江蘇省蘇州太湖國家旅游度假區(qū)香山中學 張靜文

一、數(shù)字化實驗概述

（一）數(shù)字化實驗的組成

數(shù)字化實驗是以真實的實驗為載體，利用傳感技術進行的化學實驗。在《手持技術在理科實驗中的應用研究》一書中，作者錢揚義對于數(shù)字化實驗的界定是：以計算機作為實驗的基礎，將信息技術與化學實驗教學進行深度的結合。通常來說，數(shù)字化實驗由硬件和軟件兩部分組成：硬件是指計算機、各種類型的傳感器探頭以及數(shù)據(jù)采集器，軟件即實驗數(shù)據(jù)化處理程序。目前，應用于化學實驗的傳感器主要包括氧氣、二氧化碳、氣壓、溶解氧、pH、溫度、電流、電壓等。傳感器探頭將實驗過程中的物理量轉變?yōu)槟M信號傳遞給數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器再將收到的模擬信號轉化為數(shù)字信號傳輸給計算機。計算機利用配套的應用程序進行數(shù)據(jù)的分析處理，再將收集到的數(shù)據(jù)以圖像、表格、數(shù)字等方式直觀地、實時地呈現(xiàn)在實驗者眼前。本研究中采用的是遠大朗威教育科技股份有限公司出品的數(shù)字化傳感設備及其配套的數(shù)字化實驗系統(tǒng)。

（二）數(shù)字化實驗的優(yōu)勢

1.數(shù)字化實驗更直觀

在傳統(tǒng)化學實驗的基礎上，數(shù)字化傳感技術的應用使得實驗數(shù)據(jù)的采集更加直接高效。在化學實驗中，實驗數(shù)據(jù)的采集、分析和處理是進行科學探究的重要環(huán)節(jié)。利用數(shù)字化傳感技術，可以直接獲得實驗過程中的溫度、氣體濃度、pH值、電流、壓強等數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)可以將化學變化的過程以曲線圖的形式直接展現(xiàn)出來，學生通過曲線圖可以對化學反應的變化過程有更加直觀的印象。尤其是那些肉眼無法觀察到的現(xiàn)象，例如物質溶解過程中的能量變化、溶液導電性的變化、金屬與酸反應過程中溫度的變化、氫氧化鈉和稀鹽酸反應的中和熱測定等。利用數(shù)字化實驗可以將上述實驗中變化的物理量以圖像的形式展現(xiàn)在學生面前，幫助學生理解化學反應原理。

2.數(shù)字化實驗更準確

數(shù)字化實驗的應用使得一些傳統(tǒng)實驗得到數(shù)據(jù)方面的優(yōu)化，也使得實驗過程中數(shù)據(jù)的采集工作變得更加簡便準確。一般情況下，數(shù)字化實驗采用的是計算機實時收集數(shù)據(jù)，當然實驗者也可以根據(jù)需要設置數(shù)據(jù)采集的頻率，手動收集數(shù)據(jù)以滿足個性化的實驗需求。通過這種方式采集到的數(shù)據(jù)可以有效避免人工測量帶來的偶然誤差，使得實驗結果更準確。尤其是一些原理簡單、操作復雜的定量實驗，在引入了數(shù)字化化學實驗后變得操作簡便，省時高效，結果準確。

二、數(shù)字化實驗在初中化學教學中的應用

筆者作為初三化學教師，以教育部審定的上海教育出版社出版的義務教育教科書《化學（2012 版）》上、下冊為內容，進行了數(shù)字化實驗的化學實驗教學實踐。經(jīng)過一個學期的實踐研究，筆者認為數(shù)字化實驗在以下幾個方面促進了初中化學實驗教學的發(fā)展。

（一）數(shù)字化實驗可以彌補傳統(tǒng)化學實驗的不足

在傳統(tǒng)的化學實驗教學中，常常因為肉眼無法觀察到明顯現(xiàn)象或者數(shù)據(jù)采集困難，導致學生理解困難和教師講解障礙。在真實的傳統(tǒng)實驗中，引入數(shù)字化實驗的相關設備，可以有效彌補上述不足。

例如，在九年級化學上冊第一章第二節(jié)中“空氣中氧氣體積分數(shù)的測定”實驗中，傳統(tǒng)的實驗是在密閉容器中利用紅磷燃燒消耗氧氣產(chǎn)生壓強差，打開止水夾后燒杯中的水倒吸進入集氣瓶，觀察水進入集氣瓶的體積推算出氧氣的體積分數(shù)。用這種方式測定出的氧氣體積分數(shù)誤差較大，而且從實驗原理的角度，當氧氣濃度低于一定值時紅磷就不再燃燒，無法耗盡氧氣?；谡n本上的傳統(tǒng)實驗，筆者引入了氧氣濃度傳感器，將傳感器探頭通過橡膠塞上的孔洞伸入，連接好數(shù)據(jù)采集器和計算機，就可以得到氧氣濃度隨時間變化的曲線圖。學生直接觀看教學一體機上的圖像，便能清楚地看到氧氣濃度的變化。在課本實驗的基礎上，筆者也做了相應的改進，將紅磷換成鐵粉，同時延長數(shù)據(jù)采集時間，設置數(shù)據(jù)采集的頻率為一小時，將得到的曲線圖和紅磷對比，學生可以更加清楚直觀地看到兩者氧氣濃度的差別。

再如活潑金屬與酸的反應中，我們通常通過氣泡產(chǎn)生的快慢來判斷金屬的活動性順序。在真實的課堂實驗中，由于鋅和鐵的活動性差別較小，通過肉眼往往難以比較兩者與酸反應產(chǎn)生氣泡的快慢。因此，學生對于金屬鋅和鐵的活動性比較大多是根據(jù)教師的解釋以及死記硬背來記住相關知識。筆者在傳統(tǒng)實驗的基礎上，引入了溫度傳感器，利用相同時間內不同金屬與酸的反應熱引起的溫度差異來比較金屬的活動性。學生通過實時的溫度與時間關系的曲線圖，可以直觀地看到不同曲線表示的金屬，從而直接根據(jù)數(shù)據(jù)比較金屬的活動性差異。通過數(shù)據(jù)分析推導出活動性差異，比之前死記硬背效果好得多。

（二）數(shù)字化實驗有助于學生突破重難點

將數(shù)字化實驗引入傳統(tǒng)的化學實驗教學后，由于其直觀準確的數(shù)據(jù)和圖像，學生更容易理解學習過程中的重點和難點。

例如，九年級化學下冊第六章第一節(jié)的“探究水溶液的導電性”，傳統(tǒng)的化學實驗是將溶液連接到電路中，通過小燈泡是否發(fā)亮來判定溶液是否導電。在實際操作過程中，由于外界因素以及不同種類溶液導電能力的差異，即使是電解質溶液也常常出現(xiàn)小燈泡不亮的現(xiàn)象。由于小燈泡不亮，學生無法直觀地體會到溶液的導電性增強，從而造成理解上的困難。筆者在真實的化學實驗基礎上，將微電流傳感器探頭伸入溶液中，通過數(shù)據(jù)采集器，計算機上便會呈現(xiàn)出電流大小的數(shù)據(jù)，學生可以直接看到電流從零到有，從而加深對溶液導電性的理解。

再如九年級下冊第七章氫氧化鈉和稀鹽酸的反應，由于反應現(xiàn)象不明顯，學生根本無法判斷二者時間是否發(fā)生了化學反應。在傳統(tǒng)的化學實驗中，對于這一教學難點是通過指示劑顏色的變化來理解的。筆者在教學中引入了pH 傳感器和溫度傳感器，將反應過程中的pH 值的變化和溫度的變化以圖像的形式展示出來，學生通過觀察曲線圖，認識到隨著氫氧化鈉中不斷滴入鹽酸，溶液的pH 值不斷變小，溶液的溫度也在不斷升高。通過分析pH 值的變化，學生認識到氫氧化鈉不斷減少，從而判斷該反應的發(fā)生。學生再分析反應過程中的溫度變化，可以推斷出該反應是放熱反應，甚至可以直接在此實驗的基礎上直接進行中和熱的測定，可謂是一舉兩得。

（三）數(shù)字化實驗有助于培養(yǎng)學生的思維能力

證據(jù)推理是化學學科的核心素養(yǎng)之一。在化學實驗學習中，學生通過實驗現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)等證據(jù)進行推理得出實驗結論。傳統(tǒng)的化學實驗中，由于一些現(xiàn)象肉眼難以觀測，或者實驗數(shù)據(jù)獲得較為困難，教師往往通過告知學生結果讓學生直接記憶。這樣直接告訴學生結果不利于學生邏輯思維的培養(yǎng)，不利于學生證據(jù)推理素養(yǎng)的形成，不利于學生理科思維的培養(yǎng)。將數(shù)字化實驗引入真實的化學實驗教學，可以有效彌補這一不足。數(shù)字化實驗系統(tǒng)中的傳感器作為高精度的設備，可以獲得更加精確的實驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器可以間隔很短的時間做到連續(xù)采集數(shù)據(jù)，從而獲得更多的數(shù)據(jù)。將大量更精確的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器傳輸給計算機，計算機可通過軟件處理將實驗數(shù)據(jù)以表格、曲線圖等形式直觀地展現(xiàn)在學生眼前。學生從獲得的大量的高精度的真實數(shù)據(jù)進行推理或預判，更容易發(fā)現(xiàn)隱藏在背后的化學原理和化學規(guī)律。此外，在傳統(tǒng)的化學實驗中，我們常常根據(jù)實驗現(xiàn)象提出猜想和假設，但是引入了數(shù)字化實驗后，由于獲得了大量的高精度數(shù)據(jù)，我們還可以針對實驗數(shù)據(jù)提出問題，幫助學生擴大思考的范圍，鍛煉思維的廣度和深度。

例如在測定空氣中氧氣含量的實驗中，筆者設計了對比實驗，將傳統(tǒng)的紅磷用鐵粉代替進行實驗，在常規(guī)實驗的基礎上引入氧氣濃度傳感器進行數(shù)字化實驗。獲得數(shù)據(jù)經(jīng)由計算機以曲線圖的方式呈現(xiàn)，學生通過對數(shù)據(jù)的分析和比較得出結論，鐵粉能充分消耗氧氣，更適合作為藥品測定空氣中的氧氣含量。在得出結論的同時，同學們也發(fā)現(xiàn)了用紅磷作為藥品在實驗設計原理方面的缺陷。

綜上所述，信息化的洪流已勢不可擋，數(shù)字化實驗必將更多地進入中小學課堂。數(shù)字化實驗的出現(xiàn)將現(xiàn)代信息技術與真實的化學實驗相結合，彌補了傳統(tǒng)化學實驗的不足。數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)化學實驗相結合，有助于學生突破學習重難點，培養(yǎng)學生的思維能力。