沈 世 紅

(南通市教育科學(xué)研究中心，江蘇 南通 226001)

數(shù)字化實(shí)驗應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗教學(xué)的思考

沈 世 紅

(南通市教育科學(xué)研究中心，江蘇 南通 226001)

[摘要]數(shù)字化實(shí)驗是學(xué)習(xí)化學(xué)和理解化學(xué)的工具，它作為中學(xué)化學(xué)教和學(xué)的工具、學(xué)習(xí)環(huán)境支撐的工具，可以創(chuàng)造出圖文并茂、人機(jī)交互、即時反饋的學(xué)習(xí)環(huán)境，這在推動中學(xué)化學(xué)實(shí)驗教學(xué)優(yōu)化過程中可以發(fā)揮巨大的作用。從數(shù)字化實(shí)驗的創(chuàng)新設(shè)計、數(shù)字化實(shí)驗的創(chuàng)新實(shí)踐、數(shù)字化實(shí)驗的創(chuàng)新反思等三方面闡述了數(shù)字化實(shí)驗在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗教學(xué)中的引入、應(yīng)用和思考，提出數(shù)字化實(shí)驗在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的引入需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究， 在從定性到定量的轉(zhuǎn)變中引入，在從表象到本質(zhì)的轉(zhuǎn)變中引入， 在從質(zhì)疑到探究的轉(zhuǎn)變中引入。

[關(guān)鍵詞]創(chuàng)新；數(shù)字化實(shí)驗；傳感器；中學(xué)；化學(xué)

化學(xué)實(shí)驗教學(xué)在經(jīng)歷了顯性化、趣味化、安全化、綠色化、微型化的改造之后，正向數(shù)字化(DIS)方向邁進(jìn)。隨著科技的進(jìn)步，數(shù)字化實(shí)驗在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗教學(xué)中的應(yīng)用正成為化學(xué)實(shí)驗教學(xué)創(chuàng)新的新領(lǐng)域?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》指出：“信息技術(shù)對教育的發(fā)展具有革命性影響，必須給予高度重視。推進(jìn)數(shù)字化校園建設(shè)，引進(jìn)國際優(yōu)質(zhì)數(shù)字化教學(xué)資源?！?/p>

所謂數(shù)字化(DIS)其實(shí)是digital information system三個詞的縮寫，是數(shù)字化信息系統(tǒng)的簡稱。數(shù)字化實(shí)驗平臺主要是由傳感器、計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器以及配套軟件等構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)試驗數(shù)據(jù)的即時處理、編輯，可存儲化學(xué)實(shí)驗數(shù)據(jù)文件，利用數(shù)字化實(shí)驗手段可以創(chuàng)新化學(xué)實(shí)驗設(shè)計理念和模式，實(shí)現(xiàn)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗教學(xué)的現(xiàn)代化。

一、創(chuàng)新設(shè)計——數(shù)字化實(shí)驗在化學(xué)實(shí)驗教學(xué)中的引入

1.數(shù)字化實(shí)驗在化學(xué)實(shí)驗教學(xué)中的引入

從數(shù)字化實(shí)驗引入化學(xué)實(shí)驗教學(xué)開始，“悅納”和“抗拒”之爭就從來沒有停止過。在數(shù)據(jù)已經(jīng)成為和自然資源、人力資源一樣重要的第三戰(zhàn)略資源的今天，對化學(xué)教師而言，也許更重要的已不再是爭執(zhí)“要不要”引入數(shù)字化實(shí)驗，而是如何更好地“應(yīng)用”數(shù)字化實(shí)驗來創(chuàng)新我們的實(shí)驗教學(xué)。

中學(xué)化學(xué)中的不少實(shí)驗，如Cl2和SO2的性質(zhì)等，出于安全需要通常在通風(fēng)櫥中進(jìn)行，可燃?xì)怏w的爆炸問題和有毒氣體泄漏的傷害問題也常引起人們對化學(xué)實(shí)驗安全更多的關(guān)注。如果把化學(xué)實(shí)驗的發(fā)展進(jìn)程劃分為三個時代：第一個時代(實(shí)驗1.0版本)，即傳統(tǒng)實(shí)驗時代，常規(guī)玻璃實(shí)驗器皿占據(jù)實(shí)驗的主角，大劑量、大儀器、繁雜裝置扮演重要角色；第二個時代(實(shí)驗2.0版本)，即微型化、替代化實(shí)驗時代，這一時期凡是能“看得見”的實(shí)驗現(xiàn)象均被充分挖掘出來；第三個時代(實(shí)驗3.0版本)，即數(shù)字化實(shí)驗時代，它是一個“眼見為實(shí)”的時代，能將化學(xué)反應(yīng)以及化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)等逐步地轉(zhuǎn)化成為能夠進(jìn)行監(jiān)測的直觀、準(zhǔn)確、實(shí)時的數(shù)字信號，有利于學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)規(guī)律的深入認(rèn)知與研究。數(shù)字化實(shí)驗可以提升教師對于化學(xué)實(shí)驗資源的整合能力。

2.引入數(shù)字化實(shí)驗對化學(xué)教學(xué)的影響

從化學(xué)實(shí)驗1.0版本向化學(xué)實(shí)驗3.0版本的跨越，不只是儀器和操作方法的改變，更多的是實(shí)驗觀念、設(shè)計思想的改變。

圖1　傳統(tǒng)實(shí)驗和數(shù)字實(shí)驗認(rèn)知系統(tǒng)圖

在化學(xué)實(shí)驗1.0和2.0時代，化學(xué)實(shí)驗具有簡單、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)驗儀器和裝置用途比較單一，實(shí)驗結(jié)果需要依賴于人工讀數(shù)和記錄，實(shí)驗者難以觀測到快速變化的過程，不便于復(fù)雜化學(xué)問題的研究；而數(shù)字化實(shí)驗通過高速度、高精度地數(shù)據(jù)采集和自動化測量，實(shí)時記錄下轉(zhuǎn)瞬即逝的實(shí)驗的每一個過程，并能對動態(tài)的實(shí)驗數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合的、多維的分析。傳統(tǒng)實(shí)驗和數(shù)字化實(shí)驗在構(gòu)建學(xué)生的化學(xué)學(xué)科認(rèn)知系統(tǒng)上具有不同的模式(如圖1所示)。

數(shù)字化實(shí)驗帶給學(xué)生的不是“驗證”而是“推理”，這大大開拓了師生的視野，激發(fā)了學(xué)生的積極性，可以從根本上改變傳統(tǒng)化學(xué)教學(xué)的結(jié)構(gòu)和模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和研究意識，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)力。

3.化學(xué)教學(xué)中引入數(shù)字化實(shí)驗的切入點(diǎn)

數(shù)字化實(shí)驗在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的引入需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究，具體而言可以在三個方面引入。

(1) 在從定性到定量的轉(zhuǎn)變中引入。有人說當(dāng)下的時代是一個“讀圖”的時代，圖像直觀、清晰的表征特性能很好地幫助學(xué)生掌握和理解化學(xué)本質(zhì)，傳統(tǒng)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗可以觀察到實(shí)驗過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，但難以進(jìn)行定量化處理。而DIS實(shí)驗通過數(shù)字傳感技術(shù)，可以將采集到的實(shí)驗過程完整數(shù)據(jù)，經(jīng)由計算機(jī)配套軟件處理后以表格和圖像的形式呈現(xiàn)出來。如：在“濃硫酸的吸水性”實(shí)驗中用相對濕度傳感器進(jìn)行對比實(shí)驗，可分別測定有、無濃硫酸的密閉容器中空氣的相對濕度變化曲線，將傳統(tǒng)的定性實(shí)驗進(jìn)行定量化改造。

(2) 在從表象到本質(zhì)的轉(zhuǎn)變中引入。數(shù)字化實(shí)驗在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗教學(xué)中的引入可以大大優(yōu)化教學(xué)過程，讓一些難理解的科學(xué)概念和原理，借助于DIS的直觀演示和數(shù)據(jù)分析，達(dá)到快速突破化學(xué)教學(xué)難點(diǎn)的目的。如弱電解質(zhì)稀釋過程中導(dǎo)電性變化，是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的一個難點(diǎn)，教學(xué)中單一的理論探討對學(xué)生無異于紙上談兵。而應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，用電導(dǎo)率傳感器監(jiān)測冰醋酸中隨著水的加入，溶液中電流的變化，從實(shí)驗的數(shù)據(jù)可以直觀看出：隨著水的加入，冰醋酸的電流先增大后減小。數(shù)字化實(shí)驗通過各種手段拋開化學(xué)研究過程中那些表面的、次要的、非本質(zhì)的因素，將內(nèi)在的、重要的、本質(zhì)的東西表現(xiàn)出來，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并為感性認(rèn)知內(nèi)化為理性概念奠定了基礎(chǔ)。

(3) 在從質(zhì)疑到探究的轉(zhuǎn)變中引入。傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗中常常會遇到實(shí)驗結(jié)果和實(shí)驗預(yù)期不一致的情況，引發(fā)學(xué)生對化學(xué)實(shí)驗，甚至對化學(xué)教師的質(zhì)疑，這就需要實(shí)驗技術(shù)手段的優(yōu)化和更新。如“乙醇分子結(jié)構(gòu)的測定實(shí)驗”是高中化學(xué)教材中定量實(shí)驗之一，但很多化學(xué)教師也只是進(jìn)行了理論探究或純數(shù)據(jù)探究，根本不敢以真實(shí)實(shí)驗來探究，因為實(shí)驗結(jié)果常常和理論數(shù)據(jù)相距較大。通過DIS實(shí)驗就會發(fā)現(xiàn)通過壓強(qiáng)傳感器測量密閉燒瓶中的壓強(qiáng)變化，雖然測得的壓強(qiáng)總體上呈增大的趨勢，但局部卻是時減時增，這說明了乙醇的揮發(fā)對本實(shí)驗有著比較顯著的影響，DIS實(shí)驗發(fā)掘出的這一教學(xué)“意外資源”可在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題的能力，培養(yǎng)他們討論、思考、溝通、展示的能力，把新課標(biāo)的理念和目標(biāo)落到實(shí)處。

二、創(chuàng)新實(shí)踐——數(shù)字化實(shí)驗在化學(xué)實(shí)驗中的應(yīng)用

化學(xué)的核心是“反應(yīng)”，數(shù)字化實(shí)驗在化學(xué)實(shí)驗中的創(chuàng)新應(yīng)用可以更好地推動學(xué)生對“反應(yīng)”的認(rèn)知和理解。試以“金屬的電化學(xué)腐蝕”實(shí)驗為例說明。

1.“金屬的電化學(xué)腐蝕”教學(xué)中數(shù)字化實(shí)驗引入的緣起

圖2　實(shí)驗裝置

圖3　實(shí)驗裝置

按圖準(zhǔn)備好實(shí)驗裝置(分別按圖2、圖3所示)：取一只20 mL的注射器，取下針尖和活塞，將一張剪好大小合適的濾紙卷好緊貼注射器內(nèi)壁，用膠頭滴管取2滴飽和食鹽水將濾紙潤濕，再往濾紙上均勻地撒上鐵粉和碳粉的混合物，在注射器尾端塞上橡皮塞，并將之與壓強(qiáng)傳感器、接收器、計算機(jī)相連，開啟數(shù)據(jù)軟件，引導(dǎo)學(xué)生觀察數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)起始壓強(qiáng)均為常壓下的101.7 kPa，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后壓強(qiáng)傳感器顯示數(shù)據(jù)如圖4所示。將飽和食鹽水換成2 mol/L的稀硫酸，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后壓強(qiáng)傳感器顯示數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4　第一個實(shí)驗傳感器示數(shù)

圖5　第二個實(shí)驗傳感器示數(shù)

2.金屬的電化學(xué)腐蝕中數(shù)字化實(shí)驗應(yīng)用的推廣

在DIS實(shí)驗的實(shí)驗原理討論中，我們不難發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗用到的“壓強(qiáng)傳感器”是通過測定密閉容器中壓強(qiáng)變化來說明反應(yīng)本質(zhì)的，中學(xué)化學(xué)實(shí)驗中還有不少其他實(shí)驗涉及壓強(qiáng)問題，也可以用壓強(qiáng)傳感器進(jìn)行DIS實(shí)驗。如初中化學(xué)實(shí)驗“空氣中氧氣含量的測定”，教材中傳統(tǒng)實(shí)驗方法要在瓶外點(diǎn)燃紅磷，不僅不環(huán)保，而且隨著燃燒的紅磷深入瓶內(nèi)，空氣會瞬間膨脹，使得實(shí)驗誤差較大，實(shí)驗說服力較差；改用DIS實(shí)驗綠色環(huán)保，實(shí)驗限制因子較少，結(jié)果可控性好，實(shí)驗效果較好。此外，還可以利用本實(shí)驗的壓強(qiáng)檢測原理設(shè)計其余數(shù)字化實(shí)驗，如利用壓強(qiáng)傳感器監(jiān)測雙氧水分解過程中有無催化劑的情況下壓強(qiáng)的變化情況，說明催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響；利用壓強(qiáng)傳感器監(jiān)測光照條件下Cl2和CH4混合氣體倒扣在飽和食鹽水中的壓強(qiáng)變化，來監(jiān)測取代反應(yīng)的發(fā)生過程；利用壓強(qiáng)傳感器監(jiān)測反應(yīng)生成氣體的線性差異，來比較碳酸鈉和碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)速率的快慢等等。德國著名教育學(xué)家斯普朗格曾說過：“教育的最終目的不是傳授已有的東西，而是要把人的創(chuàng)造力量誘導(dǎo)出來，將生命感、價值感喚醒?！睌?shù)字化實(shí)驗在化學(xué)實(shí)驗教學(xué)中的應(yīng)用，也是一種喚醒和創(chuàng)新，值得深入研究。

三、創(chuàng)新反思——數(shù)字化實(shí)驗在化學(xué)實(shí)驗中的追問

如同中學(xué)化學(xué)實(shí)驗從1.0版本向2.0版本演進(jìn)時遇到的問題一樣，當(dāng)數(shù)字化浪潮來臨，推動化學(xué)實(shí)驗從2.0版本向3.0版本演進(jìn)時，也會遇到一些實(shí)驗創(chuàng)新的問題，帶給實(shí)驗教學(xué)更多的反思。

1.拒絕排斥數(shù)字化實(shí)驗的問題

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗教學(xué)受高考命題范式的影響較大，當(dāng)高考實(shí)驗命題還完全停留在傳統(tǒng)實(shí)驗架構(gòu)和紙筆測試時代時，較大的一次性實(shí)驗設(shè)備投入的顧慮、傳統(tǒng)實(shí)驗習(xí)慣的影響和自我學(xué)習(xí)的惰性就會占據(jù)上風(fēng)，成為教師排斥和拒絕DIS實(shí)驗的直接原因。但其實(shí)更為重要的是很多化學(xué)教師自身對DIS實(shí)驗系統(tǒng)的認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，缺乏前瞻性，在化學(xué)實(shí)驗教學(xué)中拒絕數(shù)字化實(shí)驗就不足為奇了。

聯(lián)合國科教文組織曾提出教育的四根支柱：學(xué)會求知、學(xué)會做事、學(xué)會合作、學(xué)會生存。在數(shù)字化時代，我們的化學(xué)實(shí)驗教學(xué)還可以加上第五根支柱，那就是“學(xué)會變化”!正如成功學(xué)大師陳安之說：趨勢就像一匹馬，如果在馬后面追，你永遠(yuǎn)都追不上，你只有騎在馬上面，才能和馬一樣快，這就叫“馬上成功”！實(shí)驗教學(xué)也是如此。

2.用數(shù)字化實(shí)驗全盤替代傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗的問題

數(shù)字化背景下的化學(xué)實(shí)驗3.0版本，究其實(shí)質(zhì)是對傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗的一種改良、優(yōu)化和完善，而非推翻、顛覆和摒棄。有人說數(shù)字化實(shí)驗是把雙刃劍，使用得當(dāng)才能使教師、學(xué)生、教學(xué)環(huán)境多方受益，過分地依賴數(shù)字化實(shí)驗則會束縛師生思維的開放性，使得化學(xué)思維深度和想象力受到限制，而如果用DIS實(shí)驗全盤替代傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗，則教師的化學(xué)教學(xué)激情就會缺乏，學(xué)生的觀察力、記憶力、實(shí)驗操作能力等就得不到應(yīng)有的訓(xùn)練，這與引入DIS實(shí)驗的初衷是背道而馳的。

數(shù)字化實(shí)驗是學(xué)習(xí)化學(xué)，也是理解化學(xué)的工具，它作為中學(xué)化學(xué)教和學(xué)的工具、學(xué)習(xí)環(huán)境支撐的工具，可以創(chuàng)造出圖文并茂、人機(jī)交互、即時反饋的學(xué)習(xí)環(huán)境，這在推動中學(xué)化學(xué)實(shí)驗教學(xué)優(yōu)化過程中可以發(fā)揮巨大的作用。但若用數(shù)字化實(shí)驗全盤替代傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗，則使教師成為演示員，沒有了師生、生生間的互動合作與情感交流，那些實(shí)驗數(shù)據(jù)、圖像就如同過眼云煙，勢必會導(dǎo)致學(xué)生對化學(xué)原理理解的膚淺，導(dǎo)致學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的下降。數(shù)字化實(shí)驗在化學(xué)實(shí)驗教學(xué)中的創(chuàng)新可從以下幾個方面去思考：某化學(xué)反應(yīng)能不能進(jìn)行，向什么方向進(jìn)行？若可以進(jìn)行，能進(jìn)行到什么程度？什么時候能進(jìn)行完？反應(yīng)是如何進(jìn)行的？

3.數(shù)字化實(shí)驗和傳統(tǒng)實(shí)驗融合的問題

2011年9月美國教育部長鄧肯提出了著名的喬布斯之問：“為什么在教育領(lǐng)域信息技術(shù)的投入很大，卻沒有產(chǎn)生像在生產(chǎn)和流通領(lǐng)域那樣的效果呢？”那是因為教育沒有發(fā)生“結(jié)構(gòu)性”的改變，沒有觸動教育原有模式。

數(shù)字化實(shí)驗與傳統(tǒng)實(shí)驗的融合應(yīng)合理統(tǒng)籌安排。數(shù)字化實(shí)驗主要是從具體實(shí)驗數(shù)據(jù)分析歸納實(shí)驗結(jié)論，側(cè)重于實(shí)驗的探究過程和思維能力的培養(yǎng)；而傳統(tǒng)實(shí)驗往往只是對結(jié)果作定性分析，側(cè)重于實(shí)驗過程的具體操作、常用儀器的使用規(guī)范和用途、實(shí)驗現(xiàn)象的細(xì)致觀察以及從現(xiàn)象分析結(jié)論，應(yīng)該說各有所長。把數(shù)字化實(shí)驗和傳統(tǒng)實(shí)驗有機(jī)融合結(jié)合在一起，將是最理想的實(shí)驗教學(xué)狀態(tài)。

圖6　數(shù)字化背景下的化學(xué)實(shí)驗范式轉(zhuǎn)型

從圖6我們可以看到，傳統(tǒng)實(shí)驗范式和數(shù)字化實(shí)驗范式并非矛盾和排他的，而是實(shí)驗演進(jìn)和優(yōu)化的不同階段，是包容關(guān)系。在化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中可采用SAM模式：Substitution(代替)、Augmentation(增加)、Modification(修改)，根據(jù)化學(xué)實(shí)驗的特點(diǎn)、內(nèi)容、學(xué)情來適時選擇，發(fā)揮出各自最大的功效來優(yōu)化化學(xué)教學(xué)課堂，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，取長補(bǔ)短，才能相得益彰。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 托馬斯·弗里德曼.世界是平的：21世紀(jì)簡歷[M].長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2015：16-17.

[2] 高弘.淺析數(shù)字化實(shí)驗系統(tǒng)與新課標(biāo)實(shí)施[J].實(shí)驗教學(xué)與儀器，2009(3)：4-5.

[3] 嚴(yán)西平.可燃物在密閉容器中燃燒耗氧量的數(shù)字化探究[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗，2015(4)：34-36.

[責(zé)任編輯：陳學(xué)濤]

[收稿日期]2016-01-21

[基金項目]南通市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(GH12)。

[作者簡介]沈世紅(1970-)，男，江蘇南通人，碩士，正高級教師，化學(xué)教研員。

[中圖分類號]G633.8

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1002-1477(2016)06-0079-04

學(xué)科教學(xué)[DOI]10.16165/j.cnki.22-1096/g4.2016.06.021