周文榮

摘要：以數(shù)字化實驗探究鐵粉型“暖寶寶”發(fā)熱原理為載體，從樹立信息觀念、運用信息工具、提升信息能力、輻射信息成果四個維度，分析初中化學(xué)實驗創(chuàng)新中的信息意識、信息觀念、工具運用、信息獲取、信息分析、信息創(chuàng)造、信息再加工及信息輻射等信息素養(yǎng)的發(fā)展與提升，旨在促進化學(xué)教師養(yǎng)成自主探究、綜合分析信息的意識和習慣，提升傳遞、發(fā)展、創(chuàng)新信息的能力。

關(guān)鍵詞：實驗創(chuàng)新；信息素養(yǎng)；數(shù)字化實驗；鐵粉型“暖寶寶”；實驗探究

文章編號：1005-6629（2018）1-0063-06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

實驗創(chuàng)新是培養(yǎng)創(chuàng)新人才、發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，傳統(tǒng)實驗創(chuàng)新主要集中于實驗內(nèi)容的挖掘、實驗裝置的整合與改進、實驗試劑的選擇及實驗形式的完善。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化實驗技術(shù)逐漸應(yīng)用于實驗，讓化學(xué)實驗從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代，為實驗的設(shè)計拓展了創(chuàng)新的視角?！督逃筷P(guān)于推進教師教育信息化建設(shè)的意見》明確提出：“信息化已經(jīng)引起中小學(xué)的教育思想、觀念、內(nèi)容、方法等方面發(fā)生深刻變革，要實現(xiàn)信息技術(shù)在中小學(xué)逐步普及和應(yīng)用，建設(shè)一支數(shù)量足夠、質(zhì)量合格的具有較高信息素養(yǎng)的中小學(xué)師資隊伍是關(guān)鍵。”如何讓現(xiàn)代技術(shù)服務(wù)于化學(xué)實驗創(chuàng)新，是化學(xué)教師面對的新挑戰(zhàn)。在互聯(lián)網(wǎng)+時代，需要化學(xué)教師對化學(xué)學(xué)科課程與現(xiàn)代技術(shù)進行有效整合，提升自身的信息素養(yǎng)。

1974年，美國信息產(chǎn)業(yè)協(xié)會主席保羅·車可斯基把信息素養(yǎng)定義為“利用大量的信息工具及主要信息源使問題得到解答的技術(shù)和技能”。我國學(xué)者認為：信息素養(yǎng)不僅包括利用信息工具和信息資源的能力，還包括識別獲取選擇信息、加工處理傳遞信息并將信息用于實際問題的解決和進行創(chuàng)新性思維的綜合的信息能力?；跀?shù)字化實驗設(shè)計，把化學(xué)信息素養(yǎng)界定為在化學(xué)學(xué)習活動中運用數(shù)字技術(shù)對化學(xué)信息的獲取、分析、加工、創(chuàng)新和應(yīng)用的素養(yǎng)，包括信息觀念、信息工具、信息能力和信息應(yīng)用。筆者以利用數(shù)字化實驗探究“暖寶寶”（文中實驗所用“暖寶寶”均為鐵粉型）發(fā)熱原理為例，分析初中化學(xué)實驗創(chuàng)新中的信息素養(yǎng)。

1樹立信息觀念

信息觀念是積極、辯證地對待信息的素養(yǎng)，包括信息意識和信息態(tài)度。

1.1信息意識

信息意識指對教與學(xué)過程中信息價值的感知、收集信息的意識及運用信息技術(shù)解決問題的欲望。

良好的信息意識是科學(xué)探究的開始。初中化學(xué)學(xué)習“鐵發(fā)生銹蝕的主要因素”時，經(jīng)常有教師以“暖寶寶”為例給學(xué)生介紹鐵銹蝕的積極作用。對這個信息的感知是什么，是輕描淡寫一帶而過，還是深度探究，這就是信息意識問題。“暖寶寶”的發(fā)熱原理和鐵的銹蝕本質(zhì)是否一致？“暖寶寶”在發(fā)熱過程中氧氣的濃度、濕度變化是否和預(yù)期的一致？教師要能夠收集這些質(zhì)疑的信息，并有解決問題的欲望。

1.2信息態(tài)度

信息態(tài)度是理解和對待信息的素養(yǎng)，是辨別和評價信息，抵制不良信息，優(yōu)選良好信息的積極的態(tài)度。

一線教師利用滬教版（教育部2012年審定）教材第5頁的裝置圖（如圖1）進行了實驗，在錐形瓶中放人拆開包裝的“暖寶寶”，一段時間后發(fā)現(xiàn)紅墨水在導(dǎo)管內(nèi)上升了一段距離。因為看到這個現(xiàn)象時間較長，一些教師用針筒代替錐形瓶，用口徑較小的輸液管代替玻璃導(dǎo)管設(shè)計了如圖2所示裝置，很快就看到輸液管中倒流人紅墨水。

這些實驗是否證明了“暖寶寶”的發(fā)熱原理和鐵的銹蝕本質(zhì)一致呢？對于這些信息我們怎樣理解和對待，這就是信息態(tài)度問題。紅墨水倒流只能說明密閉容器內(nèi)壓強減小，還不能明確證明氧氣、水等物質(zhì)的變化情況，還需要進一步設(shè)計實驗進行深入研究，從而獲得更多更準確的信息。

2運用信息工具

信息工具是指收集、分析、加工信息并解決實際問題的載體?；瘜W(xué)信息工具常見的有化學(xué)文獻、化學(xué)工具書、計算機及網(wǎng)絡(luò)工具、多媒體工具等。要熟練使用信息工具，就需要我們掌握各種媒體（圖片、動畫、聲音、視頻）知識，會使用常見的化學(xué)軟件，知道計算機的基本原理和運用，會使用上網(wǎng)軟件，會利用網(wǎng)絡(luò)搜索引擎檢索所需信息，會下載網(wǎng)絡(luò)資源等。利用數(shù)字化實驗探究“暖寶寶”，主要用到化學(xué)文獻、網(wǎng)絡(luò)檢索、數(shù)字化實驗等工具。

2.1運用化學(xué)文獻、網(wǎng)絡(luò)檢索工具

通過網(wǎng)絡(luò)檢索，初步收集關(guān)于某品牌“暖寶寶”的基本信息如下：

通過查閱化學(xué)文獻，收集初中學(xué)生對“暖寶寶”中不熟悉的物質(zhì)的資料如下：

2.2運用數(shù)字化實驗

數(shù)字化實驗主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機及相關(guān)應(yīng)用軟件構(gòu)成。探究“暖寶寶”用到的氣體壓強傳感器、氧氣濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器分別用于檢測密閉體系內(nèi)的氣壓，氧氣濃度、溫度、濕度的變化，并以數(shù)字、曲線等多種形式形象地顯示出來。

運用數(shù)字化實驗，可以將反應(yīng)的過程從數(shù)據(jù)和視覺上呈現(xiàn)出來。例如，對于圖1、圖2實驗，利用數(shù)字化實驗可以設(shè)計如圖5所示實驗進行初步驗證。主要用到的儀器和藥品分別是具支錐形瓶、導(dǎo)管、橡皮塞、氣壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦、“暖寶寶”。

實驗過程中，可以看到壓強從102kPa左右下降到85kPa左右的量化的動態(tài)過程，結(jié)果如圖6所示。數(shù)字化實驗的運用實現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄的連續(xù)性，減少了基礎(chǔ)的統(tǒng)計、處理和分析，擺脫了繁瑣的計算過程，避免了傳統(tǒng)實驗儀器由于估讀時人為引進的各種測量誤差。

3提升信息能力

信息能力指準確地運用信息工具收集信息、分析加工信息、應(yīng)用創(chuàng)新信息并解決實際問題的能力。

3.1信息獲取能力

信息獲取能力指根據(jù)需要有目的地去主動收集、發(fā)現(xiàn)信息的能力。鐵的銹蝕條件需要氧氣和水，那么“暖寶寶”在發(fā)熱過程中氧氣的濃度、濕度變化是否和預(yù)期的一致？可以設(shè)計如下數(shù)字化實驗來獲取信息。

（1）實驗儀器和藥品。三頸燒瓶及配套橡皮塞、鐵架臺、溫度傳感器、氧氣濃度傳感器、濕度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦、“暖寶寶”endprint

（2）實驗裝置（見圖7）。

（3）操作要點。按圖7連接裝置，設(shè)置采集頻率、采集時間。將拆除包裝的暖寶寶放人三頸燒瓶，點擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化。

（4）實驗結(jié)果（見圖8）。

3.2信息分析能力

信息分析能力是指對獲取的信息與預(yù)期假設(shè)進行對比分析、篩選甄別的能力。一方面要篩選有用合理的信息驗證假設(shè)，另一方面要對與預(yù)期不符的信息進行分析，探尋原因，形成合理的解釋。

從圖8實驗結(jié)果可以看出溫度隨著時間的變化逐漸升高，氧氣的濃度隨著時間的變化逐漸減少，這兩者說明“暖寶寶”在放熱過程中需要消耗氧氣，與預(yù)期的假設(shè)一致。而濕度卻隨著時間的變化逐漸增大，與鐵銹蝕需要水產(chǎn)生了認知沖突。通過對前面文獻檢索獲得的資料進行分析，“暖寶寶”中的吸水樹脂吸收了自身重量幾百倍至千倍的水分，在放熱過程中釋放出水提供給反應(yīng)進行，從而導(dǎo)致容器內(nèi)濕度的增大。

3.3信息創(chuàng)造能力

信息創(chuàng)造能力是指在收集、分析信息的基礎(chǔ)上，進一步綜合、拓展，透過表面現(xiàn)象尋求事物的根源，產(chǎn)生創(chuàng)新信息的能力。

在圖5、圖7實驗的基礎(chǔ)上，可以進一步設(shè)計實驗對“暖寶寶”進行深度探究，獲取對“暖寶寶”放熱原理新的認識。

（1）實驗儀器：錐形瓶及配套橡皮塞、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦。

（2）實驗藥品：見表1。（3）實驗裝置：見圖9。

（4）操作要點及實驗結(jié)果：按圖9連接裝置，設(shè)置采集頻率、采集時間。分別將實驗一至實驗六的藥品放人錐形瓶中，點擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化，實驗結(jié)果如圖10。

根據(jù)數(shù)字化實驗采集的信息，對實驗一至實驗四進行分析，可知鐵的銹蝕需要水，同時實驗四600s時在四個實驗中溫度最高，說明氯化鈉可以加快鐵的銹蝕，這些信息與初中已有的認知完全符合。

從圖10實驗結(jié)果中，還可以獲得兩個新的信息：

實驗五在加人活性炭后溫度變化比前面四個實驗都大。通過運用信息工具進行檢索和對信息的比較分析可知，鐵粉、活性炭、食鹽水構(gòu)成原電池反應(yīng)，加快鐵的氧化，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋ｈF粉作為原電池的負極，電極反應(yīng)式為Fe-2e^-=Fe²⁺，活性炭作為原電池的正極，電極反應(yīng)式為O₂+2H₂O+4e^-=40H^-，總反應(yīng)方程式為2Fe+0₂+2H₂O=2Fe（OH）₂，然后繼續(xù)發(fā)生后續(xù)反應(yīng)4Fe（OH）₂+2H₂O+O₂=4Fe（OH）₂、2Fe（OH）₃=Fe2O₃·xH₂O+（3-x）H₂O。

實驗六雖然“暖寶寶”中鐵粉質(zhì)量要比前五個實驗要少，但實驗溫度變化卻明顯高于其他實驗。通過運用信息工具進行檢索和對信息的比較分析可知，“暖寶寶”中的蛭石是很好的保溫材料，可以減少與外界的熱交換，吸水樹脂可反復(fù)釋水，從而維持反應(yīng)的持續(xù)進行。同時，活性炭疏松多空的結(jié)構(gòu)使得鐵粉與其他物質(zhì)接觸非常充分（多次實驗證明，用磁鐵難以將鐵粉從“暖寶寶”中分離出來），從而加快了反應(yīng)速率。

3.4信息的再加工能力

信息的再加工能力指將文獻或網(wǎng)絡(luò)檢索、實驗采集和分析創(chuàng)造等不同渠道獲得的信息進行綜合，形成可以留存和傳遞的信息的能力。

在實驗創(chuàng)新設(shè)計中獲得的只是對“暖寶寶”的零散信息，教師可以進一步基于初中學(xué)生已有的基礎(chǔ)進行重新整理、歸納、再加工，以資料卡、典型例題、實驗案例、經(jīng)典課例等形式，形成適合于初中學(xué)生再認識、可傳遞的信息。例如，通過對“暖寶寶”有關(guān)信息的整合、提煉，可以設(shè)計如下習題：

某品牌的“暖寶寶”的主要成分為鐵粉、水、活性炭、蛭石、吸水性樹脂、食鹽。

[資料1]蛭石：一種鐵鎂質(zhì)鋁硅酸鹽礦物，成分為Mg_0.5（H₂O）₄Mg₃[AlSi₃O₁₀]（OH）₂，是當今世界首屈一指的超級保溫材料。

[資料2]吸水性樹脂：一種新型的高分子材料，它能夠吸收自身重量幾百倍至千倍的水分，吸水能力特強，保水能力特高，并且可反復(fù)釋水、吸水。

某興趣小組同學(xué)對“暖寶寶”產(chǎn)生了濃厚的興趣，在老師的幫助下，設(shè)計了如圖7所示實驗裝置，分別利用____傳感器、氧氣濃度傳感器和濕度傳感器驗證“暖寶寶”放熱是由于鐵在

的作用下發(fā)生緩慢氧化，實驗結(jié)果如圖8。

（1）“暖寶寶”用于取暖，是將____能轉(zhuǎn)化為____能。

（2）分析圖像可知，圖像____與我們所學(xué)知識不相符。原因可能與“暖寶寶”原材料中的____有關(guān)。

（3）鐵釘生銹需較長時間，而“暖寶寶”能快速放熱的原因可能是____、____（寫兩點即可）。

4輻射信息成果

實驗創(chuàng)新設(shè)計最終指向的是學(xué)生。信息成果的輻射就是將再加工后的新信息通過有效的途徑傳遞給學(xué)生，促進學(xué)生的能力與素養(yǎng)的發(fā)展。

課堂教學(xué)是輻射信息成果，有效傳遞信息的重要途徑。探究“暖寶寶”專題復(fù)習課堂學(xué)習可按如下設(shè)計，其中關(guān)于“暖寶寶”有關(guān)信息以資料卡的形式在學(xué)案上提供給學(xué)生，學(xué)習環(huán)節(jié)一、二、四與前面獲取的信息成果關(guān)聯(lián)不大，故不贅述。

[學(xué)習環(huán)節(jié)一]認識“暖寶寶”的包裝及保存endprint

主要是認識“暖寶寶”的包裝屬于什么材料、暖寶寶如何保存。

[學(xué)習環(huán)節(jié)二]定性分析“暖寶寶的主要成分

主要是用多種方法定性分析“暖寶寶”中含有活性炭和鐵粉。

[學(xué)習環(huán)節(jié)三]探究“暖寶寶”的發(fā)熱原理

[實驗探究1]按照下列四個反應(yīng)物進行探究，在密閉的錐形瓶中有空氣，用溫度傳感器測定錐形瓶中溫度的變化，得到時間一溫度曲線如下圖。（說明：每組實驗所用同種藥品質(zhì)量相等，忽略其他因素的影響）

[交流與討論1]請根據(jù)實驗結(jié)果，討論以下問題：

[問題1]哪些物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)放出了熱量？氯化鈉的作用是什么？

[問題2]暖寶寶的原理：鐵粉、活性炭、食鹽構(gòu)成原電池反應(yīng)，加快鐵的氧化，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。反?yīng)機理可以看作三步反應(yīng)：（1）2Fe+O₂+2H₂O=2Fe（OH）₂；（2）4Fe（OH）V+2H₂O+O₂=4Fe（OH）₃；（3）2Fe（OH）₃=Fe₂O₃+3H₂O，請寫出暖寶寶的總反應(yīng)方程式。

[問題3]從反應(yīng)的機理來看，如果沒有水反應(yīng)能否進行？

[問題4]從實驗三、實驗四比較分析，活性炭在“暖寶寶”發(fā)熱中的作用是什么？

[交流與討論2]實驗四中錐形瓶中的壓強、氧氣含量和濕度會如何變化？嘗試畫出它們隨時間變化的大致曲線。

[實驗探究2]完成圖7實驗，得到圖8實驗結(jié)果。

[反思與評價]請根據(jù)實驗結(jié)果與自己所畫圖像對比，對與預(yù)期圖像不同處進行分析。

[歸納總結(jié)]“暖寶寶”發(fā)熱原理及主要成分的作用。

[學(xué)習環(huán)節(jié)四]定量分析“暖寶寶”中鐵的質(zhì)量分數(shù)

主要是用多種方法定量測定“暖寶寶”中鐵粉的質(zhì)量分數(shù)。

通過問題的分層設(shè)計和自主探究的學(xué)習方式，促進了學(xué)生運用各種信息工具去收集、加工、處理信息能力的提升；同時拓寬了學(xué)生的信息視野，有效地將教師再加工后的信息傳遞給了學(xué)生，逐步發(fā)展了學(xué)生的信息思維。

信息素養(yǎng)作為一種高級的認知技能，它的培養(yǎng)不是一時的，而應(yīng)當是一個持續(xù)性、終身化的學(xué)習過程。教師要在平時學(xué)習和教學(xué)中關(guān)注生活中有用信息，積累科技中前沿信息，養(yǎng)成自主探究、綜合分析信息的意識和習慣，提升傳遞、發(fā)展、創(chuàng)新信息的能力。endprint