时提出思考问题：为什么pH 反应曲线具有两个跃变点？请大家合作解释。学生解析曲线表征后解答。这样通过依托数字实验技术设计练习活动，学生就准确地解释了化学反应的过程，从而实现对实验探究收获的学以致用。

三、结语

综上所述，在初中化学教学中运用数字实验技术，不仅有利于调动学生的化学探索积极性，也能把定性实验转变为定量实验，扩充化学实验教学资源，改变学生对化学知识的认知方式。教师应该立足化学课程目标，整合运用化学实验软件、各类数字传感器和数据采集器，在课堂导入、实验探究、疑难知识讲解、微观探析、拓展练习等环节引入功能优越的数字实验设备，以精准的实验数据科学、客观地再现化学本质，从而助推学生化学素养的稳步发展。