数字化实验在高中化学教学中的应用研究

徐海波

(宜昌市第一中学,湖北 宜昌 443000)

自使用新教材以来,数字化实验越来越多地在教材中得到体现.如人教版高中化学必修第一册第45页“验证次氯酸光照分解产物的数字化实验”中,首次明确了使用数字化仪器进行化学实验.其中学生新接触的仪器有:pH传感器、氯离子传感器、氧气传感器.利用传感器和信息处理终端进行实验数据的采集和分析,让学生分析最终实验结果,得出结论.该节实验课的开设,开拓了学生理论知识学习的新方式,加强了概念理解过程中的证据推理过程,同时正式明确了数字化实验教学在高中化学教学中的地位.

我校自建立数字实验室以来,全体化学教师均全面系统地参与了数字化仪器的使用培训,并积极将数字化实验应用在课堂以及日常教研和各类优课竞赛中,均取得了不错的效果.数字化实验教学的开展,也将教师和学生从重点关注实验现象引入到关注实验过程与原理,将化学实验带入到准科学探究的阶段.教师也逐渐在改变实验教学方式,从“直接性、强制背记”的方式转变为“引导性、形象化”为理论依据,进行证据推理,促进学生必备能力的形成和素养的发展.下面就数字化实验对高中化学教学带来的影响进行简单的探讨.

1 有助于加强学生对概念的理解,强化理论知识的学习

高中化学教学中,概念的学习是基础环节,但同时也是教师教学的难点.学生往往就是因为对概念理解不透彻和表达不完整,导致在后续学习中无法系统地掌握知识体系.而部分理论知识的学习,因为教师教学缺乏证据支撑,导致学生只能“死记硬背”,学生也在学习过程中逐渐丧失学习乐趣,缺乏应用知识的能力[1].化学中的离子反应、弱电解质的电离、分子间作用力、化学平衡等概念教学,都可以通过数字化实验教学来加强学生对概念的理解.像我校青年教师在参加全市“高中化学素养课堂”教学竞赛中,“水的电离和溶液的pH”一课就应用了数字化实验探究温度对水的电离平衡的影响.

数字化实验应用部分:

【微观探析】测定不同温度时蒸馏水的电导率

实验仪器及用品:温度传感器、电导率传感器、磁力加热搅拌器、烧杯等.

已备知识:水的电离程度越大,离子浓度越大,水的电导率越大.

实验现象:随着温度的升高,蒸馏水的电导率呈增大趋势.

实验结论:升高温度,水的电离平衡正向移动.

设计意图:(1)结合前面所学弱电解质相关知识推导影响水电离平衡的因素,培养证据推理意识,注重前后知识衔接和学生由浅入深的认知特点;(2)数字化实验仪器可以测得实验中的某些细微变化,将不易观察的实验现象呈现成数据,进而得出结论.提高学生总结实验现象、归纳实验结论的能力,培养证据意识;(3)通过实验具体操作提高学生实验操作能力,规范学生实验操作技能,通过对实验数据的分析提高学生分析实验数据并总结规律的能力.

本堂课数字化实验的应用,对实验探究有如下影响:一是方便了证据的收集.电导率传感器的使用,可以更快更准确地获得可连续的监测和采集实验数据,让学生将更多的精力投入到其他更有创造性的方面,而非像传统实验一样需要紧盯实验现象.另外,设备测出来的数据和证据以图表和数字为主,更为直观.二是解释和结论更加直观有效.根据实验现象,随着温度的升高,蒸馏水的电导率呈增大趋势,可以直观地得出实验结论,培养了学生证据意识.

2 有助于拓展探究问题的深度和广度,丰富学生知识体系

探究式教学在日常教学中广被教师应用,但如果探究的问题枯燥和平淡,学生将会失去探究的乐趣.数字化实验可以将有些原来学生只能“意会”的问题数字化、外显化,让学生通过观察实验数据,拓展探究问题的深度和广度,进而丰富知识体系.我校另一名青年教师在参加省“高中化学素养课堂”竞赛时,“CaCl2溶液和NaHCO3溶液的反应原理及应用”一课选择使用数字化实验来探讨其反应原理中是否有二氧化碳气体生成.

数字化实验应用部分教学设计:

【微观探析】测定0.20 mol/L的CaCl2和NaHCO3溶液混合后有无CO2气体产生

实验仪器及用品:二氧化碳传感器、烧杯等.

【已有结论】根据实验现象可知,0.20 mol/L的CaCl2和NaHCO3溶液混合后,溶液变浑浊,有CaCO3沉淀生成.……

【教师追问】刚才的实验中大家有没有观察到气泡?

【学生回答】没有.

【核心提示】没有气泡,可能是二氧化碳的生成速率很慢或者二氧化碳生成量很少.

【教师示范】我们用二氧化碳传感器来检测实验中究竟是否有二氧化碳生成.

【核心提示】曲线表明,二氧化碳的浓度在增大,说明该反应中确实有二氧化碳生成.

【任务驱动】请同学们写出两者反应的化学方程式.

3 有助于创设不同的导入情景,激发学生学习的热情

情景的创设是否精彩是一节课成功与否的重要基础.教师常采用化学史科普、真实情境、科学视野等来创设新课导入情景,达到激发学生学习热情的目的.如果能将数字化实验作为一节课的情景导入,也可以进一步点燃学生的学习热情[2].比如在学习新课“有关化学反应速率的测定实验”时,我校青年教师通过带领学生对教材实验设计进行质疑,然后开展了“运用数字化仪器对化学反应速率测定实验的改进”一课,效果优秀,学生反应激烈.

数字化实验应用部分:

【微观探析】测定浓度(锌与不同浓度硫酸反应)对化学反应速率的影响

实验仪器及用品:温度传感器和气体压强传感器、电子天平、1 000 mL抽滤瓶、250 mL容量瓶、量筒、烧杯、玻璃棒等.

改进后的实验装置如图1所示.

图1 改进后实验装置图

数字化实验结果如图2所示.

图2 数字化实验结果

【实验创新要点】

(1)选取适量的锌粒和合适浓度的硫酸溶液,在抗压能力较大的抽滤瓶中进行反应;

(2)使用数字化仪器,将不易直接观察的物理量直观可视化,同时提高了实验的准确性;

(3)解决了在非标准状况下,通过气体的体积计算化学反应速率的问题;

(4)通过一次实验完成了测定不同浓度下硫酸与锌的反应速率,更好的为下一节“影响化学反应速率的因素”做铺垫.

本堂课数字化实验的应用,对新授课有几个影响.一是完善了实验设计的准确性.课本实验是通过测定活泼金属与酸反应产生相同体积气体时所需要的时间来达到测量化学反应速率的目的,但是忽略了反应过程中金属与酸反应温度的变化等因素.而利用数字化仪器采集数据,提高了实验的准确性,解决了在非标准状况下,有气体参与时,化学反应速率的计算问题,得出更准确的结论.二是反思和评价更加客观有效.数字化实验仪器的引入让探究活动过程记录更细致更完整,使分析、质疑、反思和评价时有了更客观的依据.该实验设计同样存在着不足,在课堂上有学生质疑反应体系温度不均匀,温度传感器局限于测定反应体系的局部温度,整个实验还存在一定误差.所以数字化实验的开展能使评价更为客观和更具备发展性,有利于学生的成长,能培养学生严谨的科学态度和辩证思维.