让数字化实验技术点亮中学化学课堂——中学化学课程数字化实验技术的应用.pdf

2023 9BENQI CEHUA/本期策划本期策划关注引领与主持人语普通高中化学课程标准（2017版2020年修订）指出，“化学教材应精心设计学生必做实验，适当增加微型实验、家庭小实验、数字化实验、定量实验和创新实践活动等，让学生在实验探究活动中学习科学方法，认识科学探究过程，体会、认识技术手段的创新对化学科学的重要价值，形成严谨求实、勇于实践的科学态度，发展实践能力。”为了落实课标要求，解决一线教师教学中的难点和堵点问题，推动数字化实验技术在课堂教学中的常态化使用，本期策划从数字化实验平台的搭建、数字化演示实验具体操作方法、数字化实验教学设计、教师和学生数字化实验能力评价要求（试题）等方面进行了分析，以供一线教师借鉴。栏目主持人田蓓数字化实验是指以真实实验为基础，通过各种传感器替代部分传统的仪表，将采集的实验数据交给计算机处理，能够更加清晰、明确地呈现实验现象，揭示实验规律的实验手段。应用数字化实验技术可以帮助教师解决一些现象不明显、不直观、操作难度较大或计算复杂的一些实验，但大部分教师只是将其用于公开课和赛教中，数字化实验技术还处于“展示”和“应景”状态。其实，导致数字化实验研究热而应用冷的因素有很多，主要原因是教师对传感器测量操作不熟练，觉得传感器使用不方便所致。为了推进数字化实验技术在化学课堂教学中的运用，笔者从整合装备搭建两个好用的数字化实验平台、根据教学目的选择适合运用数字化技术的实验两个方面进行了分析，并分享了一些成功的数字化实验技术运用案例，供一线教师借鉴。一、整合装备搭建两个好用的数字化实验平台在中学化学教学过程中应用数字化实验技术时，教师应积极整合现有的教学装备，搭建两个好用的实验平台（如图1所示）。图1 师生数字化实验平台以朗威品牌为例，如果师生使用的是8.0以下版本的传感器，安装对应软件后要再安装一个补丁才能正常使用。我校于2015年购买了朗威6.5版本的传感器，现在还能正常使用。如果使用中遇到了问题，师生只需关注所购数字化实验装备品牌微信公众号，进入官网下载补丁就可以在电子白板上正常使用了，不会操作的还可以在官网上观看相关视频，也可以与售后联系请求帮助。二、根据教学目的选择适合运用数字化实验技术的实验笔者对义务教育人教版九年级化学上册、下册，人教版高中化学必修第一册、第二册，选择性必修1 化学反应原理 这五本中学化学教材中的实验进行了梳理，发现其中适合运用数字化实验技术的实验约有33个。因此，教师在确定采用数字化实验技术手段完成实验时要注意以下几点。1.全面理解实验设计的意图、原理在化学教学过程中，教师要明确实验研究的方法，根据课标要求结合实验的科学性、直观性、简约性和安全性等基本原则，围绕教学目标和学生的学习选择并设计实验。2.避免复杂的实验组合装置如果教师选用复杂的实验装置，安装占时较长，就会影响教学任务的完成，不利于学生仔细观察实验过程和结果，导致学生难以确定观察重点，从而弱化教材实验原本的作用。3.符合学生的认知规律作为信息技术与实验教学整合的产物，在中学化学教学过程中，教师在应用数字化实验技术时应注意梯度，逐渐推进，从定性实验逐步进阶到定量实验，即测定目标物质有没有具体有多少指定条件下的变化趋势及图像等。让数字化实验技术点亮中学化学课堂中学化学课程数字化实验技术的应用文/田蓓2023 942023 9BENQI CEHUA/本期策划本期策划关注引领与三、数字化实验技术运用案例分享1.运用传感器的入门实验案例演示实验是教师在课堂上进行示范操作和讲解，并指导学生观察和思考的实验。教材中的定性实验对传感器的使用技术要求不高，操作简单，非常适合让学生体验数字化实验技术在化学研究中的应用过程。案例1.酒精灯火焰温度的探究（陕西省2022年和2023年普通高中学业水平考试化学实验操作考试数字化实验试题）。实验目的：探究酒精灯焰心、内焰、外焰的温度。实验原理：酒精灯燃烧时，由于酒精蒸汽与空气接触面不同，燃烧程度不同，火焰不同位置的温度也不同。实验用品：朗威数据采集器（V8.0版本）和朗威8.0版本软件、高温传感器、酒精灯。入门方案A：学会使用高温传感器测量火焰温度。实验操作步骤：（1）连接交互式电子白板、数据采集器和高温传感器，双击朗威软件进入朗威V8.0软件界面，点击“通用软件”电子白板页面自动显示温度数据。（2）点燃酒精灯。操作者手持高温传感器，肘部放在桌面上，通过调整肘部与桌面的夹角调整传感器的高度（不用夹子固定），分别测量灯芯、内焰、外焰的温度。进阶方案B：初步学会测量和运用软件绘制时间温度曲线。实验操作步骤：（1）点击通用软件。电子白板页面自动显示温度数据在组合曲线中添加“时间温度”曲线点击平铺（上面为数据，下为曲线图）点“开始”。（2）点燃酒精灯。操作者手持高温传感器，肘部放在桌子上，通过调整肘部与桌子的夹角调整传感器的高度，测量灯芯、内焰、外焰的温度点击结束点击保存，曲线就可以保存在电脑了。实验结论：焰心温度内焰温度外焰温度（如图2所示）。图2 酒精灯火焰温度注意事项：（1）实验时尽量减少空气流动，稳定酒精灯火焰。在教室里做所得到的曲线肯定是不光滑的，这恰恰反映了真实所在，教师不要纠结于此。（2）通过实验，学生学会了测量酒精灯火焰不同位置温度的方法，知道为什么外焰的温度最高，今后用酒精灯什么位置给试管加热等知识。（3）通过实验，学生知道了酒精灯内焰和外焰交界处的温度最高。案例2.空气中氧气体积分数的测定。实验目的：探究空气中氧气的百分含量。实验原理：通过氧气传感器测量空气中氧气的百分含量。实验用品：朗威数据采集器（V8.0版本）和朗威8.0版本软件、氧气传感器、电脑或交互式电子白板或手机等。实验操作步骤：（1）连接“交互式电子白板+数据采集器+氧气传感器”双击朗威软件进入朗威8.0版本软件界面点通用软件电子白板页面自动显示氧气体积分数，教师讲解测量方法，读取数据，实验结束。（2）让一个学生现场吹气，用塑料袋收集学生呼出的气体，用氧气传感器测量氧气体积分数（也可增加一个CO2传感器），可以看出人体呼出气体中氧气体积分数在降低。实验结论：空气中氧气约占21（如图3所示）。空气中氧气体积分数测量实验用品空气中氧气体积分数测量呼出气体氧气体积分数图3 空气中氧气体积分数的测定案例3.碳酸钠、碳酸氢钠性质比较（高中化学必修第一册第38页实验2-4）。实验目的：以碳酸钠和碳酸氢钠为例，指导学生认真观察化学物质，让学生学会运用控制变量、定性与定量结合的方式研究二者的相同点和不同点。实验原理：（1）通过测量溶液前后温度变化，验证碳酸钠溶于水是放热过程、碳酸氢钠溶于水是吸热过程。（2）通过测量溶液的pH和滴加酚酞试液，证明碳酸钠和碳酸氢钠溶液都显碱性。实验用品：朗威V8.0数据采集器、温度传感器2支、pH传感器2支、试管架、250ml烧杯、18180规格试管、滴管、蒸馏水、无水碳酸钠和碳酸氢钠粉末各1克、酚酞试液等。实验操作步骤：（1）连接交互式电子白板、数据采集器和温度传感器，点开朗威软件进入8.0界面点通用软件电子白板页面自动显示温度数据点击平铺。（2）将1g碳酸钠和1g的碳酸氢钠放入不同试管中，分别加入一滴管蒸馏水，振荡，用温度传感器测量温度变化（可以让2个学生进行示范，教师指导、评价），让学生读取温度度数，对比后得出结论（如图 4 所示），传感器用完都要冲洗、拭干。（3）继续向两个试管分别加入5ml水，振荡后滴加2滴酚酞试液，观察并记录颜色变化，用pH传感器测量两种溶液的pH、记录、得出结论（如图5、表1所示）。测定酒精灯火焰温度外焰内焰焰心焰心内焰外焰21166376152023 9图4碳酸钠和碳酸氢钠溶于水温度变化表1 碳酸钠和碳酸氢钠溶于水实验结论：该实验用课本上的方法可视性差，如果改用温度传感器和pH传感器就能直观清晰地比较出二者的差异。通过这个实验，学生不仅学会了科学研究的一般方法和步骤，还学会了两种传感器的使用方法，感受到了技术手段的创新对化学研究的影响。2.运用传感器做定量测量进阶演示实验案例定量实验一直是高中化学实验的难点，费时长，误差大，数据处理麻烦。在实际教学中，教师在一节课内如果完成不了实验操作和数据处理就会放弃演示，而是改用课件+视频的方式讲解实验，这样在一节课内完成测定和计算、分析和讨论都是没有问题的。案例4.强酸与强碱的中和滴定（选择性必修一必做实验）。酸碱中和滴定难点：（1）滴定终点的确定；（2）滴定过程中微观粒子浓度变化的不可视；（3）pH-V变化图像绘制。实验原理：（1）强酸与强碱发生中和反应，通过测定加入滴定液后的pH可以准确绘制酸碱中和滴定曲线，并确定滴定终点（常温下强酸强碱完全中和pH为7）。（2）根据HOH=H2O，用已知浓度的酸（碱）溶液滴定一定体积未知浓度的碱（酸）溶液，测出已知浓度酸（碱）溶液的体积就可以算出待测物质的浓度。实验用品：朗威V8.0数据采集器，pH传感器，25ml酸式、碱式滴定管各1个，10ml移液管1根，100ml烧杯2个，胶头滴管 2 个，铁架台，滴定管夹，洗耳球一个，0.10mol/L 盐酸，0.10mol/L氢氧化钠，蒸馏水，滤纸等。实验步骤：（1）连接电子白板、数据采集器和pH传感器，点开朗威软件进入V8.0专用软件选中“酸碱中和滴定”电子白板页面自动进入中和滴定页面。（2）提前将装好25ml0.1mol/L盐酸的酸式滴定管固定，学生A用移液管量取10ml未知浓度的氢氧化钠溶液放入100ml烧杯中，加入蒸馏水至溶液没过pH传感器，教师在一旁讲解移液管的使用方法，并评价矫正。（3）学生A负责滴定操作和读数；学生B负责在电子白板上输入读数，并点击“记录数据”。（4）学生A开启“磁力搅拌器”滴加稀盐酸，读数，直至溶液呈碱性；学生B在电子白板上点击“开始实验”，每输入体积读数后点击“记录数据”直至溶液显碱性，点击停止实验绘图图线分析图线自动标注出pH=7时消耗V标准的数值数据计算系统自动计算出待测液的浓度（如图6所示）。图6 强酸与强碱的中和滴定曲线实验数据及结论：（1）根据 NaOH+HCl=NaCl+H2O 和 C（NaOH）V（NaOH）=C（HCl）V（HCl），测出 C（NaOH）=mol/L。（2）向氢氧化钠溶液滴加盐酸，开始时由于氢氧化钠浓度较大，滴入少量盐酸对pH的影响不大，当接近滴定终点时，滴加一滴盐酸就会引起pH突变。注意事项：（1）配制溶液浓度要准确。（2）控制滴定滴速和磁力搅拌器转速（开始快接近终点要慢）。（3）如果没有特殊要求可以用碱滴定酸，因为碱式滴定管比酸式滴定管好操作。教师指导学生代表在讲台滴定操作，让其他学生观摩和讲解操作要点、在电子白板上读取溶液离子浓度变化数值、pH-V图像如何形成等。这种全员参与的教学方式，学生从中学会了中和滴定测定溶液浓度的方法，并结合课本习题，巩固了定量实验数据处理方法。这样一来，教师用一个课时完成教学目标就没有问题。普通高中化学课程标准（2017版2020年修订）指出：“化学教材应精心设计学生必做实验，适当增加微型实验、家庭小实验、数字化实验、定量实验和创新实践活动等，让学生在实验探究活动中学习科学方法，认识科学探究过程，体会、认识技术手段的创新对化学科学的重要价值，形成严谨求实、勇于实践的科学态度，发展实践能力。”数字化实验技术是现代信息技术与理科实验教学整合的产物，是一种功能强大的实验工具，对教师的教学和学生的学习有着很大的帮助。学生数字化实验技能的形成和熟练离不开动手训练，实验中隐含问题的发现离不开学生的操作与仔细观察。因此，教师要围绕“发展学生化学学科核心素养”这一主旨组织和实施实验探究教学，激发学生的学习兴趣，培养学生的探究能力，落实立德树人根本任务。附：历届陕西省理化生教师实验操作技能大赛数字化实验化学试题（仅供参考，在练习中要注意：相关软件的熟练使用测量操作动作的规范性）1.酒精灯火焰温度的探究。2.冰醋酸稀释过程中离子浓度的变化。3.中和热的测定。4.强酸和强碱的中和滴定。5.指定溶液电导率的测定。6.指定溶液pH的测定。作者单位 西安市第三十中学BENQI CEHUA/本期策划本期策划关注引领与2023 9碳酸钠碳酸氢钠碳酸钠碳酸氢钠30.620.88.1210.56图5 碳酸氢钠和碳酸钠溶液pH6