數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的影響

1、全國(guó)化學(xué)最優(yōu)課題成果交流材料數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的影響廣州市天河中學(xué) 汪明微 (510630)摘 要： 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備引入高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)將提升了問題探究的深度和廣度，豐富了探究方案設(shè)計(jì)，方便了證據(jù)的收集，形成了科學(xué)的解釋與結(jié)論，清晰、明了的交流、客觀有效的反思與評(píng)價(jià)。關(guān)鍵字： 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備 化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究 教學(xué) 化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，可以說化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)賴以生存并不斷發(fā)展的基礎(chǔ)。從一定意義上說，實(shí)驗(yàn)就是化學(xué)學(xué)科的生命線。抓住“以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)”這一基礎(chǔ)特征，不僅能使學(xué)生加深理解，鞏固化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，更重要的意義在于可以培養(yǎng)學(xué)生形成科學(xué)的思維方式，掌握科學(xué)的研究方法。

2、高中新課程化學(xué)教材把相當(dāng)多的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為探究性實(shí)驗(yàn)，更有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是，嚴(yán)肅認(rèn)真地科學(xué)態(tài)度，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新欲望和創(chuàng)新能力，也有利于使學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)和技能應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和日常生活等方面。在新一輪的課程改革中，科學(xué)探究不僅被作為重要的理念強(qiáng)調(diào)、作為教學(xué)建議提出，而且被列入了課程目標(biāo)和內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)之中。但在中學(xué)開展探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)多年來，特別是在實(shí)行高中新課程這一年來，一直存在以下幾個(gè)困難：一是探究活動(dòng)需要時(shí)間的與緊張課時(shí)的矛盾；二是探究實(shí)驗(yàn)設(shè)備特別是較高精度的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的需要與實(shí)際設(shè)備不足的矛盾；三是課本上驗(yàn)證性

3、實(shí)驗(yàn)過多而探究性實(shí)驗(yàn)不足的矛盾；四是定性實(shí)驗(yàn)過多，定量實(shí)驗(yàn)過少的矛盾；五是探究實(shí)驗(yàn)的過程的體驗(yàn)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)操作要求的矛盾。PASCO數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的引入解決了缺少探究設(shè)備的問題；同時(shí)由于它的快速直觀也緩解了課堂教學(xué)時(shí)間緊張問題；它的靈活、方便、易用性改變了解決了部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過度要求規(guī)范操作導(dǎo)致的重細(xì)節(jié)忽視整體實(shí)驗(yàn)過程體驗(yàn)的問題。從此在中學(xué)化學(xué)大量的定性實(shí)驗(yàn)引入了定量要素，從原有關(guān)注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)變成關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程與原理，再結(jié)合其它科學(xué)探究的要素，從而使中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)由此進(jìn)入了準(zhǔn)科學(xué)探究的階段。下面我們就分析下數(shù)字設(shè)備的引入對(duì)化學(xué)探究活動(dòng)各環(huán)節(jié)帶來的影響：1、 拓展了探究問題的深度和廣度：?jiǎn)栴}是探究活動(dòng)

4、的核心，但是枯燥、平淡的問題味同嚼蠟，不僅無法引起學(xué)生的興趣和注意，反而會(huì)使學(xué)生感到厭煩。數(shù)字化設(shè)備拓展問題探究的廣度，借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，把很多原來只能意會(huì)的問題數(shù)字化、外顯化，他的可攜帶性使實(shí)驗(yàn)可直接應(yīng)用于真實(shí)情境，更容易解決生活中的實(shí)際問題，如用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)定酸雨、水質(zhì)污染等環(huán)境污染問題。數(shù)字化設(shè)備對(duì)探究問題的深度提出了更高的挑戰(zhàn)，如在原電池實(shí)驗(yàn)中，利用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，電極、溶液的相互組合判斷原電池的形成條件及相應(yīng)的正負(fù)極，讓學(xué)生在復(fù)習(xí)交叉分類法的同時(shí)又參與了探究活動(dòng)，實(shí)際上測(cè)得AlCu的電壓還不如ZnCu的高（如圖1），提供了我們繼續(xù)思考的情境，把原電池電極選擇的問題繼續(xù)深化。學(xué)生分析

5、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與圖象可得出：無論從成本還是電壓值方面，都是ZnC電極作電池更合適；電解質(zhì)溶液的選擇的探究也得出了“為何干電池用完后，可注入少量食鹽水，又可以放電”的化學(xué)原因；同學(xué)根據(jù)圖像也可以發(fā)現(xiàn)了電解質(zhì)溶液濃度和電池的電壓值有關(guān)的結(jié)論。圖1 原電池2、 預(yù)測(cè)和假說更具方向性和指導(dǎo)性預(yù)測(cè)與假說是學(xué)生根據(jù)初步的資料與事實(shí)材料，運(yùn)用已知的科學(xué)原理,充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，對(duì)所研究的化學(xué)物質(zhì)的本質(zhì)和規(guī)律提出的一種初步設(shè)想。假設(shè)是一種帶方向性的、有待驗(yàn)證的思想，又是一種組織研究的過程，確定研究邏輯、制定研究途徑的方法。在數(shù)字化設(shè)備的支持下，通過初步方向性探究，提供了大量的有用的數(shù)據(jù)提示，使我們可以縮小預(yù)測(cè)范

6、圍，有效控制預(yù)測(cè)和假說的變量，讓對(duì)問題的預(yù)測(cè)和假說更具方向性和指導(dǎo)性。 3、 豐富了探究方案的選擇數(shù)字化設(shè)備的引入，擴(kuò)大了學(xué)生的參與面，降低了實(shí)驗(yàn)操作水平的要求，同時(shí)也降低了分析難度，由原來的演示實(shí)驗(yàn)變成了可讓每個(gè)學(xué)生都能參與探究的實(shí)驗(yàn)。數(shù)字化設(shè)備的引入，使很多原本傳統(tǒng)中學(xué)階段化學(xué)教學(xué)中無法實(shí)施的實(shí)驗(yàn)方案變得可能，給了我們更多的選擇空間。如提供了用pH探頭和氯離子探實(shí)測(cè)定鹵代烴水解中微小的pH變化和檢驗(yàn)鹵素離子的方案（如圖2）；用比色法測(cè)定銅離子濃度的方案（如圖3）；用稱量法測(cè)定碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)溶液質(zhì)量的變化，并以此來確定反應(yīng)速度的方案；還有用已知濃度強(qiáng)酸滴定未知濃度弱堿等實(shí)驗(yàn)方案。數(shù)字化設(shè)備

7、作為一項(xiàng)工具必定帶來實(shí)驗(yàn)手段和方案設(shè)計(jì)上巨大的改進(jìn)：以前測(cè)摩爾質(zhì)量是用油膜法進(jìn)行測(cè)量，現(xiàn)利用壓力傳感器、溫度傳感器等，利用理想氣體狀態(tài)方程的原理可測(cè)得的丙酮的摩爾質(zhì)量，此方案實(shí)測(cè)得數(shù)據(jù)（58.336g/mol）與理論數(shù)值（58.04 g/mol）的誤差在1%范圍內(nèi)，為測(cè)定摩爾質(zhì)量提供了一種更準(zhǔn)確的方法（圖4、圖5）。如測(cè)定氯離子濃度，以前只能用沉淀法測(cè)定沉淀的氯化銀的質(zhì)量，由于操作中環(huán)節(jié)過多，會(huì)引起較大的誤差，特別是對(duì)低濃度無能為力，引入氯離子電極可方便快速的測(cè)定溶液中氯離子濃縮變化。此方法用在離子反應(yīng)和氯水中各成份的測(cè)定非常有效（圖2）。比色計(jì)的引入又為我們提供了一種測(cè)定離子濃度的新方法（圖

8、3）圖4 利用壓力傳感器和溫度傳感器測(cè)定丙酮摩爾質(zhì)量圖3比色法測(cè)銅離子溶液濃度圖2 氯離子電極和pH計(jì)組合進(jìn)行離子反應(yīng)探究 圖5 丙酮摩爾質(zhì)量測(cè)定的數(shù)據(jù)曲線4、 方便了證據(jù)的收集數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備含：傳感器數(shù)據(jù)采集器計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，計(jì)算機(jī)和傳感器的介入更快更準(zhǔn)確的獲得可連續(xù)的監(jiān)測(cè)和采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了教學(xué)時(shí)間，使精力投入更有創(chuàng)造性的方面。實(shí)踐證明，過分要求操作的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生的精力主要集中在實(shí)驗(yàn)操作上，不利于學(xué)生探究思維的培養(yǎng)。利用探究實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)出來的數(shù)據(jù)和證據(jù)以數(shù)字、圖表為主，更客觀、真實(shí)地展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程和收集到的證據(jù)。 作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是采樣的方法來記錄，容易有疏漏，在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)

9、備中如實(shí) 記錄了每一個(gè)實(shí)給過程的數(shù)據(jù)。特別是對(duì)那些現(xiàn)在沒法解釋的數(shù)據(jù)，記錄下來在以后的學(xué)生中尤為重要。如在比較碳酸鈉與碳酸氫鈉的實(shí)驗(yàn)探究中，比較二者的分解溫度時(shí)，教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是用套管實(shí)驗(yàn)，加熱后利用石灰水變渾濁來檢測(cè)二氧化碳的產(chǎn)生， CO2從試管進(jìn)入導(dǎo)管進(jìn)入石灰水溶液，再和氫氧化鈣反應(yīng)而變渾濁，當(dāng)看到現(xiàn)象時(shí)溫度已經(jīng)遠(yuǎn)超過了分解溫度了。而借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，利用溫度探頭和CO2探頭組合同步測(cè)定，在圖像上CO2濃度增多的一刻就是碳酸氫鈉開始分解的溫度（如圖6）。圖6 碳酸氫鈉的分解溫度測(cè)定的圖像5、 解釋與結(jié)論更加真實(shí)有效 借助數(shù)字化設(shè)備和相關(guān)的數(shù)學(xué)工具進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析，利用已有的原理和方法，充分

10、利用各種科學(xué)探究中的統(tǒng)計(jì)方法，讓我們能透過反應(yīng)現(xiàn)象看反應(yīng)本質(zhì)，使我們的結(jié)論更加科學(xué)，使我們對(duì)問題的解釋更加客觀，真實(shí)、有效。 學(xué)生間相互討論各自對(duì)問題的解釋，能夠引發(fā)新的問題，有助于學(xué)生將實(shí)驗(yàn)證據(jù)、已有的科學(xué)知識(shí)和他們所提出的解釋這三者之間更緊密地了解起來。最終，學(xué)生能解決彼此觀點(diǎn)中的矛盾，鞏固以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的論證。如對(duì)離子反應(yīng)的問題的探究，借助離子選擇性電極我們可以清楚的測(cè)量離子在實(shí)驗(yàn)過程中的變化，哪些減少了，哪些沒變化一目了然，離子反應(yīng)方程式的書寫就變是簡(jiǎn)單易得了。6、 反思與評(píng)價(jià)更加客觀有效的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的引入讓探究活動(dòng)反思更細(xì)致，借助設(shè)備可記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，如在實(shí)驗(yàn)中存在一些數(shù)據(jù)異常，

11、給了我們分析、質(zhì)疑、反思、評(píng)價(jià)時(shí)更客觀的依據(jù)。特別是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)不同的分析，通過同學(xué)們相互質(zhì)疑和討論分析是導(dǎo)致了數(shù)據(jù)結(jié)果有誤的原因。如在油脂的水解這一案例中，設(shè)計(jì)方案中為了讓水解產(chǎn)生的酸多點(diǎn)，更方便測(cè)定，我們用了較多的植物油，但結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)pH測(cè)定數(shù)值不變。通過分析和討論發(fā)現(xiàn)原來是油脂過多，粘在pH探頭上，阻止了pH探頭與溶液的接觸，后將油脂用量減少到1mL，數(shù)據(jù)效果較符合預(yù)測(cè)現(xiàn)象；后在溶液中加入少量乙醇增大油脂在水中的溶解程度，數(shù)據(jù)圖象良好。類似這種在過程中的有效反思貫穿于整個(gè)探究活動(dòng)中。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的引入使評(píng)價(jià)更客觀，更具備發(fā)展性，有利于學(xué)生的成長(zhǎng)。如在配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液時(shí)，由

12、于課堂教學(xué)中教師不可能一一觀察到所有學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作是否規(guī)范，只憑最后定容是否準(zhǔn)確而不是根據(jù)溶液濃度是否準(zhǔn)確來判斷，這種做法當(dāng)然有失偏頗。借助離子電極或電導(dǎo)率儀或密度計(jì)可以立即測(cè)定出氯化鈉溶液濃度是否與要求相符，也給了學(xué)生反思的空間，學(xué)會(huì)誤差分析，學(xué)會(huì)如何在實(shí)驗(yàn)中有效的控制誤差。這種誤差分析和控制也是新課標(biāo)對(duì)學(xué)生提出的能力要求。7、 表達(dá)和交流更加清晰、明了的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備讓學(xué)生分享探究心得的體會(huì)時(shí)的表達(dá)與交流更清晰、明了，特別是DaTaStadio中活頁簿的使用，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖像與實(shí)驗(yàn)錄像的同步回放，可分析每一實(shí)驗(yàn)不同時(shí)間段的情況，更方便的再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)當(dāng)時(shí)的真實(shí)情境，在這種回放情境中相互的表達(dá)和交

13、流是更加容易讓人理解，產(chǎn)生共鳴（如圖7）。同樣的功能若用在高考實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)階段，復(fù)習(xí)效率將會(huì)大大提高。 圖7 用活頁簿真實(shí)記錄和再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景PASCO數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的引入也給我們帶來了較大的挑戰(zhàn)，我們需要解決好以下幾個(gè)問題：1、觀念問題，PASCO數(shù)字化設(shè)備是化學(xué)探究活動(dòng)的最好載體，但也可能是應(yīng)試的最佳方式，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中教師可能存在穿新鞋走老路的問題，不利于探究活動(dòng)的開展。2、由于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在國(guó)內(nèi)是較新的概念，儀器的使用雖然方便，但畢竟和我們傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段有較大差異，仍需要加大使用的培訓(xùn)和輔導(dǎo)力度。3、教師長(zhǎng)期適應(yīng)了教教材，對(duì)教材的加工能力不足，對(duì)教材重組和開發(fā)能力較低。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的引入將要重

14、組課本上的探究實(shí)驗(yàn)，教師需要有力支持，特別是在使用初級(jí)階段，需要有相應(yīng)的教材引領(lǐng)。4、教師長(zhǎng)期接受了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)存在對(duì)探究實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用不足問題，不利于探究活動(dòng)的開展。5、數(shù)字化設(shè)備對(duì)學(xué)生的科學(xué)探究方法、學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、數(shù)字處理能力有較高的要求。數(shù)字化設(shè)備引入的數(shù)據(jù)，最終是需要通過分析才能產(chǎn)生解釋與結(jié)論。但如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的取舍，如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的校正，如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算等等如中和滴定求中和點(diǎn)時(shí)要用到原來大學(xué)才能用到的求導(dǎo)的概念，這些也是我們面臨的重大挑戰(zhàn)，需要教師和學(xué)生的共同努力、共同學(xué)習(xí)來克服。總之，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的應(yīng)用，給我們的教學(xué)活動(dòng)帶來新的翅膀，為探究活動(dòng)提供了最佳的手段。當(dāng)然，由于各種因素的制約，我國(guó)的中學(xué)化學(xué)教材中的實(shí)驗(yàn)手段只相當(dāng)于十九世紀(jì)中葉水平，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備在我