茍莉莉

化學(xué)課標(biāo)中指出：改變?cè)趯?shí)驗(yàn)中注重動(dòng)手但缺少思考的現(xiàn)狀，強(qiáng)調(diào)高級(jí)思維的過程。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)基于學(xué)科核心概念選擇開展匹配的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，通過清晰直觀的曲線反映實(shí)驗(yàn)過程中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)變化，為探究實(shí)驗(yàn)本質(zhì)提供強(qiáng)有力的支撐，讓學(xué)生在實(shí)踐、觀察、思考的過程中了解化學(xué)實(shí)驗(yàn)宏觀現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì)。本文通過分析高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)與新教材中的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，提出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)的五個(gè)基本環(huán)節(jié)，并結(jié)合《探究電離平衡及其移動(dòng)》展開實(shí)踐，嘗試探討數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與高中化學(xué)教學(xué)融合的方法。

一、高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)與新教材中的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)分析

我國(guó)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與化學(xué)教學(xué)融合研究起源于21世紀(jì)初。2003年，華南師范大學(xué)錢揚(yáng)義教授在國(guó)內(nèi)率先撰文建議中學(xué)化學(xué)教育領(lǐng)域應(yīng)用手持?jǐn)?shù)字化實(shí)驗(yàn)，用高溫探頭繪制酒精燈各部分火焰溫度—時(shí)間曲線圖，探討酒精燈3層火焰溫度的大小及其關(guān)系。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出：“化學(xué)教材應(yīng)精心設(shè)計(jì)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，適當(dāng)增加微型實(shí)驗(yàn)、家庭小實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)等，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中學(xué)習(xí)科學(xué)方法，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究過程，體會(huì)、認(rèn)識(shí)技術(shù)手段的創(chuàng)新對(duì)化學(xué)科學(xué)的重要價(jià)值，形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、勇于實(shí)踐的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展實(shí)踐能力?！毕旅?，筆者從實(shí)驗(yàn)來源、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、板塊類別、傳感器類別四個(gè)角度簡(jiǎn)要分析一下數(shù)字化實(shí)驗(yàn)（見表1）。

人民教育出版社化學(xué)教材（2019年6月第1版）在“科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)”板塊和“練習(xí)與應(yīng)用”板塊中出現(xiàn)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的案例（見表2），這些案例圍繞化學(xué)核心概念展開，利用傳感器對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和真實(shí)情境進(jìn)行了比較、綜合、分析。

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與高中化學(xué)教學(xué)融合的實(shí)踐

1.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

探究、論證是實(shí)驗(yàn)最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。筆者在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究過程中整理了五個(gè)基本設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)（如圖1所示），供教師在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開發(fā)中參考。

2.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與高中化學(xué)教學(xué)融合的案例

本文以人教版選擇性必修1化學(xué)反應(yīng)原理第三章第一節(jié)電離平衡為主題，以《探究電離平衡及其移動(dòng)》為案例進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，具體如下。

環(huán)節(jié)一：確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）通過實(shí)驗(yàn)研究鹽酸與醋酸的差異，認(rèn)識(shí)弱電解質(zhì)存在電離平衡。

（2）研究濃度、溫度改變對(duì)醋酸電離平衡的影響，認(rèn)識(shí)弱電解質(zhì)電離平衡的移動(dòng)過程，建構(gòu)弱電解質(zhì)電離平衡移動(dòng)模型。

環(huán)節(jié)二：研究傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

水溶液中的離子平衡本身比較抽象，研究對(duì)象都是看不見摸不到的微觀分子、離子間的反應(yīng)與平衡。筆者圍繞“探究電離平衡及其移動(dòng)”這一核心內(nèi)容，讓學(xué)生基于生活經(jīng)驗(yàn)描述鹽酸和醋酸的差異，自主設(shè)計(jì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)探究鹽酸與醋酸的差異，感受實(shí)驗(yàn)研究的過程和基本方法。

例如，讓學(xué)生使用pH試紙測(cè)量0.1mol/L的鹽酸和醋酸溶液的pH，觀察等體積1mol/L鹽酸和醋酸與等量鎂條反應(yīng)速率的快慢，但學(xué)生對(duì)外界條件改變時(shí)電離平衡會(huì)發(fā)生移動(dòng)這一動(dòng)態(tài)過程難以形成直觀的認(rèn)識(shí)。針對(duì)這一問題，筆者采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，用不同傳感器檢測(cè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法檢測(cè)的物理量，為學(xué)生直觀地呈現(xiàn)了弱電解質(zhì)電離平衡移動(dòng)過程的數(shù)據(jù)。

環(huán)節(jié)三：確定傳感器種類

本數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的核心目標(biāo)是探究溫度、濃度對(duì)醋酸電離平衡的影響，教師可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)測(cè)量目標(biāo)選擇溫度傳感器和pH傳感器。此外，電導(dǎo)率是用數(shù)字表示溶液傳導(dǎo)電流能力的物理量，常用于間接推測(cè)溶液中帶電離子的濃度，在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室研究中常用于測(cè)量純水、飲用水、污水等各種溶液導(dǎo)電性或整體離子濃度的大小，電導(dǎo)率傳感器是研究離子濃度常用的且數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定的傳感器。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皽y(cè)量目標(biāo)，筆者選擇合適的傳感器種類后，設(shè)計(jì)了本數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方案（如表3所示）。

環(huán)節(jié)四：采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，筆者帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行了場(chǎng)景搭建和數(shù)據(jù)采集，并分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果（如圖2）。

環(huán)節(jié)五：分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

弱電解質(zhì)醋酸在水溶液中存在電離平衡：CH3COOH[]CH3COO–+ H+，當(dāng)外界條件改變時(shí)電離平衡會(huì)發(fā)生移動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)1中，醋酸溶液的pH隨c（CH3COO-）增大而升高，同離子效應(yīng)使得電離平衡逆向移動(dòng)，c（H+）變小，溶液pH升高。在實(shí)驗(yàn)2中，冰醋酸加水過程電導(dǎo)率先增大后減小，溶液中的離子總濃度先增大后減小，對(duì)于同一弱電解質(zhì)，溶液越稀離子相互碰撞結(jié)合生成分子的機(jī)會(huì)越小，弱電解質(zhì)的電離程度就大，稀釋溶液會(huì)促使弱電解質(zhì)的電離平衡，但隨著溶液體積的增大，溶液中離子濃度會(huì)逐漸減小，這就是曲線先升后降的原因。在實(shí)驗(yàn)3中，醋酸溶液的pH隨溫度升高而降低，由于醋酸電離吸熱升溫使得醋酸電離平衡正向移動(dòng)，c（H+）增大，溶液pH降低。

三、思考與啟示

1.拓展學(xué)生思維深度，發(fā)展核心素養(yǎng)

高中化學(xué)有些概念原理較為抽象，教材中常以定性結(jié)論呈現(xiàn)，高中生受自身認(rèn)知水平所限，對(duì)抽象知識(shí)的理解存在片面性和表面性。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)將宏觀現(xiàn)象與定量數(shù)據(jù)相結(jié)合，是宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)重要的聯(lián)系橋梁，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中觀察、思考、討論、歸納、總結(jié)，抽象思維和邏輯思維在真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境曲線分析中得到了很大的發(fā)展，學(xué)科核心素養(yǎng)得到了很大的提升。

2.促使教師鉆研教材，深化學(xué)科理解

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)出的定量化和可視性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠促使教師不斷反思、重構(gòu)和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。例如，利用電流傳感器探究原電池原理時(shí)，鋅銅稀硫酸單液原電池工作一段時(shí)間后電流出現(xiàn)衰減，溶液溫度升高，這是因?yàn)殇\與稀硫酸直接接觸發(fā)生了反應(yīng)，有一部分能量轉(zhuǎn)化成了熱能。雙液原電池工作電流雖然穩(wěn)定，但電流較小，這是因?yàn)辂}橋中離子運(yùn)動(dòng)距離長(zhǎng)，離子通道窄，產(chǎn)生的電阻較大的緣故。電流傳感器有多量程可供選擇，不僅可以測(cè)定微型電池、隔膜電池的電流強(qiáng)度，還可以探究改變條件（如電極材料間距、電極接觸面積、電解質(zhì)溶液濃度）對(duì)電流強(qiáng)度的影響。

3.拓寬實(shí)驗(yàn)研究主題，豐富應(yīng)用范圍

傳感器是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的核心組件，其適用范圍非常廣，不僅適用于常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，還適用于應(yīng)用類和跨學(xué)科類的教學(xué)。例如，筆者利用pH傳感器測(cè)定食用醋的總酸度、測(cè)定飲料中維生素C的含量、測(cè)定電離平衡常數(shù)等。實(shí)驗(yàn)研究主題不僅可以應(yīng)用于必修課程和選擇性必修課程，還可以應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)校本課程、STEAM課程的教學(xué)中。因此，教師要在教學(xué)過程中不斷探究，積極拓寬實(shí)驗(yàn)研究主題，促進(jìn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與高中化學(xué)教學(xué)的融合。

作者單位? ?陜西省西安中學(xué)