劉 彥

（甘肅省武威市涼州區(qū)永昌鎮(zhèn)九年制學(xué)校，甘肅武威 733000）

初中化學(xué)教學(xué)領(lǐng)域的數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)，主要是指數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由配套教具、數(shù)據(jù)采集器、傳感器和計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成，能夠測量和采集各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，促進(jìn)學(xué)生對物質(zhì)變化現(xiàn)象的分析、比較、抽象和概括，提高知識理解和實(shí)驗(yàn)探究的效率。因此，教師應(yīng)該積極開展在初中化學(xué)教學(xué)中運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)的有益嘗試，根據(jù)學(xué)生的興趣和素質(zhì)發(fā)展需求設(shè)計(jì)基于數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)的教學(xué)和探究活動，引導(dǎo)學(xué)生主動地構(gòu)建化學(xué)知識技能，從而達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。

一、數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)在初中化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用價(jià)值

（一）有利于調(diào)動學(xué)生的化學(xué)探索積極性

現(xiàn)階段學(xué)生參與化學(xué)學(xué)習(xí)所面臨的最大阻礙，就是認(rèn)為化學(xué)現(xiàn)象和變化原理晦澀難懂，對學(xué)習(xí)存在一定的畏難情緒。以往的教學(xué)工具和方法比較陳舊，學(xué)生感知不到新意，學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣愈發(fā)低迷。數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)是一種現(xiàn)代新興科技，在初中化學(xué)教學(xué)中運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)是調(diào)動學(xué)生化學(xué)探索積極性的主要途徑。比如實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的傳感器、圖形數(shù)據(jù)采集器等，都具有便捷、直觀的特點(diǎn)，在手掌上就能操作，可以帶給學(xué)生前所未有的新鮮感，使其產(chǎn)生強(qiáng)烈的嘗試和操作動機(jī)。教師把數(shù)字實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)作為分析資料，也能有效地簡化學(xué)生對化學(xué)知識的理解過程，從而帶給學(xué)生新奇、有趣的化學(xué)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

（二）提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)性

實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)教學(xué)中占據(jù)著至關(guān)重要的地位，學(xué)生探知化學(xué)概念和規(guī)律都需要依托于實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)教學(xué)受到技術(shù)和資源的制約，局限在定性實(shí)驗(yàn)的模式內(nèi)，對于一些實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)很難實(shí)現(xiàn)有效把控，也無法精準(zhǔn)地測定各類實(shí)驗(yàn)數(shù)值或參數(shù)，給化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究帶來不穩(wěn)定的因素。數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)具有強(qiáng)大的測量和控制功能，不僅對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)資源的不足進(jìn)行了很好的補(bǔ)充，也能最大化地減少實(shí)驗(yàn)誤差和影響因素，如化學(xué)實(shí)驗(yàn)中需要滴加藥劑，藥劑的量需要精確到1 滴或半滴，這個(gè)量就很難把控，教師可以指導(dǎo)學(xué)生使用手持式的滴數(shù)傳感器，分毫不差地控制實(shí)驗(yàn)藥劑的用量，同時(shí)連接數(shù)字實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)錄像系統(tǒng)呈現(xiàn)滴加藥劑后的現(xiàn)象變化，從而借助數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)使實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源變得更加豐富、鮮活。

（三）有利于改變學(xué)生的化學(xué)認(rèn)知方式

在以往的初中化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生對化學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律的認(rèn)知只有三重表征，即宏觀表征、微觀表征和符號表征，想要得出這些表征結(jié)果需要經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)操作、觀察和推理論證，但是在涉及微觀粒子變化平衡方面的概念和原理時(shí)，上述表征不容易驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)假設(shè)，學(xué)生也會遇到認(rèn)知障礙。數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)方法最大的區(qū)別就是能即時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并自動生成曲線圖，在三重表征中又增加了曲線表征，有利于改變學(xué)生的化學(xué)認(rèn)知方式。比如教師可以借助數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)生成的曲線圖引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)活動分析曲線圖中因變量和自變量之間的聯(lián)系和規(guī)律，思考變化的原因、探究變化的本質(zhì)，從而通過四重表征的認(rèn)知方式推動學(xué)生對化學(xué)知識的深度理解。

二、數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)在初中化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用策略

（一）運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)施化學(xué)導(dǎo)入

在初中化學(xué)教學(xué)中，精彩的導(dǎo)入能夠起到先聲奪人的效果，使學(xué)生注意力高度集中并精神百倍地投入學(xué)習(xí)。以往教師一般只在實(shí)驗(yàn)探究階段應(yīng)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)，忽略了課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是創(chuàng)設(shè)導(dǎo)學(xué)情境的最佳工具，可以生動、具象地為學(xué)生呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課題或現(xiàn)象。因此，教師應(yīng)該運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)施化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的導(dǎo)入，根據(jù)課程目標(biāo)和內(nèi)容，選擇適宜的數(shù)字化工具和軟件，采用演示實(shí)驗(yàn)的方式向?qū)W生展示奇妙的化學(xué)情景，同時(shí)精心設(shè)問，引導(dǎo)學(xué)生圍繞著數(shù)字實(shí)驗(yàn)情景合作探討、對實(shí)驗(yàn)提出合理的猜想，從而使化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的開講更加富有創(chuàng)意，喚醒學(xué)生的思維活力和求知欲［1］。

如在關(guān)于探究人體吸入空氣與呼出氣體差異的教學(xué)導(dǎo)入階段，教師就可以預(yù)先準(zhǔn)備氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、濕度傳感器等數(shù)字實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以及塑料瓶、膠皮管等常規(guī)實(shí)驗(yàn)器材，拋出第一個(gè)問題：同學(xué)們，大家感覺我們吸入的氣體和呼出的氣體一樣嗎？多數(shù)學(xué)生都回答：不一樣。教師不急于揭曉答案，而是將各種數(shù)字設(shè)備和器材連接起來，打開傳感器的開關(guān)，在電子白板上出示數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作界面，點(diǎn)擊波形圖，通過膠皮管向塑料瓶內(nèi)呼出氣體，白板上呈現(xiàn)瓶內(nèi)氧氣、二氧化碳、水蒸氣含量變化的波形圖，接著拋出第二個(gè)問題：從老師的演示操作和波形圖像來看，大家認(rèn)為人體吸入空氣和呼出氣體有什么不同？能否提出對應(yīng)的猜想？學(xué)生激烈地討論后反饋：三個(gè)波形圖的曲線在氣體交換后都發(fā)生了改變，氧氣波形圖的曲線下降了，二氧化碳和水蒸氣的波形圖都上升了，因而猜想吸入空氣比呼出氣體的氧氣含量高、二氧化碳含量低、水蒸氣含量低。接下來，教師組織學(xué)生正式使用數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展分組操作，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)猜想，并結(jié)合傳感器采集的數(shù)據(jù)探究得出氧氣、二氧化碳、水蒸氣發(fā)生變化前后的具體數(shù)值。這樣通過利用數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)施化學(xué)導(dǎo)入，學(xué)生研討實(shí)驗(yàn)假設(shè)時(shí)就有據(jù)可依，同時(shí)以濃厚的興趣投入到自主探究活動中［2］。

（二）運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)優(yōu)化傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ骄哂胁僮骱唵?、現(xiàn)象清晰的優(yōu)點(diǎn)，但是對于部分需要觀測物質(zhì)快速變化過程的實(shí)驗(yàn)來說，傳統(tǒng)方法存在一定的局限性。數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)形成良好的互補(bǔ)，其搭載的信息技術(shù)和各類手持傳感器能夠高速度、高精度地采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，在初中化學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)該運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)優(yōu)化傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)課題剖析傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的不足，基于數(shù)字實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生對動態(tài)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合、多維度的分析，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)和創(chuàng)新的有機(jī)結(jié)合，提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的實(shí)施效率。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的表層意義是改變操作方法和實(shí)驗(yàn)儀器，其內(nèi)核是一種教學(xué)理念與課程理念的創(chuàng)新，是傳統(tǒng)與現(xiàn)代融合的課堂實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模式。通過分析傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字實(shí)驗(yàn)的方式可知，傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作簡單，呈現(xiàn)的效果直觀，但這僅限于簡單的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，而難度較大，過程復(fù)雜的化學(xué)實(shí)驗(yàn)則不適合于通過傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，這是由于實(shí)驗(yàn)變化速度較快，學(xué)生很難清晰地觀察到整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程，也不利于學(xué)生及時(shí)讀取與記錄數(shù)據(jù)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融入，則有效避免了這一問題，通過傳感技術(shù)、信息技術(shù)能夠自動化測量，并能精準(zhǔn)采集數(shù)據(jù)，詳細(xì)對每個(gè)實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)進(jìn)行記錄，這有助于學(xué)生從動態(tài)化的角度分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并從多維視角進(jìn)行知識點(diǎn)的討論與分析。雖然數(shù)字化實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢較多，但并不能完全取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，而是以兼收并蓄的態(tài)度綜合運(yùn)用兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，為學(xué)生搭建一座理性認(rèn)知與感性認(rèn)知相融合的橋梁，學(xué)生有更多的數(shù)據(jù)以供學(xué)習(xí)，能夠從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相融合的角度推理化學(xué)現(xiàn)象的產(chǎn)生過程，而不是單純地對實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果的驗(yàn)證。如在關(guān)于探究石灰水和濃燒堿溶液吸收二氧化碳能力的實(shí)驗(yàn)中，飽和石灰水的濃度較低，對二氧化碳的吸收能力有限，燒堿的溶解度比較大，濃溶液能夠充分地吸收二氧化碳。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法主要是通過肉眼觀察二者對二氧化碳的吸收情況，對比不夠鮮明。教師在優(yōu)化時(shí)，可以在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置中，增加數(shù)字化壓強(qiáng)傳感器，把傳感器接入電腦系統(tǒng)，指導(dǎo)學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)裝置圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。這樣通過采用數(shù)字化壓強(qiáng)傳感器優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，學(xué)生就能從量的角度，直觀地比較二者對吸收二氧化碳能力的區(qū)別［4］。

（三）運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)講解疑難知識

學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)正處在形成初期，在探索化學(xué)概念及其規(guī)律的過程中經(jīng)常會遭遇認(rèn)知方面的困難。以往由于技術(shù)資源的匱乏，教師缺少強(qiáng)有力的解釋辦法。數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)為化學(xué)課程重難點(diǎn)的突破帶來了全新的生機(jī)。教師應(yīng)該針對學(xué)生的思維特點(diǎn)和認(rèn)知障礙，利用數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)輔助化學(xué)疑難知識的講解，從而強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)科思維能力。教師可借助數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)對學(xué)生講解難以理解的、抽象的知識，如利用數(shù)字化手持技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以可監(jiān)測信號的方式呈現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)及其本質(zhì)現(xiàn)象，幫助學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，理解化學(xué)知識的規(guī)律；還可以通過手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)降低學(xué)習(xí)難度，完成定性實(shí)驗(yàn)向定量實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變，使學(xué)生深入、精準(zhǔn)地了解學(xué)習(xí)內(nèi)容，通過分析數(shù)據(jù)對實(shí)驗(yàn)全程的變化進(jìn)行感受，得出科學(xué)、精準(zhǔn)的結(jié)論，幫助學(xué)生解決疑難問題。如在關(guān)于酸堿中和反應(yīng)的化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生在理解酸和堿反應(yīng)的實(shí)質(zhì)和特點(diǎn)時(shí)，經(jīng)常陷入滴定終點(diǎn)“恰好變色”就是“恰好完全反應(yīng)”的認(rèn)知誤區(qū)。在突破這一難點(diǎn)時(shí)，教師可以應(yīng)用pH 傳感器、滴數(shù)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、磁力攪拌器等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器，引導(dǎo)學(xué)生使用滴數(shù)傳感器進(jìn)行控制。在數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)的支持下，學(xué)生就深刻地理解pH＝7是酸堿中和反應(yīng)的終點(diǎn)，從而走出誤區(qū)、實(shí)現(xiàn)對化學(xué)疑難知識的有效學(xué)習(xí)［5］。

（四）運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)開展微觀探析

初中化學(xué)教學(xué)涉及很多關(guān)于微粒變化的課程，這些課程知識點(diǎn)單靠宏觀辨識和表象解釋，學(xué)生是很難對其進(jìn)行想象和理解的。在多媒體技術(shù)的支持下，能夠以直觀互動的方式從抽象的問題分析靜止問題，并通過分析歸納的方式對問題進(jìn)行總結(jié)，有助于從微觀角度探析化學(xué)現(xiàn)象。教師還可以借助信息技術(shù)使實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程變?yōu)槟M形式，為學(xué)生構(gòu)建一種多人協(xié)作的學(xué)習(xí)空間，滿足不同認(rèn)知水平學(xué)生不同的學(xué)習(xí)需求，使其能夠以對比的方式學(xué)習(xí)各類化學(xué)知識。同時(shí)，數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)微粒變化可視化，利用最有說服力的數(shù)據(jù)揭示化學(xué)變化的本質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生從宏觀、圍觀、符號和曲線等多重表征建立完整的化學(xué)認(rèn)知模型。因此，教師應(yīng)該針對教材中有關(guān)微粒變化的課程，運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)開展微觀探析活動，引入色度、光強(qiáng)、電導(dǎo)率、離子等數(shù)字化傳感器設(shè)備，以及DIS 直觀演示和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，帶領(lǐng)學(xué)生觀察、分析微觀現(xiàn)象中的化學(xué)規(guī)律［6］。

（五）運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)設(shè)計(jì)練習(xí)活動

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)將DIS 數(shù)字信息系統(tǒng)與化學(xué)教學(xué)相融合，其原理是利用計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、傳感器及含有配套使用的專用及通用軟件開展實(shí)驗(yàn)，以圖表形式呈現(xiàn)定量采集的數(shù)據(jù)。在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的支持下，能夠得到數(shù)字和曲線，具有較強(qiáng)的可靠性、真實(shí)性直觀性，可幫學(xué)生養(yǎng)成證據(jù)意識，根據(jù)證據(jù)分析變化的規(guī)律及本質(zhì)從微觀、宏觀兩個(gè)視域理解化學(xué)現(xiàn)象。數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)既適用于課堂學(xué)習(xí)，也適用于課后練習(xí)，其能幫助學(xué)生鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容，完善實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。練習(xí)是初中化學(xué)教學(xué)的重要構(gòu)成部分，以往教師設(shè)計(jì)課堂練習(xí)時(shí)，通常是問答概念或者是布置化學(xué)計(jì)算題，學(xué)生早已感到厭倦，同時(shí)練習(xí)的內(nèi)容和形式也比較單一。在數(shù)字實(shí)驗(yàn)的背景下，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的曲線表征圖為化學(xué)練習(xí)提供更加優(yōu)渥的資源。教師應(yīng)該根據(jù)課程的考查重點(diǎn)，在數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中調(diào)取相關(guān)的曲線表征圖，精心設(shè)計(jì)觀察、比較、推理類的練習(xí)題，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識技能解答習(xí)題，從而提升課堂練習(xí)的綜合性，實(shí)現(xiàn)數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)的拓展運(yùn)用。

如在關(guān)于鹽酸滴定碳酸鈉的化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究初步理解鹽酸與碳酸鈉分步反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，在實(shí)施練習(xí)活動時(shí)，教師就可以出示GQY 數(shù)據(jù)采集器所生成的pH 反應(yīng)曲線圖，同時(shí)提出思考問題：為什么pH 反應(yīng)曲線具有兩個(gè)躍變點(diǎn)？請大家合作解釋。學(xué)生解析曲線表征后解答。這樣通過依托數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)設(shè)計(jì)練習(xí)活動，學(xué)生就準(zhǔn)確地解釋了化學(xué)反應(yīng)的過程，從而實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)探究收獲的學(xué)以致用。

三、結(jié)語

綜上所述，在初中化學(xué)教學(xué)中運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)，不僅有利于調(diào)動學(xué)生的化學(xué)探索積極性，也能把定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉?shí)驗(yàn)，擴(kuò)充化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，改變學(xué)生對化學(xué)知識的認(rèn)知方式。教師應(yīng)該立足化學(xué)課程目標(biāo)，整合運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件、各類數(shù)字傳感器和數(shù)據(jù)采集器，在課堂導(dǎo)入、實(shí)驗(yàn)探究、疑難知識講解、微觀探析、拓展練習(xí)等環(huán)節(jié)引入功能優(yōu)越的數(shù)字實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)、客觀地再現(xiàn)化學(xué)本質(zhì)，從而助推學(xué)生化學(xué)素養(yǎng)的穩(wěn)步發(fā)展。