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        高一化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多維實(shí)踐探索

        2022-12-31 00:00:00王曉慶
        甘肅教育 2022年15期

        【摘要】實(shí)驗(yàn)對(duì)高中化學(xué)教學(xué)有著極為重要的作用。文章基于“雙新”理念及甘肅省普通高中學(xué)業(yè)水平合格性考試化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué),從思維導(dǎo)圖、微型實(shí)驗(yàn)、LabVIEW虛擬仿真軟件、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)這四個(gè)維度研究高一化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略,以期學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)的同時(shí)能夠真正提升自己的綜合能力。

        【關(guān)鍵詞】化學(xué)教學(xué);實(shí)驗(yàn);策略;思維導(dǎo)圖;微型實(shí)驗(yàn);LabVIEW虛擬仿真軟件;數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)

        【中圖分類號(hào)】G633.8【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A【文章編號(hào)】1004—0463(2022)15—0097—06

        化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)化學(xué)的重要途徑,在增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)質(zhì)量等方面具有不可替代的重要作用。然而現(xiàn)階段傳統(tǒng)教學(xué)模式下的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)還存在一些問題,譬如實(shí)驗(yàn)資源不足、實(shí)驗(yàn)存在危險(xiǎn)、學(xué)生親身經(jīng)歷較少等。因此,近年來各種新型的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法逐漸被教育工作者充分挖掘并研究使用,以期改變傳統(tǒng)教學(xué)模式下實(shí)驗(yàn)課的弊端。下面將從思維導(dǎo)圖、微型實(shí)驗(yàn)、Lab? VIEW虛擬仿真軟件、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)這四個(gè)維度來研究高一化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略,以期為學(xué)校提供一條“雙新”背景下高一化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可選之路。

        一、思維導(dǎo)圖在高一化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

        研究表明,人的大腦分為左半球和右半球,左腦強(qiáng)調(diào)邏輯思維,右腦強(qiáng)調(diào)形象思維,而傳統(tǒng)教學(xué)模式下的化學(xué)教學(xué)主要側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維。思維導(dǎo)圖作為全腦思維模式的集中體現(xiàn),能很好地將邏輯思維和形象思維加以整合,彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足;加之學(xué)生普遍認(rèn)為化學(xué)知識(shí)雜亂繁多,又特別容易混淆實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)步驟。所以,筆者嘗試將思維導(dǎo)圖引入到高一實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,使用思維導(dǎo)圖存在以下優(yōu)點(diǎn)。

        1.與傳統(tǒng)的直線筆記相比,思維導(dǎo)圖可以從最基本知識(shí)逐步衍生發(fā)展,逐層遞進(jìn)地構(gòu)建學(xué)生的樹狀知識(shí)框架并能多角度完善。

        2.化學(xué)實(shí)驗(yàn)大多體現(xiàn)的是抽象的自然思維,這種不可見的思維難以評(píng)估,但可以借助思維導(dǎo)圖將其展現(xiàn)出來。講授實(shí)驗(yàn)知識(shí)時(shí)師生的互動(dòng)交流,就是自然思維相互碰撞和融合的過程。

        3.學(xué)習(xí)內(nèi)容可以進(jìn)行全景設(shè)計(jì)。教師可以從教材設(shè)計(jì)和學(xué)生學(xué)情分析這兩方面確定實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重難點(diǎn),從而在教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)教學(xué)流程,這種由“目標(biāo)”向“過程”再向“結(jié)果”靠攏的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),邏輯結(jié)構(gòu)會(huì)非常清晰[2]。

        比如,在“用化學(xué)沉淀法出去粗鹽中的雜質(zhì)離子”實(shí)驗(yàn)中,我們可以設(shè)計(jì)如圖1所示的思維導(dǎo)圖。

        當(dāng)然,我們也可以將思維導(dǎo)圖的模板提前布置給學(xué)生,讓他們進(jìn)行課前預(yù)習(xí)。在課堂上引導(dǎo)學(xué)生完善思維導(dǎo)圖,讓學(xué)生在自己理解的基礎(chǔ)上構(gòu)建出內(nèi)部的知識(shí)脈絡(luò),加深識(shí)記和理解,同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的分類思想。

        二、微型實(shí)驗(yàn)在高一化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

        微型實(shí)驗(yàn)是鑒于當(dāng)前傳統(tǒng)教育模式下化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的演示實(shí)驗(yàn)占比較大、學(xué)生親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)少、探索性實(shí)驗(yàn)少、學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力培養(yǎng)不足等弊端而提出的,旨在借助各種資源使學(xué)生可以自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)。因此,微型實(shí)驗(yàn)存在以下優(yōu)勢(shì)[3]:

        一是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所需藥品和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的微型化,微型實(shí)驗(yàn)有利于降低環(huán)境污染的程度,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“綠色環(huán)保性”,提升師生的環(huán)保意識(shí)。

        二是微型實(shí)驗(yàn)可以加深學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)原理及反應(yīng)物質(zhì)的性質(zhì)和化學(xué)變化等內(nèi)容的理解和掌握,激發(fā)學(xué)生勇于探索實(shí)驗(yàn)的意識(shí),提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性,從而提升教學(xué)效果。

        然而,就現(xiàn)階段高一的學(xué)生實(shí)驗(yàn)而言,定量實(shí)驗(yàn)及要求學(xué)生必須掌握的基本實(shí)驗(yàn)操作和儀器使用并不適合開發(fā)成微型實(shí)驗(yàn)。比如,涉及蒸發(fā)結(jié)晶過濾操作的粗鹽提純、涉及容量瓶使用的配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液實(shí)驗(yàn)。因此,微型實(shí)驗(yàn)的開發(fā)更加適合于定性實(shí)驗(yàn)。筆者通過對(duì)高一新教材及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究,將適合微型實(shí)驗(yàn)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行整合,如表1。

        現(xiàn)以“Fe2+、Fe3+的檢測(cè)”為例對(duì)微型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)策略進(jìn)行課例分析。

        1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

        (1)理解并掌握Fe2+、Fe3+的化學(xué)性質(zhì)。

        (2)掌握Fe2+、Fe3+的鑒別方法。

        2.實(shí)驗(yàn)藥品:0.1mol/L稀硫酸、FeSO4溶液、 0.5mol/L氫氧化鈉溶液、煤油、鐵粉、氯水、KSCN溶液。

        3.實(shí)驗(yàn)儀器:試管、膠頭滴管、導(dǎo)管。

        4.實(shí)驗(yàn)原理,即Fe2+(溶液)、Fe3+(溶液)的鑒別方法。

        (1)直接觀色法:Fe2+(溶液)呈淺綠色;Fe3+(溶液)呈黃色。

        (2)通過KSCN溶液鑒別:Fe2+(溶液)無現(xiàn)象;Fe3+(溶液)呈紅色。

        (3)通過NaOH溶液鑒別:Fe2+(溶液)生成白色沉淀,沉淀逐漸變?yōu)榛揖G色,最終變?yōu)榧t褐色;Fe3+(溶液)生成紅褐色沉淀。

        5.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置,如圖2。

        6.實(shí)驗(yàn)步驟:

        (1)如圖2,組裝儀器:向試管A中加入硫酸亞鐵溶液,加入少量鐵粉防止Fe2+氧化,然后將三孔膠塞塞好(分別是導(dǎo)氣管、裝有稀硫酸的膠頭滴管、裝有氫氧化鈉溶液的膠頭滴管);向試管B中加入煤油和KSCN稀溶液。

        (2)將稀硫酸滴入試管A,產(chǎn)生氫氣,利用氣壓將FeSO4溶液通入試管B中后,觀察現(xiàn)象。

        (3)將NaOH溶液滴入A中觀察沉淀顏色(最初為白色)。

        (4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取下試管B,并滴入氯水觀察顏色(變?yōu)檠t色)。

        7.改進(jìn)優(yōu)勢(shì):

        (1)在FeSO4溶液中需加入了少量鐵粉,其目的是防止Fe2+被氧化,可以較長(zhǎng)時(shí)間觀察到白色沉淀,也體現(xiàn)了Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+的方法。

        (2)B試管一開始加入煤油,就是為了防止空氣進(jìn)入,干擾實(shí)驗(yàn)。而且一開始沒有看到紅色,滴加氯水后可觀察到紅色。不僅體現(xiàn)了Fe3+的檢驗(yàn)方法,也體現(xiàn)了Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+的方法。

        三、LabVIEW虛擬仿真軟件在高一化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

        近年來,隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,越來越多的學(xué)校紛紛采用多媒體輔助教學(xué)。但對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)而言,僅僅依靠多媒體平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)視頻,不足以讓學(xué)生完全理解并掌握實(shí)驗(yàn)知識(shí),而且會(huì)直接影響學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣,降低化學(xué)學(xué)科的趣味性。因此,除了傳統(tǒng)的課堂實(shí)驗(yàn)演示外,教師可以借助多媒體對(duì)一些實(shí)驗(yàn)優(yōu)化延伸?;诖?,筆者融入現(xiàn)代化仿真虛擬軟件LabVIEW,以期拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式和渠道,激發(fā)學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)興趣。

        筆者通過相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研,結(jié)合教學(xué)實(shí)際情況,發(fā)現(xiàn)借助LabVIEW軟件的中學(xué)化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)[4]:

        1.仿真實(shí)驗(yàn)可高度共享且高度統(tǒng)一。同一個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作步驟往往都是由同一軟件和同一人員編寫的,因而這類實(shí)驗(yàn)往往高度統(tǒng)一。而且通過計(jì)算機(jī),可以允許多個(gè)學(xué)生同步進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)、共享資源,方便教師教學(xué)。

        2.可實(shí)時(shí)交流互動(dòng)。編程者可以在前面板上設(shè)置信息警告、參數(shù)設(shè)置、步驟提示等交互信息。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作時(shí),可隨時(shí)與計(jì)算機(jī)“交流”。

        3.高效經(jīng)濟(jì)。LabVIEW仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),可以完善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)備易磨損老化,元器件及測(cè)試儀器易損壞,以及各種因素造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大等問題。同時(shí),計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)代替了紙質(zhì)版的存儲(chǔ),既便于保存,也不易丟失。

        然而,目前LabVIEW在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的使用還處于形式化的應(yīng)用,創(chuàng)新性還有待提高,因此并不是每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都可以借助虛擬仿真軟件來進(jìn)行。通過對(duì)高一教材的研究和對(duì)學(xué)生學(xué)情的考量,筆者確定了高一5個(gè)可借助LabVIEW軟件技術(shù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),如表2所示。

        現(xiàn)以“配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”為例,對(duì)LabVIEW虛擬軟件在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)策略進(jìn)行課例分析。

        1.根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。首先,儀器圖像設(shè)計(jì)。學(xué)生在使用軟件時(shí),始終接觸的是前面板,面對(duì)的是實(shí)驗(yàn)操作儀器的圖像,如容量瓶、電子天平、試劑瓶、膠頭滴管等。這些儀器圖像越逼真,對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果越好,當(dāng)然這些實(shí)驗(yàn)儀器都需要自己繪制,可以選擇Photoshop來繪圖,如圖3就是筆者根據(jù)實(shí)物圖借助Photoshop所繪制的電子天平圖片。

        其次,借助LabVIEW軟件編寫實(shí)驗(yàn)程序,編寫的主要模塊為:

        (1)控件顯示模塊。LabVIEW中包含多個(gè)簡(jiǎn)易編程控件,比如布爾、數(shù)組、數(shù)值、字符串、比較等。在編程時(shí),用以調(diào)用并控制數(shù)據(jù),比如容量瓶瓶蓋的打開與閉合可借助于控件布爾。布爾控件在前面板顯示為亮和滅時(shí),后面板則表示為真和假,如圖4所示。

        (2)天平稱量模塊。在配制一定物質(zhì)的量濃度時(shí),稱量操作是重要的環(huán)節(jié)之一。具體操作為:開啟天平——打開天平蓋子——放入稱量紙——天平清零——放入氯化鈉,關(guān)閉天平蓋子——讀取示數(shù),看是否到達(dá)目標(biāo)重量并相應(yīng)增減。

        (3)提示警告模塊。學(xué)生在操作時(shí)很可能會(huì)因?yàn)閷W(xué)習(xí)不到位出現(xiàn)種種錯(cuò)誤操作,因此,在編程時(shí),可以設(shè)置警告提示,在實(shí)驗(yàn)失誤時(shí)彈出警示,督促學(xué)生盡快熟悉實(shí)驗(yàn),完成操作,達(dá)到事半功倍的效果。

        2.學(xué)生利用LabVIEW軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M操作。

        (1)計(jì)算溶質(zhì)NaCl的質(zhì)量,點(diǎn)開程序界面,開啟實(shí)驗(yàn)開關(guān)。打開電子天平并進(jìn)行稱量,稱量的質(zhì)量為5.85g。

        (2)稱量結(jié)束后點(diǎn)擊稱量紙,稱量紙自動(dòng)移到燒杯處,將藥品加入燒杯。點(diǎn)擊洗液瓶,洗液瓶會(huì)自動(dòng)向燒杯中加入蒸餾水,隨后點(diǎn)擊玻璃棒,玻璃棒開始攪拌。

        (3)點(diǎn)擊玻璃棒,溶液會(huì)被引流至容量瓶中。然后點(diǎn)擊洗滌按鈕,會(huì)出現(xiàn)洗滌操作,重復(fù)兩次。

        (4)繼續(xù)點(diǎn)擊洗液瓶,向容量瓶中緩慢加入蒸餾水,當(dāng)凹液面與容量瓶刻度線差1-2cm時(shí),點(diǎn)擊膠頭滴管,此時(shí)會(huì)改為膠頭滴管向容量瓶中緩緩加入蒸餾水,當(dāng)容量瓶?jī)?nèi)液體凹液面與容量瓶刻度線相切時(shí),點(diǎn)擊停止。

        (5)點(diǎn)擊容量瓶瓶塞,關(guān)閉容量瓶。點(diǎn)擊搖勻按鈕,會(huì)出現(xiàn)混合搖勻的操作。

        (6)點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)結(jié)束,容量瓶會(huì)正確放置好。實(shí)驗(yàn)完畢。

        借助LabVIEW虛擬仿真軟件,可以將抽象的實(shí)驗(yàn)理論過程轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暬牟倏剡^程,從而加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理及相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解,也為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的思路和方式。

        四、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在高一化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

        隨著“雙新”政策的落實(shí)和化學(xué)核心素養(yǎng)理念的穩(wěn)步推進(jìn),各種新的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法逐漸被教育工作者挖掘并加以研究使用,其中就包括數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)。很多學(xué)校在原有的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上,建設(shè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室,并逐步將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)研究、興趣學(xué)習(xí)和研究學(xué)習(xí)等方面。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)稱DIS(Digital Information System)實(shí)驗(yàn),是由計(jì)算機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集器、相關(guān)軟件等組成的新型實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段[5]。它是以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)完成的實(shí)驗(yàn),基本過程為:傳感器先檢測(cè)到實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)(如pH、溫度、電導(dǎo)率、壓強(qiáng)等),然后通過數(shù)據(jù)采集器,將數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī),最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖形分析、處理,從而得到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果,如圖5所示。

        現(xiàn)以“中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測(cè)定”為例對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)合思維導(dǎo)圖教學(xué)策略進(jìn)行課例分析。如圖6所示。

        1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹y(cè)定強(qiáng)酸與強(qiáng)堿反應(yīng)的反應(yīng)熱,體驗(yàn)化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)。

        2.課前預(yù)習(xí)準(zhǔn)備,以思維導(dǎo)圖展示。學(xué)生需要在老師的提示下展示實(shí)驗(yàn)藥品、實(shí)驗(yàn)儀器、中和熱的相關(guān)概念、中和熱測(cè)定操作步驟、注意事項(xiàng)等。在課前,筆者設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖,如圖7。

        3.學(xué)生利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)。

        (1)實(shí)驗(yàn)器材:朗威數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器、多用途生化傳感器支架、計(jì)算機(jī)、1.00mol/L HCl溶液、1.05mol/ L NaOH溶液、50ml量筒、蒸餾水。實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。其中溫度傳感器為此實(shí)驗(yàn)的重要構(gòu)件,一般來說該傳感器采用探針與傳感器電路分離的結(jié)構(gòu),其中探頭為一個(gè)電熱調(diào)節(jié)器,即可變電阻。

        (2)實(shí)驗(yàn)試劑:1.00mol/L HCl溶液、1.05mol/ L NaOH溶液、蒸餾水。

        (3)實(shí)驗(yàn)操作:?jiǎn)螕簟伴_始記錄”,用溫度傳感器分別測(cè)量50ml HCl和NaOH的溫度,然后將HCl和NaOH溶液迅速加入中和熱實(shí)驗(yàn)器內(nèi),迅速攪拌,待溫度數(shù)據(jù)穩(wěn)定后點(diǎn)擊“停止實(shí)驗(yàn)”。

        (4)結(jié)果處理:待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,單擊“選擇區(qū)域”選擇實(shí)驗(yàn)曲線最高點(diǎn)為研究對(duì)象,輸入比熱容和質(zhì)量等數(shù)據(jù)后,單擊“數(shù)據(jù)計(jì)算”,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出反應(yīng)過程中釋放的熱量(結(jié)果如圖9所示)。

        (5)實(shí)驗(yàn)結(jié)論:當(dāng)產(chǎn)物為1mol的水時(shí),實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)果接近57.3kJ。因此可以得到理論上一元強(qiáng)酸和一元強(qiáng)堿反應(yīng)的中和熱為ΔH=-57.3kJ/mol。

        與傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)工具相比,數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅能為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了更為廣闊的平臺(tái),也能滿足創(chuàng)新思維理論,使學(xué)生運(yùn)用新穎獨(dú)特、具有創(chuàng)造力的思考模式來解決問題。

        然而,數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)因?yàn)閭鞲衅鞯南拗?,并不適用于所有的學(xué)生實(shí)驗(yàn),結(jié)合高一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,筆者認(rèn)為比較契合的實(shí)驗(yàn)有6個(gè),見表3。

        化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)于高中化學(xué)的教學(xué)有著極為重要的作用,因此在實(shí)際的教學(xué)過程中,教師要嘗試挖掘并運(yùn)用一些新的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和策略,改善傳統(tǒng)教學(xué)模式下的弊端,有效提高學(xué)生的探究能力、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和學(xué)科能力,完成新課標(biāo)對(duì)于高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。

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        編輯:張昀

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