对数字化实验在初中化学课堂教学中运用的思考

吴东梅

摘要：化学是以实驗为基础的科学。创新实验教学方式，促进传统教学和现代新兴科技有机融合，是当今教研的热点。数字化实验在初中化学课堂教学中的运用，正是传统教学和现代新兴科技有机融合的产物，是化学核心素养落实于课堂的一种体现，对促进知识的更新、传统教学模式的转变能够起到积极作用，同时也有利于优化教学过程，提高教学效率，为新课程改革的纵深发展起到助推作用。

关键词：数字化实验增强吸引力转变教学模式推进课改进程

教育部《关于加强和改进中小学实验教学的意见》指出：“要创新实验教学方式，促进传统教学和现代新兴科技有机融合，切实增强实验教学的趣味性和吸引力。”数字化实验教学，正是传统实验和现代新兴科技融合的代表。数字化实验可将化学反应的现象和本质同步转化为直观的曲线及数字信号，实现了宏观与微观、定性与定量、数据与图像的有机结合，能帮助学生更深入地研究化学反应的现象和本质，具有数据准确、信息综合等特点。因此，科学合理地将数字化实验运用于课堂，必能激发学生化学学习兴趣，有效提高化学实验教学质量，提升学生化学核心素养。

一、优化部分传统实验，提升学生认知水平

九年级化学中对“人呼出气体和吸入空气的区别”的问题进行研究时，传统实验向气样中分别伸入燃着的木条，往往木条燃烧的差异性不大;对着干冷玻璃片哈气，水汽消失很快，现象也不明显。利用数字化实验则能直观、准确地比较气样中氧气、二氧化碳和水的含量的不同以及它们具体的值。引导学生定量认识空气中各成分，也是对传统实验的有力补充。

在对“空气中氧气含量的测定”的误差分析中，水回流不足1/5的可能原因是氧气没有耗尽，用传统实验验证氧气剩余显得捉襟见肘，数字化实验则可游刃有余地解决此问题，将氧气传感器连入装置，监测到红磷熄灭时，氧气大约剩余8%。学生又用白磷、蜡烛等代替红磷做同样实验，发现白磷燃烧熄灭后氧气约剩余3%，蜡烛熄灭后氧气约剩余15.5%。用暖宝宝中铁粉的缓慢氧化可将氧气更充分地消耗，大约只剩余0.5%。数字化实验使学生直观认识到，燃烧法测定氧气含量，均不能将氧气耗尽，铁粉的缓慢氧化则耗氧更充分。对氧气含量的数字化实验探究，培养了学生严谨求实的科学态度，也提升了学生的认知水平。

二、突破知识重难点，促进学生深化理解

酸碱中和知识点，是九年级化学教学的重点和难点，而设计实验证明无明显现象的中和反应的发生，是突破此重点和难点的关键，也是培养学生学科能力和学科思想的载体。教材中对如何设计实验证明氢氧化钠溶液和盐酸发生了反应，所用的方法是借助于指示剂通过溶液颜色的变化，证明溶液酸碱性的改变，判断反应是否发生。该方法不能体现中和反应放热特点及pH变化的特征，对反应终点的判断也难以理解、把控。若用温度计测量少量低浓度盐酸和氢氧化钠溶液之间反应时的温度变化，那么按教材用量几乎测不出来，用pH试纸测量既缓慢又浪费，效率极低。利用数字化实验测定向滴有酚酞的氢氧化钠溶液中逐滴滴加稀盐酸时，溶液颜色、温度、pH变化情况，可形成变化的数字和曲线，学生从溶液颜色及曲线变化过程中，形成鲜明的感官认识，并能基于图像证据对变化过程进行分析推理，从宏观、微观、符号、曲线多重表征建立酸碱反应的认知模型，突破了教学重难点，深化了对中和反应现象和本质的认识，培养了实验探究能力的同时，加深了对转化思想的理解。

对于二氧化碳溶于水和氢氧化钠溶液的实验探究，传统实验不能直观表现溶解速率的差异，也不能精确证明溶水比例为1∶1，而通过数字化实验测量，常温下将20mL水和20mL氢氧化钠溶液（2mol/L）分别压入盛有250mL二氧化碳的平底烧瓶中的压强变化，可见二氧化碳溶于水的压强变化缓慢，经振荡操作后，压强恢复到初始气压，而氢氧化钠溶液则可快速吸收二氧化碳，使压强迅速降至10kPa以下，学生根据图像可推理得出，二氧化碳溶于水速率较慢，充分接触后，最终可以1∶1比例溶于水。因二氧化碳自然溶水速率缓慢，所以可用排水法收集纯净的CO2;NaOH溶液吸收CO2效果极佳，并可排除水的影响。振荡促使压强明显地回落或下降，则可推理出振荡可加快化学反应速率。整个图像分析推理的过程，培养了学生证据推理能力，深化了学生对非金属氧化物和碱反应的模型认知。

三、深挖化学多重表征，培养学生创新思维

数字化实验的“曲线表征”是化学学科四重表征形式之一。它不仅让学生从本质上理解化学概念和实验原理，还引导学生多角度思考问题，培养了学生的创新思维。

在对二氧化碳和氢氧化钠反应的学习时，书本仅依据二氧化碳和氢氧化钙溶液反应，类推出二者反应的方程式，对反应如何进行、反应物的量对实验的影响等，学生并不了解，也不能理解。对此，用数字化实验检测向滴有酚酞的0.1mol/L的稀氢氧化钠溶液中持续通二氧化碳时，溶液颜色及pH的变化情况。过程中，溶液由红色逐渐变浅并褪为无色，pH曲线虽然整体下降，却在10～13、8～10、6～8出现三个不同的变化阶段。对第一阶段的pH下降原因（pH在10～13之间），学生容易根据二氧化碳和氢氧化钙反应类推解释，即氢氧化钠和二氧化碳反应，被消耗。第二阶段变化的原因又是什么呢？为突破这个难点，引导学生向变浑浊的石灰水中继续吹入CO2，灰水变澄清了！结合课本资料信息，学生分析，此变化的原因是CaCO3与CO2、H2O生成了可溶性Ca（HCO3）2，而Na2CO3和CaCO3同属碳酸盐，应该也可与CO2、H2O反应，生成碳酸氢盐。学生经过知识的类比与迁移，可解释第二阶段变化的原因是Na2CO3与CO2、H2O生成碱性更弱的NaHCO3（溶液浅红色）。第三阶段的变化，红色褪为无色，应该是过量的CO2继续与H2O反应生成了碳酸。此探究让学生学习用四重表征研究化学反应，并对CO2与NaOH溶液反应有了全新的认识，顺利建立了CO2与碱反应的一般规律，将学生思维引向深入，培养了学生的创造性思维。

四、融入时代特色，提高学生综合应用能力

在目前全国中考化学试题中，以能力测试为主导，体现学科思想的“曲线表征试题”越来越多。如2019年中考，北京、南京、成都等多地，都出现了数字化实验信息类试题。安徽更是在2010年、2014年、2017年、2018年等年份中考中多次考到此类题目。

如2019年成都中考第19题，利用数字化实验中压强曲线表征，可直观比较出足量盐酸和含等量碳元素的碳酸钠、碳酸氢钠反应速率的不同，推理出碳酸钠和盐酸的分步反应，解释了其反应速率慢所对应的宏观现象的微观本质，并用符号表征进行表述，考查了学生的实验探究能力及信息处理能力，促进了学生对化学反应本质的理解，开拓了学生的思维。近年化学中考试题时代气息浓厚，充满了科技信息，数字化实验是其表征之一。因此，亲历过数字化实验的学生，就不会对以数字化实验为背景的探究试题产生陌生感和畏惧感，在临考中解答此类问题时优势凸显。

数字化实验与化学课堂的深度融合，为实验探究的过程和方法提供了更为广阔的天地。初中化学教师要跟上时代步伐，提高实验教学技能，创新实验教学模式，积极探索数字化实验技术在化学教学中的合理运用，增强实验教学的趣味性和吸引力，让化学核心素养在新时代化学课堂上铿锵落地！

参考文献：

[1]夏建华.数字化实验与中学化学教学深度融合[M].合肥：安徽教育出版社，2016.

[2]中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2011.

[3]朱慕菊主编，教育部基础教育司组织编写.走进新课程——与课程实施者对话[M].北京：北京师范大学出版社，2002.

[4]张东日.数字化实验在高中化学教学中的运用初探[J].神州，2014（12）：156.

责任编辑：陆晨阳 唐丹丹