数字化实验助力中学化学的教学探析*

李 晶，崔克宇

(吉林师范大学 化学学院，吉林 四平 136000)

数字化实验因直观、即时、便捷等优点备受广大教育者宠爱，被应用于化学课堂以丰富实验过程，促进学生理解知识，培养学生综合素质。然而数字化实验助力化学教学实践过程中仍然存在数字化实验应用不适切、实验过程设计不高效、教学情境选择不有趣等问题。本文分析了数字化实验在中学化学中的应用价值和教学策略，以提高化学课堂教学质量，促进学生全面发展。

1 数字化实验的概念和研究现状

数字化实验，即数字化信息系统实验，由传感器、数据采集器和计算机和配套软件组成，通过传感器将实验数据转化为电信号并传输给数据采集器和计算机，对实验结果进行整理和分析，实现了人类感官的延伸，在培养科学探究能力，促进学科认知，提高信息素养等方面都具有独特的教育潜力。

20世纪70年代，美国学者Robert Tinker首次提出数字化实验，并于1978年开发出第一个教学应用的数字化实验，即萘的冷却曲线实验[3]。在21世纪后，随着网络的普及和传感器技术的发展，信息技术与学科课程逐渐整合。钱扬义率先于2003年将数字化实验引入国内，并组织开展研究[4]，并于2009年首次构建了化学“四重表征”教学模式。2021年，钱扬义团队分享手持技术数字化实验慕课在准备、拍摄、设计环节、剪辑、审查与推广方面的建设心得，并对不同类别的案例进行分析研究，力求促进职前化学师范生、在职一线教师的素养提高。

在网络和传感器技术高速发展的今天，数字化实验更加便携智能，可以连接更多样的手持设备，能够更加高效、充分地应用于实验教学中。然而，一线教师在将数字化实验应用于化学教学时存在若干问题，如在实验过程方面，实验过程枯燥、学生参与较少、注重宏观现象而难以实时观察某些性质的变化；在概念理解方面，学生理解困难、学习效率低；在实际应用方面，缺乏学科交叉、脱离生活情境；在教学策略方面，忽略学生主体、依赖应试思维等，阻碍学生全面发展。

如今，新课程改革和教育信息化的背景给化学教学提出了新的要求，高考试题也加入了离子平衡等数字化实验图像题目。数字化实验助力化学教学成为趋势热点。

2 数字化实验助力化学教学的价值

1)激发学习兴趣

传统实验过程繁琐、时间长、对操作准确度要求严格，学生在实验过程中容易产生厌烦情绪和畏难情绪。手持技术是科技产物，符合学生对新鲜事物的好奇心理，而且操作简单，携带方便。将数字化实验应用于化学教学中创设有趣情境，能够激励学生主动探究。

生：我是假设左边三角形的底是a，右边三角形的底是b，那么阴影部分的面积就是a×8÷2+b×8÷2，我们知道可以利用乘法分配律a×8÷2+b×8÷2=（a+b）×8÷2，而a+b=12，所以三角形的面积是12×8÷2=48（平方厘米）。

图1是利用数字化实验模拟酸雨的形成，测定通入二氧化硫后和通入氧气后pH的变化的装置。曲线表征如图2。引导学生分析实验数据，解释曲线变化背后的反应原理。利用数字化实验创设情境，能够简化实验步骤，放大实验现象，激发实验兴趣，并在实验探究过程中培养学生的信息化素养、高阶思维能力、科学探究意识[5]。

1.二氧化硫发生 2.模拟酸雨形成 3.氧气发生

图2 pH传感器实时曲线

2)纠正错误观点

技术的局限使得错误的学科观点长久地误导教师和学生，不利于学科知识的传播与探究精神的培养。传感器技术的发展，给予师生探索真理的机会。师生能够借助数字化实验记录物理量的变化，实现人体感官的延伸，从而形成正确的认知。例如，在二氧化碳的制取中，一般认为，二氧化碳能溶于水所以无法用排水法来收集，但利用氯离子传感器进行实验后发现，应用排水法不仅可行，而且更加便捷节俭[6]。

3)加深概念理解

概念理解是学科学习的基石，但因大多概念较为复杂抽象且难以观察，使得学生在概念理解方面有认知难度。而数字化实验具有可视化的优点，有助于学生掌握学科概念、突破学科重难点。例如，利用氧气传感器、压强传感器、pH传感器对铁的吸氧腐蚀实验进行改进，捕捉化学反应过程中压强和氧气浓度变化，定量研究反应前后溶液pH变化，借助数字化实验帮助学生理解析氢腐蚀和吸氧腐蚀的概念，解决疑难问题，引导学生更全面、深刻地认识化学反应[7]。

4)发展综合能力

应用手持技术能够将实验数据即时转化为图像，帮助学生将曲线变化与实验现象建立联系，促进学生提取信息、分析问题的能力。在探究实践过程中，学生筛选信息、动手操作、合作交流、总结经验的综合能力会大幅提升。这也给教师提出了新的要求，教师需要在实验探究过程中引导学生独立思考、合作交流，发展多层次能力。在信息技术高速发展的时代，数字化实验能够与混合式教学、项目式教学、STEAM教育等教育理念相融合，强调学生多方面的能力发展，进而促进培养复合型人才。

5)培养科学态度

化学教育不仅需要传授专业知识、关键技能，而且需要关注学生在实验过程中的心理变化，以及养成严谨认真的科学态度和坚持不懈的科学精神。数字化实验由于便携、即时、可视的特点，便于学生将其应用于联系生活实际的科学探究中，如研究空气、河流、食品等质量，从而感受绿色环保的理念，潜移默化培养学生科学态度、社会责任意识。

3 数字化实验助力化学教学的策略

传统的教学策略在受到新技术、新理念的冲击时，须要做出变革应对挑战，提高教学效率和教学质量。分析数字化实验的作用后，考虑如何将数字化实验融入化学实验教学以挖掘其教育潜力。下面从创设趣味情境、结合传统实验、利用探究学习、融合多个学科、联系实际生活5方面探讨数字化实验的应用策略。

1)创设趣味情境

数字化实验能够测量传统实验无法测得的量，使实验数据可视化，这可以用来创设趣味情境营造愉悦学习氛围、激发学生探究兴趣、提高课堂学习效率。例如，可以借助电子显微镜引导学生观察泥土、植物油等物质在水中分散的现象，形成的乳浊液现象如图3，悬浊液现象如图4[8]，激发学生学习分散系的兴趣。再如，引导学生利用电流传感器分析不同种类水果电池产生的电流大小，进而分析原电池的概念、原理和用途。

图3 乳浊液放大示意图

图4 悬浊液放大示意图

2)结合传统实验

传统实验耗时长、步骤繁琐、精确度低，但是能够培养学生观察能力、实验操作能力、分析处理问题能力，以及科学态度。而数字化实验数据采集与处理方便，能够提高实验效率，拓宽实验对象范围，培养信息素养，但是忽视实验基础操作、隐藏实验原理。传统实验和数字化实验在化学教学中都具有不可替代的优势，只有将二者有机结合才能最大程度上发挥其教育作用。例如，可以利用浊度传感器对利用肥皂水鉴别软、硬水进行定量研究，即时获得实验数据进行曲线表征。与传统实验相结合，培养学生实验操作能力、数据分析能力，在实践中促进学生全面发展[9]。再如，在做酸碱中和滴定实验时，传统实验利用肉眼观察进行滴定分析，然而个体对颜色的感知不同，且手动操作准确度低、重复操作耗时长，教学价值难以凸显，因此可以引入pH、滴数传感器进行实验，再利用温度传感器探析中和反应中热量的变化，将实验数据即使加工成曲线进行表征，能够减少学生负担，加深学生对酸碱中和滴定原理的理解，培养学生的实验操作能力和综合素质。

3)利用探究学习

学生在体验科学探究过程中能够感受探究乐趣，掌握探究方法，交流实验经验。而数字化实验便于学生将精力放在实验原理思考、数据处理分析中，使探究学习更加高效便捷。因此，将数字化实验与探究学习相结合，能够有效培养学生主观能动性、形成理性的探究态度。探究学习过程中教师应创新实验设计、耐心指导答疑、鼓励小组合作、引导学生反思，从而保证实验探究的效果以实现对学生综合素质的有效培养。

4)融合多个学科

学科融合强调将碎片化的知识进行有机整合，引导学生从多个学科领域中理解知识，习得技能。数字化实验是科学实验与计算机技术融合的产物，能将多维实验数据即时转化为图表并进行分析处理，可以应用于教学中来培养学生整合思维和协调能力。例如，化学与生物学科交叉，采用传统实验和数字化实验有机结合的方法探究酵母菌的呼吸方式，利用氧气传感器得到清晰的氧气含量变化曲线，利用传统化学反应检验乙醇得到溶液由橙色变为灰绿色的直观现象，能够培养学生多维能力，促进学生知识结构化。

5)联系实际生活

基于真实生活的复杂情境中进行实践，引导学生发散思维，建构模型，解决问题，能够优化课程教学效果并促进学生全面发展。例如，在学习乙醛的性质时，可以引导学生讨论喝酒后服用头孢的致死原因、探究致死物质结构、研制“解酒药”来丰富学生对有机物的认识并落实学生的科学态度与社会责任。又如，引导学生设计火灾报警装置，利用温度传感器、烟雾传感器来采集环境数据，连接计算机进行数据分析与监控报警，帮助人民防范火灾，将科学知识、社会责任渗透进实验教学。

联系实际生活看似简单，实则考验教师的生活经验和专业素养，不仅需要教师创设巧妙的任务，在引导学生分析解决问题的过程中也需要教师循循善诱。所以引导学生完成与实际生活相联系的实验，要求教师钻研教材知识，挖掘生活素材，深化学科认识，落实立德树人。

4 总结

在分析当前化学实验教学的不足后，论述了数字化实验的内涵、发展，研究其在化学教学中发挥的作用以及应用于实验教学的策略，旨在培养学生综合能力和科学态度，最终为学生将来化学知识的学习和综合素质的提高增添不竭动力，更好地落实核心素养，培养优质人才，促进社会进步。