張玉娟

（南京外國(guó)語(yǔ)學(xué)校 江蘇 南京 210008）

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，可以說(shuō)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)賴以生存并不斷發(fā)展的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代社會(huì)的迅速發(fā)展，促進(jìn)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)也在不斷地變化和發(fā)展，一種以傳感器和計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)各種傳感器替代傳統(tǒng)的儀表，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集之后交由計(jì)算機(jī)分析處理，能夠更加清晰、明確地展示現(xiàn)象，揭示規(guī)律。

但是，這種新型的教學(xué)儀器如何融入到中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，如何適應(yīng)現(xiàn)階段教學(xué)改革的需要，成為許多一線教師關(guān)注的問(wèn)題。有鑒于此，筆者嘗試將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于化學(xué)選修課程的教學(xué)中。選修課從階段任務(wù)、探究?jī)?nèi)容等方面著手，分兩個(gè)階段進(jìn)行。

一、選修課開(kāi)設(shè)過(guò)程

1.第一階段：指導(dǎo)—探究模式

這個(gè)階段的主要任務(wù)是盡快讓學(xué)生熟悉數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的各種功能，在教師的指導(dǎo)下應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)操作。

本階段采取了指導(dǎo)—探究型教學(xué)組織形式。學(xué)生是初次學(xué)習(xí)者，教師預(yù)先為學(xué)生設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)情境，參與并指導(dǎo)學(xué)生的各個(gè)探究環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生按照預(yù)定的探究目的和方式進(jìn)行探究活動(dòng)。指導(dǎo)—探究型教學(xué)組織活動(dòng)流程如下：

教師：創(chuàng)設(shè)情境——指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)——批閱報(bào)告——總結(jié)歸納

學(xué)生：感知激活——進(jìn)行實(shí)驗(yàn)——撰寫(xiě)報(bào)告——交流反思

本階段選修課內(nèi)容與安排如下：

課次 教學(xué)內(nèi)容1 介紹軟件的使用及操作2 測(cè)定不同環(huán)境空氣中O2、CO2的含量；探究不同光強(qiáng)對(duì)濃硝酸分解的影響3 物質(zhì)在溶解過(guò)程中的溫度變化4 中和反應(yīng)與中和熱的測(cè)定5 電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性6 原電池中能量的變化7 鹽酸和醋酸與大理石反應(yīng)；濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響8 探究溫度、催化劑對(duì)過(guò)氧化氫的分解速率的影響9 鹽類的水解

2.第二階段：合作—探究模式

學(xué)生已經(jīng)進(jìn)入高二年級(jí)，對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的功能及應(yīng)用已經(jīng)很熟悉，化學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ延辛孙@著提高，所以筆者要求每個(gè)小組設(shè)計(jì)并實(shí)施應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究活動(dòng)，探究活動(dòng)的主題可以來(lái)自于生活，可以來(lái)自于中學(xué)化學(xué)課本。

本階段采取了合作—探究型教學(xué)組織形式，它特別強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主性和創(chuàng)造性。由學(xué)生小組自行提出探究課題，制定探究方案，查閱資料文獻(xiàn)，相對(duì)獨(dú)立完成探究任務(wù)，主動(dòng)向他人匯報(bào)探究結(jié)果和探究過(guò)程，并不斷進(jìn)行自我反思。教師并沒(méi)有直接參與到學(xué)生的活動(dòng)中，只是對(duì)學(xué)生的探究過(guò)程進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控，或適時(shí)提出意見(jiàn)和建議。

本階段選修課探究課題如下 （學(xué)生自己制定）：

課次 教學(xué)內(nèi)容1 水與乙醇的氫的活潑性2 影響原電池電流大小的因素3 碳酸飲料與泡騰片4 牙膏中的化學(xué)

二、階段實(shí)施分析與總結(jié)

1.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為科學(xué)探究提供了技術(shù)支撐

為了解學(xué)生對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于教學(xué)的反應(yīng)如何，在第一階段選修課結(jié)束時(shí)，筆者做了問(wèn)卷調(diào)查，共發(fā)放了30份問(wèn)卷，收回有效問(wèn)卷30份。調(diào)查問(wèn)卷主要圍繞了這樣幾個(gè)問(wèn)題：你為什么選擇數(shù)字化化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為你的選修課程？你覺(jué)得數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，優(yōu)點(diǎn)有哪些？缺點(diǎn)有哪些？你認(rèn)為哪些化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容適于使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)？給你印象最深刻的一次數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是什么？

調(diào)查結(jié)果及分析結(jié)果如下：

表1 選擇數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為選修課程的原因

學(xué)生選擇數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為選修課程最主要的原因是出于對(duì)應(yīng)用傳感技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的興趣和從提高自身動(dòng)手和操作能力的角度出發(fā)，但是對(duì)于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裉岣呋瘜W(xué)成績(jī)還持有一定的疑問(wèn)。化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)科學(xué)賴以形成和發(fā)展的基礎(chǔ)，是檢驗(yàn)化學(xué)科學(xué)知識(shí)和真理的標(biāo)準(zhǔn)，是學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)的有效手段和媒體?？鬃诱f(shuō)：“知之者不如好之者，好之者不如樂(lè)之者。”學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣將會(huì)轉(zhuǎn)化為對(duì)化學(xué)本身的興趣，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲，以激勵(lì)他們克服學(xué)習(xí)過(guò)程中的種種困難，從而獲得好的成績(jī)。

表2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)比較優(yōu)缺點(diǎn)

通過(guò)學(xué)生親身經(jīng)歷和感受，他們覺(jué)得數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)比較最顯著的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)顯示直觀和增加實(shí)驗(yàn)可信度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得、分析和處理是科學(xué)研究的重要環(huán)節(jié)。傳感器是獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一類有效武器，利用傳感器可以獲得實(shí)驗(yàn)過(guò)程中關(guān)于溫度、濃度、色度、pH等很多方面的數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)采集器或計(jì)算機(jī)，可以將數(shù)據(jù)以圖形形式顯示出來(lái)，學(xué)生可以非常直觀地對(duì)圖形進(jìn)行觀察，然后做出判斷或預(yù)測(cè)。傳感技術(shù)較高精度的測(cè)量可以檢測(cè)反應(yīng)過(guò)程中許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或參數(shù)的微弱變化：通過(guò)設(shè)定不同的采集速率，使我們就像電影中的慢鏡頭一樣來(lái)研究瞬間反應(yīng)中的細(xì)微變化，像快鏡頭一樣來(lái)濃縮歷時(shí)較長(zhǎng)的化學(xué)變化過(guò)程，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加可信。

但同時(shí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)也存在一定的缺點(diǎn)：成本高和儀器精度、準(zhǔn)確度不夠。成本高必然帶來(lái)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)難以普及的問(wèn)題，儀器精度、準(zhǔn)確度不夠必然帶來(lái)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)改進(jìn)問(wèn)題，這些問(wèn)題值得我們將來(lái)繼續(xù)關(guān)注。

表3 適于使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

表4 印象深刻的一次數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

學(xué)生在談到適合使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)主要提到了：測(cè)酸堿度、測(cè)壓強(qiáng)、測(cè)氣體濃度這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)；在談到印象深刻的一次數(shù)字化實(shí)驗(yàn)時(shí)提到了：化學(xué)反應(yīng)速率影響因素的測(cè)定。仔細(xì)分析一下，不難發(fā)現(xiàn)其中原因：測(cè)定氣體的壓強(qiáng)、濃度等實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備難以辦到的，但是利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)卻可以很快測(cè)得并且可以獲得連續(xù)的數(shù)據(jù)，這就顯示出了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)定量的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，使一些傳統(tǒng)的定量實(shí)驗(yàn)得到優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。定量實(shí)驗(yàn)的引入，對(duì)于學(xué)生定量研究意識(shí)和能力培養(yǎng)將起到積極地促進(jìn)作用。

在新一輪的課程改革中，科學(xué)探究不僅被作為重要的理念強(qiáng)調(diào)、作為教學(xué)建議提出，而且被列入了課程目標(biāo)和內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)之中?？茖W(xué)探究教學(xué)既是一種教學(xué)模式，也是一個(gè)創(chuàng)造性的活動(dòng)。它以探索、研究科學(xué)規(guī)律為出發(fā)點(diǎn)，以學(xué)生的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)為中心，以培養(yǎng)學(xué)生的探究能力為目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生的全面發(fā)展和個(gè)性張揚(yáng)。但在中學(xué)開(kāi)展探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)多年來(lái)，特別是在實(shí)行高中新課程以來(lái)，一直存在缺少探究設(shè)備的問(wèn)題，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的引入解決了這個(gè)問(wèn)題。它的快速直觀緩解了課堂教學(xué)時(shí)間緊張的問(wèn)題；它的靈活、方便、易用性解決了部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)度要求規(guī)范操作導(dǎo)致的重細(xì)節(jié)忽視整體實(shí)驗(yàn)過(guò)程體驗(yàn)的問(wèn)題；它還可以在中學(xué)化學(xué)大量的定性實(shí)驗(yàn)引入了定量要素，從原有關(guān)注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)變成關(guān)注實(shí)驗(yàn)過(guò)程與原理，再結(jié)合其他科學(xué)探究的要素，從而使中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)由此進(jìn)入了準(zhǔn)科學(xué)探究的階段。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于科學(xué)探究學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生親自體驗(yàn) “做科學(xué)”的探究過(guò)程，這樣更能體現(xiàn)學(xué)生的主體性，增加學(xué)生的參與度，既有利于學(xué)生基本知識(shí)技能的獲得，又有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、實(shí)踐能力和創(chuàng)新素質(zhì)。

2.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高

在兩個(gè)階段選修課結(jié)束后，做了調(diào)查問(wèn)卷，共發(fā)放了30份問(wèn)卷，收回有效問(wèn)卷30份。中心問(wèn)題是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的作用：

表5 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的作用（第一階段結(jié)束后）

表6 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的作用（第二階段結(jié)束后）

研究表明，通過(guò)學(xué)生自主合作探究，他們感受到思維能力、合作能力、創(chuàng)新能力得到了大大的提高，同時(shí)感受到通過(guò)使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，對(duì)一些難于理解的概念原理有了重新的認(rèn)識(shí)。正如我們所預(yù)期的，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與中學(xué)化學(xué)教學(xué)的整合使學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)得到了全面的提升。

（1）知識(shí)維度

化學(xué)學(xué)科涉及許多抽象、難懂的概念和原理，學(xué)生往往在課堂學(xué)習(xí)時(shí)感到困難，在第一時(shí)間的學(xué)習(xí)過(guò)程中就形成認(rèn)知障礙，以至影響到后續(xù)學(xué)習(xí)。由于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)擁有多種傳感器探頭，及相應(yīng)的分析與計(jì)算功能，可以滿足學(xué)生對(duì)于概念和原理學(xué)習(xí)認(rèn)知研究的需要，為化學(xué)教育提供實(shí)證結(jié)論與教學(xué)參考。“科學(xué)的本質(zhì)是探究，科學(xué)的前提是觀察”，中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能還這些科學(xué)實(shí)驗(yàn)以本來(lái)的面目，增進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)現(xiàn)象和原理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，能有效地改變學(xué)生靜坐聽(tīng)講，一味枯燥地被動(dòng)接受知識(shí)的局面，感受高新科技時(shí)代的氣息，增強(qiáng)他們探究科學(xué)問(wèn)題的興趣和求知欲。

（2）能力維度

新課程標(biāo)準(zhǔn)提倡“改變過(guò)于強(qiáng)調(diào)接受學(xué)習(xí)、死記硬背、機(jī)械訓(xùn)練的現(xiàn)狀，倡導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、樂(lè)于探索、勤于動(dòng)手，培養(yǎng)學(xué)生搜集和處理信息的能力、獲取新知識(shí)的能力、分析和解決問(wèn)題的能力及交流與合作的能力。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為一種利用現(xiàn)代電子數(shù)碼科技進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的新型的教育技術(shù)，以其顯著的特點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)我們?nèi)碌膶W(xué)習(xí)與教學(xué)理念與方式，來(lái)大幅度提高教育和教學(xué)的效率，來(lái)培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力，并且適應(yīng)信息時(shí)代要求的新一代高素質(zhì)人才。戴爾的“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論指出，“教育應(yīng)從具體經(jīng)驗(yàn)入手，逐步進(jìn)入抽象，有效的學(xué)習(xí)之路必需鋪滿著具體經(jīng)驗(yàn)”。 傳感技術(shù)為學(xué)生開(kāi)拓了“具體經(jīng)驗(yàn)”的范圍和深度，為概念、規(guī)律的揭示創(chuàng)設(shè)了更好的條件，只有建筑在高技術(shù)平臺(tái)上的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，才會(huì)帶來(lái)高層次的實(shí)驗(yàn)素質(zhì)、思維能力和創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)，而這些素質(zhì)和能力的培養(yǎng)為學(xué)生將來(lái)從事科學(xué)研究工作的環(huán)境接軌創(chuàng)造了條件。

（3）情感維度

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤?shí)驗(yàn)化難為易，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)情景，不斷克服實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的不良心理，獲得實(shí)驗(yàn)的成功感。它還能將實(shí)驗(yàn)對(duì)象擴(kuò)展到科學(xué)—技術(shù)—社會(huì)—環(huán)境（STSE）的范疇，能貼近社會(huì)、貼近生活，讓學(xué)生感受到化學(xué)無(wú)處不在，讓學(xué)生在課堂上處于最大限度的主動(dòng)激活狀態(tài)，從而使其興趣逐步發(fā)展為志趣。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程營(yíng)造了一個(gè)向未知境界不斷探索的學(xué)習(xí)環(huán)境，有利學(xué)生學(xué)習(xí)情感的培養(yǎng)。

［1］ 蔣永貴.新課程背景下的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室及其在中學(xué)理科教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)電化教育，2006，（11）

［2］ 錢(qián)揚(yáng)義等.信息技術(shù)與化學(xué)課程整合研究［J］.課程·教材·教法，2004，（7）