数字化实验助力培养高中生探究创新能力--以“离子反应”为例.pdf

40新校园2024年第3期-刘景国 孙慧娟-数字化实验助力培养高中生探究创新能力以“离子反应”为例普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）明确指出，化学实验是科学探究的一种重要途径。化学实验教学不仅可以锻炼学生正确使用仪器设备的能力，而且可以提高学生优化实验的能力，进而提升学生设计实验方案的能力。从更深层次上讲，它有助于学生深刻理解理论知识，进而达到在实验教学过程中培养学生的科学探究思维和创新能力的目标。但在实际教学中，化学实验往往受诸多因素限制，导致学生对实验的必要性感知被冲淡，极大地制约学生科学探究思维和创新能力的发展。随着教育信息化的深入推进，越来越多的信息技术被应用到实验教学中，教师如果能在教学中将传统实验和数字化实验相融合，不仅能帮助学生深入理解实验过程中物质的微观变化，而且能引导学生自主实验，提高学生科学探究和创新能力。下面以人教版高中化学必修一第一章第二节“离子反应”教学中有效融合数字化实验的案例设计加以阐明。一、案例设计目标一是通过数字化实验对硫酸和氢氧化钡离子反应的探究，培养学生敢于质疑、批判的创新精神，发展宏观辨识与微观探析的科学素养。二是通过对硫酸和氢氧化钡离子反应的探究，体验探究实验的一般模式发现问题、提出假设、设计实验、实验验证、得出结论，培养学生崇尚真理、严谨求实的科学态度，实现深度学习。二、案例设计（一）项目式学习培养学生综合能力本案例中，我们给学生创设了“除了有白色沉淀生成这个宏观现象外，还有哪些证据能够证明Ba（OH）2和H2SO4能够反应”的真实问题情境，设置四大项目任务引导学生主动探究：任务一探究Ba（OH）2和H2SO4反应过程中溶液中c（OH-）的变化；任务二探究Ba（OH）2和H2SO4反应过程中溶液温度的变化；任务三探究H2SO4和Ba（OH）2反应过程中溶液中离子浓度的变化；项目作业利用比色计设计实验证明Ba（OH）2和H2SO4的反应确实能够发生。学生要想顺利完成四大项目任务，必须借助于数字化实验仪器。本案例中我们以“材料”的形式对数字化仪器的作用和使用方法进行介绍，以便于学生使用数字化仪器完成相关实验。在完成四大项目任务的过程中，锻炼学生的创造力，提高学生的团队合作和领导力、动手能力、计划以及执行项目的能力。（二）数字化实验助力化学研究1.pH 传感器助力探究离子反应学生通过Ba（OH）2和H2SO4离子方程式的书写，能够分析推理出c（OH-）减少，但缺少准确测量c（OH-）的仪器，无法获得测量数据作为证据证明。本案例中，学生借助于pH传感器和数据处理软件，就能直观地观察到每一滴稀硫酸滴入后溶液的pH数据pH由滴定开始时的12.72，减小到恰好完全反应时的7.00，到最后的1.22，以及随着稀硫酸的不断滴入，整个反应过程中溶液的pH变化曲线（如图1）。2.温度传感器助力探究离子反应学生借助“材料酸碱中和反应都是放热反应，生成水越多，放热越多”能够推理出Ba（OH）2和H2SO4反应放热，但由于该反应放热较少，普通温度计测量的温度变化不明显，难以作为证NEW CAMPUS教学纵横41据。本案例中学生借助于温度传感器和数据处理软件实现了溶液温度的精确测量，实验中学生能直观地观察到随着稀硫酸的不断滴入，溶液温度由开始时的23.8，逐渐升高到恰好完全反应时的26.1，以及整个反应过程中溶液温度变化曲线（如图2）。3.电导率传感器助力探究离子反应学生根据Ba（OH）2和H2SO4反应过程中有沉淀生成和对该反应的离子方程式的分析，能够推理出该反应过程中溶液中离子浓度减小，溶液的导电能力减弱，但常规实验仪器无法直观展现出溶液中微粒浓度的变化。本案例中学生借助于电导率传感器和数据处理软件，能够直观地观察到随着稀硫酸的不断滴入，溶液的导电能力先逐渐减小，二者恰好完成反应时，溶液的导电能力约为0，稀硫酸过量后，溶液的导电能力又逐渐增大的整个过程（如图3）。可以说数字化实验能够极大地激发学生的探究兴趣和求知欲望，提高课堂效率，让学生在获取知识、提高动手能力的同时，感受先进实验仪器设备对科学研究的作用，领略科技发展的价值。（三）问题组引导学生深度思考问题组能够有效引导学生深度思考，达到对知识更深层次的理解，进而提高学习效率。本案例中学生在完成三项任务的过程中均采用了问题组探究形式，如学生在完成“任务一”时，教师由浅入深地提出了三个问题：（1）向Ba（OH）2溶液中滴加稀硫酸，哪些实验现象能够证明该反应确实能够发生？（2）我们可以通过哪些方法测量溶液中c（OH-）的变化？（3）借助于【材料1】“pH传感器：用来检测被测物中氢离子浓度并转换成相应数值的传感器；pH越大，c（OH-）越大，c（H+）越小。”大家能否设计一个实验比较准确定量地测量溶液中c（OH-）的变化？三、案例效果评价（一）实际教学效果本案例中，教师通过问题组引领学生全程参与完成“任务一”后，引导学生归纳出了探究实验的一般模式：发现问题提出假设设计实验实验验证得出结论。在后续的项目任务中，学生都能主动将探究实验的一般模式进行应用，自主设计、科学探究，圆满地完成了“任务二”和“任务三”。从学生的学习反馈、实验活动、问题展示看，学生对知识的掌握都很到位。探究性实验的基本模式，酸碱中和滴定的操作、步骤以及三种数字化实验仪器的使用方法，学生都能轻松、愉快地掌握并应用，为后续学习打下了坚实的基础。通过本节课的学习，学生提升了思维品质，图1 pH变化曲线图2 温度变化曲线图3 电导率变化曲线（下转第44页）44新校园2024年第3期节，更是体现以学生为中心、培育锻炼学生能力的重要途径。同时，教师也可以通过小组展示了解学生的学习情况和项目成果，为进一步的教学提供参考。但是学生由于知识结构不完善、逻辑思维能力欠缺，在进行项目任务展示过程中难免对遇到不少挫折、困难。因此，教师作为引导者要在学生遇到问题时，及时帮助他们分析问题，提供解决问题的思路和方法，包括启发提问、反馈建议等，引导学生在运用辅助资料、认真分析问题的同时结合个人已有知识和生活经验，积极对项目任务进行分析、探究、改进、提高、总结，更好完成项目任务。却受到了战败国的待遇呢？以深化学生对五四运动背景的深入了解，加强对游行学生的情感共鸣。在此基础上进一步追问学生：“为什么要来参加游行？停课游行，你不怕耽误学习吗？北洋政府已经逮捕了那么多大学生了，你们不怕被抓吗？”使学生更加深入感受青年学生立志救亡图存、振兴中华的革命情怀，更加真切地感受五四精神。（六）教学效果评价在项目化教学的尾声，教师可以先采用学生自评与小组成员之间互评的方式，之后综合课程任务各个方面进行教师点评，综合使用以上评价指标和方法，可以全面评估项目化教学的教学效果，并为教学改进提供依据。同时，评价过程中应注重形成性评价，及时给予学生反馈和指导，注重正向激励和积极引导学生主动学习，促进学生的学习和成长。在“中国有了共产党”一课中，通过项目化教学的实施，学生对中国共产党的历史有了更深入的了解，提高了他们的合作能力、问题解决能力和表达能力。同时，学生也增强了对中国共产党的认识和敬意，培养了爱国主义情感。（作者单位：山东省菏泽市牡丹区都司镇南刘庄小学）图1 项目任务设计例如，学生在完成“任务二：介绍五四游行情况时”，教师可以引入19世纪末列强在华势力图，启发学生思考：为什么我们明明是战胜国，培养了迁移与创新能力，提高了科学探究与创新意识，促进了深度学习。（二）数字化实验推广实用价值本案例中，通过数字化实验仪器的使用，随着每一滴稀硫酸的滴入，学生能够直观地观察到溶液的pH、温度和电导率数据，以及整个反应的pH变化曲线、温度变化曲线和电导率变化曲线。借助先进化学设备以及信息化技术，用数据作为证据解决学生学习中的疑难点，弥补了常规化学物质结构教学中看不见摸不着的缺陷。数字化实验能够实现抽象知识的具体化和直观化，为化学课堂增添了魅力，降低了学生学习难度，开阔了学生的视野，激发了学生学习兴趣，促进了学生主动学习。随着化学传感器、数据采集器等数字化实验仪器的日益小型化、精细化以及信息技术的飞速发展，化学实验逐渐由传统感官实验、手工绘图向精密定量测定实验过渡，数字化实验所占的比重会进一步增大。教师只有在原有课程教学的基础上，进一步探索，才能让更多的先进仪器、技术走进实验室，走进教室，把先进科学技术和科学理念带入教学实践当中，进一步提升教育教学质量。（作者单位：山东省淄博第四中学）（上接第41页）