數(shù)字化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為情境試題的策略與教學(xué)價(jià)值

摘要：為充分發(fā)揮信息技術(shù)和情境試題的教學(xué)優(yōu)勢，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，教師有必要分析數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題的特點(diǎn)，總結(jié)并運(yùn)用將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為情境試題的具體策略，發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題的教學(xué)價(jià)值。電解法測定阿伏伽德羅常數(shù)的實(shí)踐證明，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題的設(shè)計(jì)與應(yīng)用不僅有助于糾偏，避免教師步入誤區(qū)，而且能突破教學(xué)難點(diǎn)，有效提高學(xué)生在信息整合、定量分析和概括表達(dá)等方面的高階思維能力。關(guān)鍵詞：化學(xué)；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；情境試題；教學(xué)價(jià)值在現(xiàn)代教育實(shí)踐中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)已成為重要的教學(xué)手段，它既具備跟傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)類似的真實(shí)性和可操作性，又可為學(xué)生提供充足可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及便利的實(shí)驗(yàn)分析工具，還極大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，為學(xué)生拓展了實(shí)踐領(lǐng)域。情境試題是一種依托現(xiàn)實(shí)生活與科學(xué)情境，且緊密融合理論知識與實(shí)際問題的考試形式。教師設(shè)計(jì)情境試題旨在評估學(xué)生在特定情境中運(yùn)用知識解決實(shí)際問題的能力，強(qiáng)調(diào)知識的實(shí)際與綜合運(yùn)用。教師用情境試題進(jìn)行測試能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提升其分析和解決問題的能力，進(jìn)而培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。目前，情境試題已逐步成為各類考試的重要組成部分。筆者將以電解法測定阿伏伽德羅常數(shù)為例，闡述將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為情境試題的具體實(shí)施策略和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題的教學(xué)價(jià)值。一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題的特點(diǎn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題[1，2]充分展現(xiàn)了實(shí)踐性與應(yīng)用性特點(diǎn)。此類試題以實(shí)際實(shí)驗(yàn)為背景，要求學(xué)生在掌握基本知識的基礎(chǔ)上，運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題，從而培養(yǎng)其問題解決能力和實(shí)踐能力。同時，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題涉及多個知識領(lǐng)域，鼓勵學(xué)生在分析問題時綜合運(yùn)用所學(xué)知識，以提升知識整合能力并培養(yǎng)創(chuàng)新精神。教師借助計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子儀器等設(shè)備，命制數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題將實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行數(shù)字化呈現(xiàn)，使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀，有助于學(xué)生理解和掌握實(shí)驗(yàn)原理。此外，此類試題具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，教師可根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和能力水平進(jìn)行調(diào)整（修改和更新），以滿足多樣化的教學(xué)需求。教師用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題能全面評價(jià)學(xué)生的知識水平、應(yīng)用能力和創(chuàng)新精神。二、將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為情境試題的策略如何將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為情境試題？教師需深入理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵，結(jié)合實(shí)際情境設(shè)計(jì)問題，并考慮試題難度與梯度。這種試題的設(shè)計(jì)與應(yīng)用有助于教師更好地評估學(xué)生知識應(yīng)用能力與問題解決能力，并在真實(shí)情境中促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決問題。筆者以電解法測定阿伏伽德羅常數(shù)為例，闡述將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為情境試題的策略。（一）明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與要求在將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為情境試題過程中，教師應(yīng)明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與要求。首先，需科學(xué)設(shè)置實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，如提高學(xué)生信息整合、定量分析和概括表達(dá)能力。其次，根據(jù)目標(biāo)確定實(shí)驗(yàn)要求，如要求學(xué)生完成特定實(shí)驗(yàn)操作、收集分析數(shù)據(jù)或解決特定情境問題。以測定阿伏伽德羅常數(shù)實(shí)驗(yàn)為例，教師將提高學(xué)生定量分析能力定為目標(biāo)，要求學(xué)生借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器采集數(shù)據(jù)，利用軟件進(jìn)行分析，并基于分析結(jié)果解決相關(guān)化學(xué)問題。（二）選擇合適的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器在將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為情境試題的過程中，選擇合適的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器與軟件至關(guān)重要。例如，在阿伏伽德羅常數(shù)測定實(shí)驗(yàn)中，選用的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)滿足建立宏觀與微觀聯(lián)系的需求。如果使用電化學(xué)方法，則需要實(shí)現(xiàn)宏觀電量與微觀電子數(shù)之間的轉(zhuǎn)換?？尚械淖龇ㄊ沁x用電流傳感器或電壓傳感器結(jié)合恒定電阻，再結(jié)合電解池或原電池實(shí)驗(yàn)來完成阿伏伽德羅常數(shù)的測定。（三）設(shè)計(jì)合理的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并采集數(shù)據(jù)[3]針對電解法測定阿伏伽德羅常數(shù)，如何設(shè)計(jì)合理的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?.設(shè)計(jì)測量電量的方案在電路中串聯(lián)一個恒定0.18Ω的電阻，利用數(shù)據(jù)采集器結(jié)合電壓傳感器測量電解過程中此電阻的電壓隨時間變化量，系統(tǒng)自動對時間積分（電壓單位是V，時間單位是s），積分值除以0.18Ω可得到反應(yīng)過程的電量。2.利用電鍍銅實(shí)驗(yàn)結(jié)合電壓傳感器測定阿伏伽德羅常數(shù)用兩塊已知質(zhì)量的銅片分別作為陰極和陽極，以銅氨溶液作電解液進(jìn)行電解，在陰極上銅氨溶液電離的Cu2+獲得電子后析出金屬銅，使得陰極質(zhì)量增加；在陽極上等量的金屬銅溶解進(jìn)入溶液，陽極質(zhì)量減少。由于銅電極通常有雜質(zhì)，人們一般用陰極增重的方式計(jì)量反應(yīng)的量。陰極的電極反應(yīng)式為［Cu（NH3）4］2++2e-=Cu+4NH3，陰極質(zhì)量的增量和轉(zhuǎn)移的電子數(shù)存在定量關(guān)系。教師測定陰極增加的質(zhì)量和電路的電量［1個電子的電量（1.6×10-19C）］，建立宏觀和微觀的關(guān)系，計(jì)算阿伏伽德羅常數(shù)。3.對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以銅作為電極用10V電壓電解銅氨溶液40分鐘，填寫實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)（見表1）。計(jì)算結(jié)果如下（見表2）。（四）將“電解法測定阿伏伽德羅常數(shù)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”轉(zhuǎn)化為情境試題根據(jù)電解法測定阿伏伽德羅常數(shù)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師設(shè)計(jì)了以下8道情境試題，用來評估學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的理解與應(yīng)用能力。這些試題要求學(xué)生熟練掌握實(shí)驗(yàn)的原理，并能夠在實(shí)際操作中運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題。①請描述電解實(shí)驗(yàn)中離子的運(yùn)動方向并寫出電極反應(yīng)方程式。命制此題旨在檢驗(yàn)學(xué)生對電解池工作原理的理解程度。②請正確連接各儀器完成實(shí)驗(yàn)。此題要求學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合，基于實(shí)際操作檢驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)原理的掌握程度。③如果陰極產(chǎn)生的銅不致密，對實(shí)驗(yàn)會產(chǎn)生什么影響？如何讓陰極產(chǎn)生的銅更加致密？命制此題旨在讓學(xué)生基于實(shí)踐操作理解致密銅的重要性，以減少誤差。④如何減小測量陰極析出銅質(zhì)量的誤差？此題要求學(xué)生從實(shí)驗(yàn)操作的角度出發(fā)，思考減小誤差的方法。⑤請描述電解法測定阿伏伽德羅常數(shù)的實(shí)驗(yàn)原理。命制此題旨在檢驗(yàn)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的掌握程度，并鍛煉學(xué)生的信息整合與概括表達(dá)能力。⑥請列出計(jì)算阿伏伽德羅常數(shù)的表達(dá)式。此題在問題五的基礎(chǔ)上，增加了定量分析的要求，旨在提高學(xué)生的高階思維能力。⑦根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，思考實(shí)驗(yàn)過程中需要測量哪些量？此題是第五個問題和第六個問題的反向設(shè)問，旨在評估學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程的理解程度，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的高階思維能力。⑧請利用相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算阿伏伽德羅常數(shù)。此題要求學(xué)生理解原理，整合信息，進(jìn)行定量計(jì)算，并注意物理量的量綱。此題可以檢驗(yàn)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理與操作的全面掌握程度。教師合理設(shè)計(jì)情境試題，能夠有效評估學(xué)生對電解法測定阿伏伽德羅常數(shù)實(shí)驗(yàn)的理解與應(yīng)用能力。同時，這些試題也具有一定的趣味性和挑戰(zhàn)性，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高其實(shí)驗(yàn)技能與理論知識水平。教師可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整試題難度與數(shù)量，以滿足不同層次學(xué)生的需求。三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題的教學(xué)價(jià)值（一）利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題糾正教學(xué)偏誤中學(xué)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容是有限的，存在一定局限性，不少師生對一些問題存在認(rèn)識偏差。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以幫助教師糾正教學(xué)偏誤。遺憾的是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的普及程度不高，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題能彌補(bǔ)這一遺憾。例如，硫酸銅溶液水解顯酸性，醋酸鈉溶液水解顯堿性。過去，討論正鹽溶液的pH，人們只關(guān)注水解的影響。溫度升高促進(jìn)鹽的水解——人們認(rèn)為硫酸銅溶液pH隨溫度升高而降低，醋酸鈉溶液的pH隨溫度升高而升高。然而，北京高考2019年第12題的實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了背后更深層次的原因。該實(shí)驗(yàn)中，測定了醋酸鈉溶液、硫酸銅溶液和水的pH，讓學(xué)生觀察其隨溫度變化的曲線。觀察的結(jié)果令人驚訝——硫酸銅溶液和醋酸鈉溶液的pH均隨著溫度的升高而降低。造成這一結(jié)果的原因在于，過去師生分析鹽溶液的pH時，忽略了水的電離程度這一重要因素。事實(shí)上，隨著溫度升高，水的電離程度也會隨之增大，水電離產(chǎn)生的氫離子和氫氧根離子濃度會增大，從而影響溶液pH。分析這類情境試題，可以更深入地理解溫度、水的電離程度與鹽類水解程度跟溶液pH的關(guān)系。這也提醒師生在分析問題時，要全面考慮各種因素，透過現(xiàn)象洞悉本質(zhì)，并為今后的研究和實(shí)踐提供更為可靠的依據(jù)。（二）借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題突破教學(xué)難點(diǎn)學(xué)生對于化學(xué)教學(xué)中諸多迷思概念容易混淆，根本原因在于不理解其本質(zhì)。電離方程式的書寫就是其中之一。許多學(xué)生在書寫電離方程式時，往往錯誤地加上“通電”條件。這種錯誤的認(rèn)識源于他們對電離過程的理解不深，實(shí)際上，電離過程并不需要通電。2019年人教版化學(xué)教材對電解質(zhì)給出了定義：在水溶液里或熔融狀態(tài)下能夠?qū)щ姷幕衔锉环Q為電解質(zhì)。這一定義從導(dǎo)電性的角度明確了電解質(zhì)的特性。該解釋并未揭示電解質(zhì)在水中離解的本質(zhì)。為了進(jìn)一步闡述電離過程的自發(fā)性，教師可以借鑒化學(xué)史上的研究成果，并利用不銹鋼寬范圍溫度傳感器和電導(dǎo)率傳感器，測量溶液的沸點(diǎn)和電導(dǎo)率相對于純水的變化[4]。根據(jù)溶液的依數(shù)性，師生可以測量溶液沸點(diǎn)升高的數(shù)值，反推出溶液中分散微粒的質(zhì)量摩爾濃度。這樣一來，師生就可以從溶質(zhì)在溶液中微粒數(shù)量改變情況出發(fā)，討論溶質(zhì)在溶液中的電離行為。在測量沸點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)過程中，教師僅對體系加熱而未通電。這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為解釋電離過程的自發(fā)性提供了有力證據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電離是電解質(zhì)在溶液中受水分子的作用而自發(fā)地解離，這一過程并不需要通電。教師解釋電離本質(zhì)讓學(xué)生清晰地理解溶液中電解質(zhì)電離的原因。數(shù)字化傳感器在當(dāng)前并不是所有學(xué)校都具備，稀溶液的依數(shù)性也不是所有教師熟知。如果能將這一數(shù)字化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成情境試題，學(xué)生在做題過程中，就會從微觀角度理解電解質(zhì)導(dǎo)電本質(zhì)。情境試題可以幫助突破電離的教學(xué)難點(diǎn)，加深學(xué)生對化學(xué)知識的理解和掌握程度。（三）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題助力學(xué)生高階思維培養(yǎng)1.助力學(xué)生信息整合能力提升教師以真實(shí)且具體的問題情境為載體命制數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題，旨在協(xié)助學(xué)生將抽象的知識與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，進(jìn)而更好地理解和掌握相關(guān)知識。此類試題要求學(xué)生具有扎實(shí)的知識功底和一定的信息整合能力，從復(fù)雜的情境中提煉關(guān)鍵信息，并利用所學(xué)知識解決問題。在作答阿伏伽德羅常數(shù)測定的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題過程中，學(xué)生需利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用圖像解析、數(shù)據(jù)處理等方法，整合相關(guān)信息并得出結(jié)論。這不僅鍛煉了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，而且提升了他們的信息整合能力。教師可在試題中融入更多實(shí)際情境，如工業(yè)生產(chǎn)、日常生活等，讓學(xué)生面對更為復(fù)雜的問題。2.促進(jìn)學(xué)生定量分析能力提升教師設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題，基于真實(shí)、生動的實(shí)驗(yàn)情境，引導(dǎo)學(xué)生深入探究問題，讓他們在解決問題的過程中提升定量分析能力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以圖表、圖像等形式呈現(xiàn)，便于學(xué)生觀察、分析和解讀數(shù)據(jù)，挖掘其中的規(guī)律和趨勢。例如，在阿伏伽德羅常數(shù)測定的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，理解陰極質(zhì)量變化和電子數(shù)目之間的定量關(guān)系，建立宏觀和微觀的聯(lián)系。在這一分析過程中，學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)知識對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、建模和解釋，從而提升了定量分析能力。3.助力學(xué)生概括表達(dá)能力提升教師命制數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題，設(shè)置真實(shí)、生動的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生深入探究問題背后的科學(xué)原理，從而提升學(xué)生的概括表達(dá)能力。這種概括表達(dá)能力包括對實(shí)驗(yàn)原理的解釋和總結(jié)能力，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理能力，以及對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的推理和表達(dá)能力。在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題的解答過程中，學(xué)生需從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵信息，運(yùn)用科學(xué)方法進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上科學(xué)地解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這不僅鍛煉了學(xué)生的邏輯思維和推理能力，而且有助于培養(yǎng)他們解決問題的能力和創(chuàng)新思維能力。為更好地發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)情境試題在提升學(xué)生概括表達(dá)能力方面的作用，教師在試題設(shè)計(jì)時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：首先