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解的新催化剂——KI、

Fe O,进而又发现新问题:为什么作为双氧水分解的催化剂

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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