数字化实验在高中化学教学中的应用研究

［摘 要］随着高中新课程改革的全面推进，数字化手持技术作为一种新型授课手段已逐渐在高中化学实验教学中得到广泛应用。文章阐述了数字化实验的概念、特点，并通过分析数字化实验在高中化学教学中的应用案例，为高中化学教学改革提供新的思路与方法。

［关键词］数字化；实验探究；高中化学

［中图分类号］    G633.8                ［文献标识码］    A                ［文章编号］    1674-6058（2024）32-0075-03

2023年2月，教育部成功举办了首届“世界数字教育大会”，大会以“数字变革与教育未来”为主题，围绕数字化转型、数字学习资源的开发与应用、师生数字素养的提升等议题进行了深入交流与讨论。此次大会旨在推进新技术与教育教学的深度融合，加快教育数字化转型的步伐，以期实现全球教育的持续发展。国务院副总理孙春兰在开幕式上强调，现代信息技术对教育发展具有深远且革命性的影响，是推动教育创新和进步的关键力量。将数字化实验应用于高中化学教学，不仅是教育信息化发展的时代需求，而且契合化学课程标准的理念，能满足学生化学学科核心素养发展的要求。

一、数字化实验的概念与特点

数字化实验是一种由传感器、数据采集器、接口设备及配套计算机软件构成的新型现代化实验技术。它可以对实验中的物理量，如温度、压强、pH、电导率、浊度等进行实时测量、采集，并完成数据处理和分析任务，最终以数图结合的方式呈现实验结果。由于数字化实验所用的仪器通常体积较小，便于手持操作，因此也常被称为“手持技术”，其具有以下特点。

1.直观性：数字化实验能够将实验结果以数字、图表、曲线等多种形式直观呈现，帮助学生更加清晰地理解实验过程和现象，以及实验所揭示的规律。

2.实时性：数字化实验能快速采集实验数据，数据的即时变化与实验过程同步。在数据采集过程中，还可以根据需要设置采集频率、时间等。

3.精确性：数字化实验能够高精度、高灵敏度地测量各种物理量和化学参数，有效减少人为误差和仪器误差，使实验结果更加精准可靠，实验结论更具科学性和说服力。

4.高效性：数字化实验研究涉及数学、物理、化学、生物等多个学科领域，可对实验进行多因素、多维度的综合探究，提升实验效率。

二、数字化实验在高中化学教学中的应用

化学实验是研究和学习物质及其变化的基本方法，是科学探究的一种重要途径。借助数字化实验对传统实验进行优化整合，有助于学生更直观地理解微观层面的本质问题。数字化实验在高中化学教学中的应用主要体现在以下几个方面。

（一）激发学习兴趣，鼓励自主探究

数字化实验以其新颖性和直观性，将原本枯燥的知识变得生动有趣，吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣。通过参与数字化实验，学生能够更深入地了解化学知识的实际应用，从而增加对化学学科的认知和情感投入。同时，数字化实验要求学生自主操作、观察和分析实验结果，这有助于培养学生的探究精神。

以“探究次氯酸光照分解产物”教学为例，可将pH传感器、氯离子传感器、氧气传感器分别插入盛有新制氯水的广口瓶中，再将这三种传感器分别与数据采集器及计算机连接。随后，用强光照射氯水，同时采集数据。此实验能够测定光照过程中氯水的pH、氯离子浓度以及广口瓶中氧气的体积分数变化情况。实验图像显示，氯水的pH减小，溶液中氯离子浓度增大，体系中的氧气不断增多。经分析，次氯酸在光照下分解生成了氯化氢，使得溶液酸性增强，同时还生成了氧气，学生由此可进一步获知久置氯水失去漂白性的原因。通过这类多变量探究实验，学生能够更加深刻地理解化学反应的本质，实现高效学习。这样的探究实验不仅激发了学生对化学实验的好奇心和探究兴趣，还增强了学生独立思考和合作探究的意识，更重要的是培养了学生注重实证、严谨求实的科学态度。

（二）直击难点知识，唤醒求知欲望

数字化实验能够将抽象的化学原理具体化，为学生呈现客观且清晰的实验结论，使模糊的感性认识转化为精准的可视化知识，从而帮助学生更好地理解和掌握知识难点。同时，数字化实验可提高学生获取知识的积极性，丰富科学活动的具身体验，激发探索知识的欲望，进而促进学生自主构建学科知识、领悟科学方法。

以“碳酸钠与碳酸氢钠性质的探究”教学为例，在以往的实验中学生往往难以通过实验现象来判断碳酸钠与盐酸的反应是分步进行的。而利用数字化实验，学生可以加深对化学反应原理的理解。具体操作如下：在三颈烧瓶中加入碳酸钠溶液，并插入压强传感器、pH传感器，形成密闭体系，然后向三颈烧瓶中逐滴加入稀盐酸，利用压强传感器实时收集气压变化数据；同时利用pH传感器测出反应过程中溶液的pH变化情况，并自动绘制曲线图（如图1）。随后，将碳酸钠溶液替换为等浓度等体积的碳酸氢钠溶液，重复上述实验步骤，并自动绘制曲线图（如图2）。图1中有两次明显的pH突变，而图2仅有一次。再结合气压数据，学生便能轻松分析出碳酸钠与稀盐酸的反应是分两步进行的（CO[2-3]→HCO[-3]→CO2），而碳酸氢钠与盐酸的反应仅有一步（HCO[-3]→CO2），因此碳酸钠放出气体的速率更快。数字化实验将微观现象转化为数字图形，有助于学生捕捉关键节点，从而深刻理解化学反应的原理，提升解决问题的能力。

统实验与数字化实验的融合，不仅为学生呈现了客观且清晰的实验结果，降低了学生的学习难度，还有效加强了学生对知识的记忆。同时，它也让学生感受到科学技术的应用有利于提高科学探究的效率，从而激发学生热爱科学的情感和勇于实践的内驱力。

（三）深化概念理解，优化学习方式

数字化实验能够准确调控实验条件，使学生得以更细致地观察和研究实验现象。通过调整实验参数，学生可以探究不同条件下化学反应的变化规律，从而加深对化学概念和原理的理解。此外，数字化实验还可以提供更加丰富、准确的实验数据，有助于学生进行更深入的实验分析和解释。这不仅提升了实验教学的效果，还培养了学生的实验技能。

以“金属的电化学腐蚀”教学为例，金属的腐蚀以电化学腐蚀为主，特别是当电解质溶液呈弱酸性或中性时发生吸氧腐蚀。部分学生对“吸氧腐蚀”的概念不太理解，此时教师可增加数字化探究实验来深化学生对这一概念的理解。具体做法如下：在三颈烧瓶中用饱和食盐水浸泡铁钉，并利用压强传感器和氧气传感器同时监测封闭体系中的压强及氧气变化。根据形成的压强变化曲线和氧气变化曲线，可清晰地看到饱和食盐水的封闭体系内压强逐渐减小，这说明瓶中气体在不断被消耗；同时，氧气变化曲线显示氧气浓度逐渐减少，这进一步证实了反应中消耗的是氧气，由此可以证明钢铁的腐蚀属于电化学腐蚀中的吸氧腐蚀。借助实验结果，学生不仅能够直观地观察金属在电解质溶液中的电化学腐蚀现象，还能深化对“吸氧腐蚀”概念的理解。更重要的是，学生能够从电化学的角度理解腐蚀的机理，为后续学习防腐蚀措施提供了理论依据。通过实验方案的实施，引导学生摆脱“拿来主义”的学习方式，启迪了学生的科学思维，培养了学生的探索创新意识。

（四）培养关键能力，渗透核心素养

微观表征的建立和转化一直是学生认知的难点。传统实验主要从宏观现象的角度分析物质微观层面的变化，而数字化实验则实现了微观表征的可视化，增强了学生的证据推理能力，使学生能更好地建构认知模型，进而发展化学学科核心素养。

以“离子反应”的教学为例，以往的教学通常只能通过描述电解质在水中的电离过程及电离方程式的符号表征来分析反应过程中离子种类和数目的变化。这种教学方式过于“照本宣科”。为了突破这一局限性，可以引入数字化实验。例如，可以先在烧杯中加入氢氧化钡溶液，再滴入2滴酚酞，并将电导率传感器插入溶液中；接着，往烧杯中逐滴加入硫酸溶液，观察溶液颜色及电导率的变化（如图4）。通过前面的学习学生已经知道，电解质溶液的导电能力与离子浓度的大小有关，离子浓度越大，导电能力越强。而电导率正是反映溶液导电能力的一个重要指标。随着反应的进行，电导率-时间曲线不断下降，电导率数值不断减小。当电导率达到最小值时，溶液由红色变为无色，这表明此时离子浓度最小，即溶液中的钡离子与硫酸根离子、氢氧根与氢离子恰好完全反应。随后，曲线开始上升，电导率数值不断增大，这说明溶液中离子浓度增大，即电解质硫酸过量。数字化实验能将离子反应具象化、图像化，让学生能够从微观到宏观切身体验离子间的反应过程，理解复分解反应实质上是某些离子之间的反应，从而获取知识、掌握技能并形成学科观念，建构起“宏观—微观—符号—曲线”四重表征，培养学生的“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”等学科核心素养。

三、数字化实验的未来展望

数字化实验作为有别于传统实验的新技术教学手段，具有广泛的应用前景。学校应积极推动数字化实验在高中化学教学中的普及和应用，以更好地服务于高中化学教学改革，提高学生的实践能力和科学素养。

（一）加强教师教研培训，提升数字化实验教学能力

为了顺应信息技术融合学科教学的发展趋势，发挥数字化实验在探究课堂中的作用，教师需要具备相应的数字化实验教学能力。学校应加强对教师的培训力度，提高他们对数字化实验技术的掌握和运用能力，以便更好地服务于课堂，提高实验教学的质量。

（二）加强实验室建设，促进化学教学改革

鼓励有条件的地方和学校逐步引进数字化、现代化仪器设备，并向学生或学生课外兴趣小组开放。在教师的指导下，学生可以开展丰富的实验探究活动。此外，数字化环境还可为学生学习不同学科的知识和技能提供便利，促进教师教学方式和学生学习方式的改变，以满足时代发展和课程改革的需求。

（三）加强教学资源开发利用，丰富数字化实验内容

数字化实验的实施需要丰富的教学资源来支撑。学校应积极整合校内外的教学资源，开发适合高中化学教学的数字化实验案例和教学资源库，打造具有特色的化学学习空间，为师生提供教学交流、反馈和资源共享的平台，努力为学生创造良好的信息化学习条件。此外，教师还可以鼓励学生自主设计数字化实验方案，以培养他们的创新思维和探究精神。

四、结语

随着新课程、新教材、新高考的推进，传统实验教学模式已难以满足现代教育提出的新要求和学生的实际需求。以数字化实验为基础的实验探究，能在一定程度上强化传统实验，为高中化学探究课堂注入新的活力。在这种教学模式下，学生能够置身于实验情境中，边思考边探究学习，从多角度观察实验现象，从而丰富和完善自身的知识体系，并培养高阶思维能力。因此，教师应进一步探索并推广数字化实验与多种教学方法的融合，以最大限度地发挥其优势，打造更加有趣、高效且有利于学生发展的化学探究性课堂，为培养具有创新精神和实践能力的人才作出贡献。

［   参   考   文   献   ］

[1]  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[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]  王春.手持技术在中学化学实验教学中的应用研究[M].北京：团结出版社，2015.

[3]  王丹阳.基于化学学科核心素养提升的数字化实验课堂教学：以“离子反应”教学为例[J].新课程导学，2023（29）：49-52.