初中化学数字化实验教学策略探讨

摘   要：采用传感器技术的数字化实验作为一种新型的实验方法，是常规实验手段的重要补充和拓展。在初中化学教学中引入数字化实验，有助于化学基本概念和原理的教学，能够培养学生的实验探究能力和团队合作能力。初中化学数字化实验，丰富了研究性学习和综合实践活动的实验手段。如何有效地进行初中化学数字化实验教学是化学教学与现代教育技术融合的有益探索。

关键词：数字化实验;初中化学;教学策略

作者简介：杨银分，湖北省武汉市光谷实验中学教师，中学高级教师，武汉市学科带头人。（湖北  武汉  430223）

中图分类号：G633.8      文献标识码：A      文章编号：1671-0568（2019）25-0106-02

数字化实验，又称手持技术，是指在掌上就可以操作的技术，是一种常用的传感器技术。数字化实验仪器由数据采集器、传感器、配套的软件和计算机组成。数据采集器由常规仪器组合而成。传感器和配套的软件可以定量地采集各种数据。将数据采集器、传感器与计算机等电子设备连接，能准确记录相关数据并保存下来。

数字化实验系统采用了不同的传感器，可以采集包括电流、电压、光强度、温度、气压、pH、溶解氧、二氧化碳浓度、离子浓度、相对湿度等数据。数字化实验仪器便于携带，适合帮助学生开展研究性学习。数字化实验可以用数据记录和呈现某些不易观察的现象，可用于对某些常规化学实验进行改进和创新。数字化实验采用定量方法研究物质的变化及变化规律，比传统实验方法更先进、便捷、实时、准确、综合、直观。目前很多学校都在尝试将数字化实验技术引入化学教学。大多数高校已经建立完备的手持技术实验室，部分中小学也先后配备了数字化实验仪器。

研究表明，采用手持技术的实验教学可以进一步激发学生的学习兴趣和探究热情，加深学生对某些化学概念的理解，提高学生对图像的认知能力，增强学生的团队合作意识，为中学化学实验教学提供一种良好的、可供选择的教育手段。数字化实验可以丰富研究性学习和综合实践活动，如何有效进行初中化学数字化实验教学是化学教学与现代教育技术融合的有益探索。

一、选择时机，统筹安排，优势互补

初中化学教学应合理统筹安排传统实验与数字化实验，把握数字化实验教学时机，实现优势互补。初中化学传统实验和数字化实验各有优势，数字化实验完全取代化学传统实验并不可取。教学中，教师应根据实际教学实验内容将两者有机结合起来，以传统化学实验为主，以数字化实验为辅。

初中化学传统实验主要是定性实验，着眼于培养学生规范使用仪器，熟悉实验基本操作，引导学生关注物质性质、物质变化、物质变化过程以及对结果的解释和讨论。初中化学数字化實验都是定量实验，通过电子设备采集、记录数据，并用表格或图像的方式呈现出来，着眼于培养学生对数据的分析和处理能力。在初中化学教学中引入数字化实验，可以培养学生获取信息、读表识图能力，为学生化学核心素养的培养打下坚实的基础。

初中化学教学引进数字化实验最好安排在学完第二单元之后。初中化学是一个启蒙学科，学习需要有一个建模的过程，学生只有在初步熟悉常用仪器的规范使用、化学实验基本操作以及接触一些化学反应后，才能初步理解数字化实验的原理，规范完成数字化实验。教学中，教师要处理好传统化学实验和师生互动教学的关系。传统化学实验要与传统的教学方法相配套，即以教师讲述、演示实验为主，以学生分组实验为辅。而中学化学数字化实验的课堂教学则是以学生为主体，教师为主导，突出表现为师生、生生互动。数字化实验作为一项先进的技术引入课堂教学并广泛应用，是一个长期的过程，不能操之过急。探究性实验作为对传统实验的有效补充和引领，需要引入数字化实验，并更新方法。中学化学数字化实验不能完全代替传统化学实验，它与传统化学实验优势互补、相得益彰。

二、分阶段实施，加强实验互动探究，培养综合素质

初中化学数字化实验教学不能操之过急，实施过程大体可分为三个阶段：

1.“教师拉着学生走”教师强化示范为主，学生领悟模仿为辅。这一阶段主要是教师演示、学生观摩然后模仿教师完成实验。学完第二单元后，学生已经具备基本的实验操作能力，教师可以补充性地进行某些数字化实验，弥补常规实验中的不足。教师可以选取教材中合适的实验素材加以改编，然后给学生演示，学生模仿教师的操作设计并进行实验。

【案例1】用压强传感器探究空气中氧气的体积含量

图1所示装置可用于测定空气中氧气的含量，其中与集气瓶相连的压强传感器等电子设备能将集气瓶内气体压强精确地记录并保存下来。图2是用该装置测量红磷在集气瓶中燃烧的压强—时间关系图（该装置气密性良好，p0是集气瓶内初始气压，p是反应结束后恢复到室温时集气瓶内的气压）。

学完第二单元后，教师可以运用数字化实验仪器测量红磷燃烧过程中集气瓶内气压的变化，分析空气中氧气含量。然后学生模仿教师的操作，测量木炭燃烧过程中集气瓶内气压的变化，得到如图3曲线。通过分析曲线，学生可以进一步理解测定空气中氧气含量应该用红磷或白磷，而不能用木炭，这是因为木炭燃烧后会生成新的气体。

学生通过模仿数字化实验，练习传统实验的基本实验操作，熟悉传感器的使用，可以进一步明确用燃烧法测定空气中氧气的体积分数的原理和要求，学会对图标数据进行分析。在这个过程中，学生可以获得成就感，进而增强学习化学的兴趣和动力。

2.“教师引着学生走”学生设计和实验为主，教师引导和帮助为辅。本阶段教师可以根据学生关注点，选择合适的问题，引导学生通过查阅资料和小组讨论，设计实验方案。然后教师进行指导，优化实验方案，小组学生按照优化的实验方案进行实验。在这个过程中，学生可能会经历困惑失败，教师要适时给予指导和纠正，引导学生分析实验数据，最终得出实验结论。同时，教师可以让学生对实验过程进行评价和反思，进一步优化实验方案，集结实验探究案例。

【案例2】用相对湿度传感器验证氢氧化钠的吸水性

问题的提出：氢氧化钠在空气中，表面潮解变湿，是因为氢氧化钠吸收了空气中的水蒸气。怎样用数字化实验验证氢氧化钠的吸水性呢？

教师指导学生在集气瓶中加入氢氧化钠固体，然后测量相对湿度来验证氢氧化钠的吸水性，引导学生完成如下实验。

实验步骤：连接装置，检查装置气密性后加入氢氧化钠固体，连接相对湿度传感器;观察数据，记录数据（如图4）。

实验结论：通过分析实验数据可知，密闭装置中相对湿度减少，说明装置内的水蒸气不断被吸收;最后相对湿度为零，此时装置内为干燥的空气，从而得出结论：氢氧化钠固体具有吸水性。

学生在教师的引导下进行自主探究，亲身体验实验过程，这不仅锻炼了学生的探究性思维，而且培养了学生实事求是和认真反思的科学态度和精神，提高了学生的创新意识和实践探究能力。

3.“学生摸着石头走” 学生独立设计和实验为主，教师鼓励和评价为辅。本阶段教师根据教材和课标提供不同的实验主题，小组同学根据自己的兴趣选择相应的主题，然后进行小组讨论设计实验方案。小组根据自己的实验方案进行实验，如果失败，则进一步优化或改进实验方案，重新进行实验。接下来学生根据教师和其他小组同学的评价进行反思和总结。最后，小组学生提出具有探究价值的实验课题，进行新一轮的实验探究。

【案例3】教师可以设置以下问题：如何运用离子浓度传感器（或温度传感器、PH传感器）验证中和反应的发生？如何让运用二氧化碳、氧气传感器、相對湿度传感器比较人体吸入的空气和呼出气体的成分？如何设计实验验证浓硫酸的吸水性？如何设计实验探究硝酸铵、氢氧化钠、氯化钠溶于水时的温度变化？

这个阶段学生会遇到困难、挫折，甚至会因得出错误的结论而气馁灰心，教师要适时地进行鼓励和评价。只有经历了这个阶段，学生才具有独立探究的能力，才能独自面对学习、生活中的困难与挫折。学生在这个过程中会获得极大的科学成就感、体验感和满足感，有利于激发学生的创新动力。

在初中化学教学中引入数字化实验，能有效帮助学生理解化学基本概念和原理。在初中化学教学中，教师合理运用数字化实验和传统化学实验，并亲身示范，合理引导学生，不仅能丰富研究性学习和综合实践活动的实验手段，还能最大限度地培养学生的实验探究能力和团队合作能力。

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