关于在高中化学中展开学生数字化实验的研究

关于在高中化学中展开学生数字化实验的研究上海市浦光中学徐琤雅张玲杨宇翔目前数字化实验已深入到社会生产和生活的各个领域，对数字化实验的核心设备——各种传感器及微电极的研究为我国分析化学领域优先资助的前沿课题。

在中学化学教育中引入数字化实验教学，一方面弥补了传统实验工具的缺陷，使实验的方法更加先进，实验的数据更加准确，实验的步骤更加清晰；另一方面革新了化学实验仪器与方法，拓展了化学实验的内容。

我校有非常有利的硬件条件——专属数字化教学的实验室。

为了有效地利用学校现有资源，为了将数字实验与教学实践更好的结合，通过对几个典型的中学化学实验的研究与改进，将其传统的实验操作方法改进为数字化操作，定位于可广为推广的学生实验，应用于日常教学与学生的研究型学习。

同时对中学化学教学中合理应用数字实验提供一定的教学参考，进一步推进数字实验在教学中的优势发挥应用，从而有效地提高高中化学的教学质量。

本研究在高中化学新教材的教学中积累相关案例，从实践中研究与改进几个典型的中学化学实验，将其传统的实验操作方法改进为数字化实验，应用于日常教学与学生的研究型学习。

对中学化学教学中合理应用数字实验提供一定的教学参考，发挥数字实验在教学中的优势，使之与课堂教学更为合理、紧密地整合。

课题研究内容：（1）研究能广泛适用于高中化学教学的学生数字化实验案例。

（2）研究学生数字化实验方案及其实验报告的设计。

（3）研究比较学生数字化实验与传统学生实验的教学效果。

（4）研究学生数字化实验对高中化学教学的实践价值。

（5）研究学生数字化实验对于提高学生能力的意义。

（6）研究在实践过程中所遇到的问题。

研究结果：（一）能广泛适用于高中化学教学的学生数字化实验案例。

在高中学段化学理论体系中，理论上有不少可用数字化实验实现的实验。

此外，将若干传感器很好的组合，更可实现大型的、户外或与实际生活相关的学生探究性实验，比如水质测定、饮料成分测定、碘盐中含碘量的测定等等。

（二）学生数字化实验方案及其实验报告的设计。

在传统实验方案及实验报告的基础上，突出对于实验数据的研究与分析，强化学生对于实验结果数形结合认知、分析、归纳、总结的能力，相对简化具体的实验操作步骤，偏重学生对实验方案的自行设计，在实验中渗透学生主观能动设计实验的能力。

初步拟定实验方案及实验报告有以下几个部分组成：实验探究目的、实验设计依据原理、实验器材及药品选用、实验操作步骤、实验结果输出、实验数据分析、实验误差讨论等。

在此，笔者选取呈现一个案例。

（三）比较学生数字化实验与传统学生实验的教学效果。

传统实验教学效果显著，但数字化实验作为与传统实验相辅相成的教学手段，更具有不可比拟的优越性。

数字化手段可以极大地扩展实验的可视性和可重复性。

在采集数据的环节上，计算机和传感器等数字手段的介入可以更快更准确地得到实验数据，从而节省宝贵的教学时间，把更多的时间用于学生讨论问题、解决问题上，让学生在课堂上产生更多的兴趣点，提升学习的主动性，加强学习能力的培养。

例如，电导率，中学化学教材中一般不出现这个概念，在研究强弱电解质时，传统实验仅限于用小电珠光亮程度来检验溶液的导电能力，操作繁琐且现象欠佳，若借用数字实验的图像呈现，用数字说话的形式，让学生直观地体会出溶液中离子“量”的问题，若干条简单的工作曲线就能比较直观地说明此较为抽象的知识点即溶液的导电能力与离子浓度有关。

因此，在一年的课题研究过程中小组成员累积类似案例，研究比较学生数字化实验与传统学生实验的教学效果，以实现数字化实验在传统实验基础上的突破、数字化实验对传统实验的进一步延伸、数字化实验与传统化学实验的整合。

在此，笔者选取两个案例加以详细说明。

案例分析：《催化剂间的竞争》作为一节拓展性课，教师指导学生围绕“催化剂”的概念，设计实验方案，验证假设，经过多次实验探究，学生成功地发现了双氧水分Fe O，进而又发现新问题：为什么作为双氧水分解的催解的新催化剂——KI、23化剂均含有氧元素？是否因为反应过程中它们所含氧元素转化为氧气？通过多次实验比较，学生得出更多可以用来促进双氧水分解的催化剂。

整堂课的反复重复双氧水分解的实验，不同之处就在于所添加的试剂不同。

按照传统实验的做法，在不同的试管中加入适量的同浓度的双氧水，然后分别加入不同的催化剂，观察气泡产生的速率，判断催化剂效率的高低，总结记录实验结果。

引入数字实验教学，基本步骤相同，但是对于不同催化剂的效率不再是根据学生主观视觉判断，而是根据气泡产生的同时在试管内会造成一系列压强，连接的气压传感器可以感受到这些细微压强的变化，在个人电脑的屏幕上以P-t的图形出现。

比较这两种教学实验的效果，统实验对于学生的动手能力更有帮助，在通过对于实验现象本身的观察中，找出效率较高的催化剂，但是往往靠个人感官的判断有时难以得到精确的结果，再加上由于学生主观判断的差异性、不同催化剂催化效果前后靠肉眼观察对比并不明显，最后可能无法实现最初设定的教学目标。

而使用数字实验教学，则可以更好地提高学生对于实验结果的精确把握，数字传感器可以感受到压强的细微变化，从而提高了学生分析数据，解析图形的能力。

案例分析：此案例属于研究性课程。

研究性学习是一门课程，没有一定的模式，是在教师的指导下，由学生自己选择和确定研究的课题或项目的设计，自己收集、选择、分析信息资料，应用知识去解决实际问题的一种课程。

它的学习内容极具综合性和开放性，因为对于一个实际问题，学生必须运用多个知识解决。

比如此案例中验证醋酸是弱电解质的实验方案理论上不下十种，学生可以从电离平衡、盐类水解、化学反应速率等角度验证了醋酸是弱电解质这一观点，如果完全依靠传统实验，某些实验根本无法实现，而且在短时间内也无法实现所有推论的验证，这样留给学生思考问题从而解决问题的时间就所剩无多了。

据数字化实验与传统实验比较，由于学生在数据处理上的时间大大缩短，这就给学生创造了多余空间，使他们在探索研究的投入的时间与精力都上大幅度增加，而这正是符合二期课改研究性课程理念的。

图一 数字化实验与传统实验的比较图图二 同浓度盐酸、醋酸分别与镁条反应的起始速率但在整个研究性学习过程中，我们并没有完全依赖于数字化实验，而是采用了传统实验与数字化实验相结合的方法。

传统实验经过多年的实践，也有其必然存在的经典价值，有些实验使用数字化手段反而化简为繁，比较同pH 值醋酸与盐酸的浓度、测定已知浓度醋酸的pH 值、比较同浓度醋酸与盐酸溶液的pH 值、比较醋酸盐与盐酸盐的pH 值等等这几种方案使用传统实验器材比如pH 试纸、pH 计甚至是酸碱指示剂即可快捷地得出结论，使用数字化实验反而华而不实、欲速则不达。

但凡涉及到定量线形变化或电导率的实验，比如比较同浓度醋酸与盐酸的电导率、比较同浓度醋酸、盐酸分别与镁条反应的起始速率、等量水稀释对醋酸与盐酸pH 值的影响、等量水稀释对醋酸与盐酸电导率的影响、用同浓度氢氧化钠分别中和等浓度等体积盐酸与醋酸的滴定曲线、醋酸盐对醋酸电离的影响、温度对醋酸电离的影响等等这些写实验方案我们就不得不借助于数字化实验。

图四同浓度氢氧化钠分别中和等浓度等体积盐酸、醋酸的滴定曲线综上所述，因此数字化实验只是互补于传统实验的一种手段，我们应将两者很好的整合，通过将近一年具体操作实践过程中的积累，小组成员就数字化实验与传统学生实验的教学比较结果如下：（四）学生数字化实验对高中化学教学的实践价值。

在高中化学教学中开展学生数字化实验必将对传统的教学理念、教学手段、教学模式带来很大的冲击与革新。

教学理念：学生数字化实验的引入凸显二期课改的教学理念——以学生为本，学生自助设计、操作实验的机会多了，注重学生为主体的实践过程，培养学生创新思维、发现问题、提出问题和解决问题以及搜集处理数据等各方面的能力，改变传统教学忽视科学探究过程只求死记硬背的学习方式，在学生切身体会科学探究的过程中，让其体会到学习的乐趣以及对科学探究的精神的领悟，增强科学方法意识，更可实现学科内以及学科间的整合，甚至是与实际社会生活的融和。

教学手段：数字实验的出现，也随之带来教学手段的革新，更有了多的教学手段的组合，比如数字实验、传统实验整合教学；单一的数字实验演示教学；学生数字实验教学，包括学生改进、自行设计实验等等。

教学模式：新的教学途径的介入，必将引发更多教学模式的产生，比如以“实验的数形”作为引入，整堂课以“学生讨论、分析、深入、总结”的模式；比如由传统实验和数字实验的共同辅佐，以“比较法”渗入教学，进一步强化知识点的掌握；比如实验探索模式，某些课题有了数字实验的介入，可以使探究的过程更加完整，毕竟数字实验在某些层面还有着拾漏补缺的作用，学习的完整性得以很好的体现。

在此，笔者选取两个案例加以说明。

案例分析：在该案例中，数字化实验与传统实验在三方面有比较明显的区别。

第一，从实验器材角度，传统实验前期准备较数字实验略显繁琐。

第二，在实验具体操作上，传统实验耗时较长，易出现实验失败现象。

传统实验通过人工采集几个特殊时间点产生的气体体积数据，由于时间与目测针筒显示气体体积这一环节需要较为精密的配合，很容易出现失误。

此外，药品的取量也个非常关键的问题，倘若药品取少了，针筒内气体体积前后变化不明显，不利于观察记录，而药品取多了又可能造成起始阶段变化过于迅速，在选择时间点上难以掌握或者说容易错失最佳数据的采集点。

而数字实验的这一环节全由电脑掌控，数据采集器不仅能采集某个时间段的实验数据，更可精确到0.1秒乃至更为精细的时间单位，这样所采集的数据较为全面，更为客观科学，整个实验变化过程中，学生的注意重心更多的是放在由电脑屏幕呈现出的P-t 曲线变化，而不是忙于记录各种数据，数字实验更可反复多次，最终得到最为理想的实验数据。

第三，实验数据的记录输出方式的不同对于学生观察现象、考虑问题的角度、研究问题的方式方法以及最后对整个知识点的掌握均产生不同的影响。

传统实验以表格形式呈现：学生从该表中了解某一时间点的化学反应速率，通过计算求得平均反应速率，但由于给定的时间点并不全是采集数据的最佳时间点，再加上具体实验操作过程中出现的失误，最后得出的结论偏差会很明显。

数字实验以电脑输出图表形式呈现：图五 固体表面积对化学反应速率的影响数字化实验装通过这张图表，学生能更为直观的了解整个反应过程中产生气体的快慢程度，对化学反应速率这一概念有更为直观的了解。

再有在实际考试中，学生对带有图像的题目总有些许“望而生畏”的感觉，如该知识点就曾以图像形式成为一经典考题，具体考题如下：将a g块状碳酸钙跟足量盐酸反应，反应物消耗的质量随时间的变化曲线如下图的实线所示。

在相同条件下，将b g（a>b）粉末状碳酸钙与同浓度的盐酸反应，则相应的曲线（图中虚线所示）正确的是（）。