基于数字化实验创设的研究性学习实践

胡艳丽

摘要：数字化实验利用传感器和计算机，将实验数据通过图表和图像进行展示增加实验结果的可视性。利用数字化实验研究镁与稀盐酸反应过程，可直观反映温度、浓度等因素在不同阶段对化学反应速率的影响。通过让学生提出问题、动手操作、发现问题、改进创新这一系列研究性学习过程，真正落实化学学科核心素养。

关键词：数字化实验；可视性；研究性学习；核心素养

文章编号：1008-0546（2023）09-0094-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2023.09.019

数字化实验是一种新兴的信息技术，也是一种现代化的教学实验手段，具有直观、综合、实时、准确、便携、定量的特点，将对化学教育产生非常大的帮助和影响。[1]新课标（2017版）中首次提出了要重视化学教材的信息化发展，提倡在教学中培养学生运用化学软件处理信息的能力。[2]要充分体现数字化实验的教育功能，教师需要将其“融”人到具体的学科知识教学中，重视学生的主体地位，重视学科课程的重要地位，寻找充分发挥数字化实验教学功能的途径和策略。数字化实验是传统实验的补充与完善，是优化化学教学的需要。[3]

数字化实验改变了学生对传统实验的认知，信息技术与实验相互融合，加强了学生的思维锻炼，提高了学生的实验水平。[4]将传统实验用数字化实验的方式向学生展示，结果会更直观，更能反映问题的本质，学生也更容易接受。数字化实验在一定程度上改变了学生的学习方式，变被动为主动，从而提高了学生的实验操作能力和学科思维能力。[5]

一、问题提出

在人教版化学必修第二册第六章第一节实验6—1中，学生通过实验知道镁与稀盐酸反应是放热反应；在该章第二节学生学习了化学反应速率之后，知道化学反应速率不仅可以用快慢定性描述，还可以通过单位时间内反应物浓度的减少或者是生成物浓度的增加来定量描述；在该节教材的练习与应用中，更是通过数字化实验对镁与稀盐酸反应进行更深入的定量分析。人教版化学必修第二册第50页第9题：

某课外实验小组利用压强传感器、数据采集器和计算机等数字化实验设备，探究镁与不同浓度盐酸的反应速率，两组实验所用药品如表1所示。

实验的结果如图1所示。学生需回答以下两个问题：（1）试说明该图中曲线的含义。（2）结合实验条件，分析两条曲线的区别。

在以往很多题目中我们接触过很多速率时间图，学生知道可以从pH、温度、浓度等角度来分析曲线变化的原因，但是学生没有尝试过利用数字化实验自己亲手将这些曲线绘制出来。数字化实验与传统实验相比更直观，更准确地描述了在不同阶段化学反应速率的影响因素，在本节引入数字化实验，不光让学生体会到化学研究从定性分析到定量分析的深入，更能熟悉采用只改变某一个因素，控制其他因素不变的变量控制研究方法，熟练进行“数形转换”。

因此，我们以此题为契机，在实验室利用压强传感器、温度传感器、pH传感器完成对应实验，绘制压强与时间、温度与时间、pH与时间的曲线。通过比较单位时间内压强的变化来比较反应速率，同时通过温度与时间、pH与时间的变化曲线，让学生分析影响化学反应的因素以及不同阶段的主导因素，变学生的被动吸收为主动探索。学生在探究中除了完成该题中的操作，还将实验内容进一步深化与改进，完成了一系列探究，最终得出结论。这种安排拓展了实验的深度，既锻炼了学生的动手操作能力，又通过定量化数据图像分析，对学生进行思维训练，实现深度學习。

二、实验原理

镁与稀盐酸反应的化学方程式为：Mg+2HCl=MgC12+H2↑。之所以选择这个反应体系，一是因为它们反应时有明显的实验现象，产生气泡，反应放热，温度变化明显；二是反应快慢适中，便于观察和记录；三是因为该实验药品是实验室常用药品，容易获得，为学生接触数字化实验提供了可行性。

三、实验用品

药品：镁条、盐酸（ 1.0 moI.L-1， 0.5 moI.L-1）、蒸馏水。

仪器：量筒、胶头滴管、试管、烧杯、压强传感器、温度传感器、pH传感器、数据采集器、电脑。

四、实验过程

该数字化实验过程主要分为4步：

1．将压强传感器前端测量管在橡皮塞的圆孔中插紧并检查装置气密性，将数据采集器与传感器连接，并与电脑相连，如图2所示。

2．用量筒量取2 mL 1.0 moI.L-1的稀盐酸，倒人试管后固定好装置，打开电脑软件，取0.01 g镁条置于试管中，并连接好压强传感器，塞紧橡胶塞，采集数据。待数据稳定后，停止采集。

3．用量筒量取2 mL l.0 moI.L-1的稀盐酸，倒人试管固定好装置，打开电脑软件，取0.01 g 条置于试管中，并连接好温度传感器，采集数据。待数据稳定后，停止采集。

4．用量筒量取2 mL 1.0 moI.L-I的稀盐酸，倒人试管后固定好装置，打开电脑软件，取0.01 g镁条置于试管中，并连接好pH传感器，采集数据。待数据稳定后，停止采集。

五、数据分析及结论

1．压强与时间曲线

学生共分成六组完成实验，压强与时间图像绘制出来以后，让各组学生交流自己图像。其中有三组与图1基本相似，例如：从图3（a）可以看出0-100 s内斜率比较大，100 s后压强变化不大。有三组图像曲线明显不同，学生通过分析讨论后找出各组实验过程中可能出现的问题：图3（b）没有按照实验所需的药品用量来进行，图3（c）可能是实验过程中橡皮塞没有塞紧，压强增大后冲出导致气密性不好，图3（d）用了氢气传感器，并且实验中塞塞子的速度太慢了。

学生通过这组实验分析马上意识到数字化实验的严谨性，普通实验室中简单实验在这里必需要操作规范，否则不能得出正确的图像结果，任何一个操作细节都可以从图像上反映出来，实验时必须全身心投入，实事求是地做实验。后面几组实验中学生不敢怠慢，准确率有了显著提高。

2．温度与时间曲线

温度时间图基本都能做出来，通过图4可以看出温度在0-80 s升高得最快，整体趋势表现为先升高后降低，这是由于该反应是放热反应，随着反应的发生温度明显升高，升高的温度对反应速率也产生了影响，使反应速率在升温阶段快速提高。

3．pH与时间曲线

从图5可以看出0-10 s氢离子浓度大对应pH小，随着反应的发生溶液中氢离子浓度不断减少，对应图像的pH不断增大，其中10- 70 s内pH变化幅度最大。整体来看曲线变化幅度较小，pH变化不是太明显。学生通过计算发现本次实验消耗盐酸约为0.00083 mol，盐酸过量较多，可以调整盐酸的浓度。例如：选择2 mL 0.5 mol．L-1盐酸进行实验不但图像效果更好，也节约了药品。

4．结论

通过上述三组实验分析，反应开始时氢离子浓度最大，但速率不是最快，主要是这时的温度较低。在10- 70 s这个时间段压强／时间曲线的斜率最大，反应速率最快，这时温度较高，氢离子浓度较大。

通过以上实验可以得出以下结论：对于同一个化学反应，在其他条件不变的情况下，反应物浓度越大反应速率越快；温度越高，化学反应速率越快。同一化学反应过程中化学反应速率会受到多种因素影响，在不同时段占主导的因素不同，对化学反应速率的影响程度也不同。

六、实验反思与收获

1．课本内容驱动，激发学生探究热情

笔者基于较活泼金属与酸反应的特点及影响化学反应的因素这些学生已基本了解的化学知识设计数字化实验，及时将书本知识利用各类传感器和电脑实现转换，以数字和图表的形式直观地呈现出来，立刻获得了学生认可，激发了学生的探究热情。学生通过数字化实验进行定量分析，有效地促进了证据推理与模型认知这一化学核心素养的形成。

2．利用反常图像，培养学生科学态度

研究性学习要求学生提前了解实验内容，预测实验现象，设计实验步骤，明确操作意图，控制相关变量。学生实验中要头脑清醒，规范操作，客观记录实验现象，检验自己的预测是否合理，对于没有达到预测效果的实验要分析原因，并找出改进方法。

在本次实验过程中有学生得不到正确的图像，正是这些反常的数据和图像让一些不规范的操作、不严谨的态度立刻暴露出来，让学生深切体会到科学态度是实验成功的前提。研究性学习过程不仅强化了发现问题、分析问题、解决问题的科学探究方法，更培养了学生尊重事实、严谨求实的科学态度。

3．优化实验装置，增强学生创新意识

在探究过程中有学生发现装置可进一步优化，对于学生敢于质疑、勇于创新的精神，教师立即鼓励学生设计一些优化后的装置，并让他们进行展示。例如：本次实验中一次只用一个传感器测一个量，不同实验中误差较大，有学生指出在同一组实验中同时用三个传感器测量更准确，数据分析更有说服力。教师及时肯定学生的建议并提醒要考虑压强问题。学生讨论后想到了用三颈烧瓶组装实验装置，如图6（a）是大多数同学的设计图，图6（b）是某同學的设计图，该装置使用了恒压滴液漏斗，减小了实验误差，让结果更准确。在展示交流的过程中甚至有同学提到，如果使用这些装置，药品的用量也要进行调整，学生不仅有了创新意识同时也具备了科学探究的基本素养。

在上述活动中，让学生能发现和提出有探究价值的问题；能从问题和假设出发，依据探究目的，设计出探究方案；能运用化学实验、调查等方法进行实验探究；勤于实践、善于合作、敢于质疑勇于创新，[6]让科学探究与创新意识的学科核心素养真正落到实处。

4．鼓励爱护器材，培养学生社会责任。

本次实验过程中使用了多个传感器，为保证学生能进行规范操作，实验前教师演示了相关传感器的用法并强调了使用注意事项。实验中有学生拿出废尺子和胶带做成的传感器支架，简化了实验装置，安全实用。由于药品用量少，试管不容易固定，有学生用5 mL滴眼液小药瓶替代试管。实验后六组传感器和数据采集器都放回了原处，pH传感器也及时清洗并把电极放回了保存瓶里。这些细节过程既保护了器材，又帮助学生形成了正确的价值观，培养了学生绿色化学理念与社会责任。

参考文献

[1] 高妙添．运用数字化手持技术改进“测量化学反应速率”实验的教学实践[J]．化学教育，201 5，36（23）：49-55．

[2] 成华．将数字化实验与传统实验有机整合，培养学生化学学科素养[J]．化学教与学，2021（14）：74-77+84．

[3] 陈琛，董雄辎，姚如富，姚成立，等．数字化实验在化学教学 的应用研究[J]．合肥师范学院学报，201 8，36（03）：78-81.

[4] 张婷，马宏佳．化学数字化实验影响学生概念改变的实证研究[J]．化学教育，201 7，38（09）：39-43.

[5] 穆莉莉，侯丽雅，章维一，微化学反应的微流体数字化实现及实验研究[J]．化工学报，2009，60（03）：795-800.

[6] 中华人民共和国教育部，普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S]．北京：人民教育出版社，2020.