融合数字化实验 助力学生认知发展——数字化实验技术与高中化学教学的融合.pdf

2023 9化学课标中指出：改变在实验中注重动手但缺少思考的现状，强调高级思维的过程。在教学过程中，教师应基于学科核心概念选择开展匹配的数字化实验，通过清晰直观的曲线反映实验过程中的动态数据变化，为探究实验本质提供强有力的支撑，让学生在实践、观察、思考的过程中了解化学实验宏观现象背后的微观本质。本文通过分析高中化学课程标准与新教材中的数字化实验，提出数字化实验案例设计的五个基本环节，并结合 探究电离平衡及其移动 展开实践，尝试探讨数字化实验与高中化学教学融合的方法。一、高中化学课程标准与新教材中的数字化实验分析我国数字化实验与化学教学融合研究起源于 21 世纪初。2003 年，华南师范大学钱扬义教授在国内率先撰文建议中学化学教育领域应用手持数字化实验，用高温探头绘制酒精灯各部分火焰温度时间曲线图，探讨酒精灯3层火焰温度的大小及其关系。普通高中化学课程标准（2017 年版2020年修订）提出：“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。”下面，笔者从实验来源、实验内容、板块类别、传感器类别四个角度简要分析一下数字化实验（见表1）。融合数字化实验 助力学生认知发展数字化实验技术与高中化学教学的融合文/苟莉莉表1 2017版化学课程标准中的数字化实验分析序号12实验来源必修课程主题2：常见的无机物及其应用选修课程主题2：化 学 反 应 的 方向、限度和速率实验内容探究溶液中离子反应的实质及发生条件（测定电流或溶液电导率的变化）化学平衡影响因素的证据素材（压强对二氧化氮四氧化二氮平衡影响的数字传感器实验）板块类别学习活动建议情境素材建议传感器类别电流传感器、电导率传感器压强传感器人民教育出版社化学教材（2019年6月第1版）在“科学 技术 社会”板块和“练习与应用”板块中出现了数字化实验的案例（见表2），这些案例围绕化学核心概念展开，利用传感器对化学实验和真实情境进行了比较、综合、分析。表2 2019版人民教育出版社化学教材中的数字化实验序号123实验主题教材出处必修一第一章第二节练习与应用必修一第二章第二节科学 技术 社会必修一第六章第二节练习与应用具体内容氢氧化钡溶液中逐滴加入稀硫酸，其导电能力随 时 间变化曲线验证次氯酸光照分解的数字化实验探究镁与不同浓度盐酸的反应速率核心概念离子反应氯及其化合 物 的 性 质反应速率实验设计变量导电能力时间pH时间、c(Cl-)时间、O2体积分数时间压强 时间传感器电导率传感器pH传感器、氯离子传感器、氧气传感器压强传感器实验价值通过曲线特征认识离子反应的本质多个变量同时进行物质变化的动态分析，增强实验可视性通过比较曲线差异解释实验条件对结果的影响二、数字化实验与高中化学教学融合的实践1.数字化实验案例设计环节探究、论证是实验最为关键的环节，也是学生认知发展的关键点。笔者在数字化实验研究过程中整理了五个基本设计环节（如图1所示），供教师在数字化实验开发中参考。BENQI CEHUA/本期策划本期策划关注引领与72023 9图1数字化实验案例设计环节2.数字化实验与高中化学教学融合的案例本文以人教版选择性必修1化学反应原理第三章第一节电离平衡为主题，以 探究电离平衡及其移动 为案例进行数字化实验设计，具体如下。环节一：确定实验目的（1）通过实验研究盐酸与醋酸的差异，认识弱电解质存在电离平衡。（2）研究浓度、温度改变对醋酸电离平衡的影响，认识弱电解质电离平衡的移动过程，建构弱电解质电离平衡移动模型。环节二：研究传统实验水溶液中的离子平衡本身比较抽象，研究对象都是看不见摸不到的微观分子、离子间的反应与平衡。笔者围绕“探究电离平衡及其移动”这一核心内容，让学生基于生活经验描述盐酸和醋酸的差异，自主设计传统实验探究盐酸与醋酸的差异，感受实验研究的过程和基本方法。例如，让学生使用pH试纸测量0.1mol/L的盐酸和醋酸溶液的pH，观察等体积1mol/L盐酸和醋酸与等量镁条反应速率的快慢，但学生对外界条件改变时电离平衡会发生移动这一动态过程难以形成直观的认识。针对这一问题，笔者采用数字化实验，用不同传感器检测传统实验无法检测的物理量，为学生直观地呈现了弱电解质电离平衡移动过程的数据。环节三：确定传感器种类本数字化实验的核心目标是探究温度、浓度对醋酸电离平衡的影响，教师可以引导学生根据测量目标选择温度传感器和pH传感器。此外，电导率是用数字表示溶液传导电流能力的物理量，常用于间接推测溶液中带电离子的浓度，在工业生产和实验室研究中常用于测量纯水、饮用水、污水等各种溶液导电性或整体离子浓度的大小，电导率传感器是研究离子浓度常用的且数据可靠稳定的传感器。根据实验目的及测量目标，笔者选择合适的传感器种类后，设计了本数字化实验方案（如表3所示）。表3 数字化实验探究醋酸电离平衡的移动设计序号123改 变 条 件浓度浓度温度实验内容同 离 子 效 应加水稀释升高温度实验方案向1mol/LCH3COOH溶液中加入CH3COONH4固体，利用pH传感器实时测定溶液pH的变化利用电导率传感器探究冰醋酸加水稀释过程中溶液导电能力的变化加热1mol/L CH3COOH溶液，利用pH传感器和温度传感器实时测定升温后醋酸溶液pH的变化实验曲线pH 时 间曲线电导率体积曲线pH 温 度曲线环节四：采集实验数据、分析实验结果根据实验方案，笔者带领学生进行了场景搭建和数据采集，并分析了实验结果（如图2）。图2数字化实验探究醋酸电离平衡的实验结果环节五：分析实验结果弱电解质醋酸在水溶液中存在电离平衡：CH3COOH CH3COO+H+，当外界条件改变时电离平衡会发生移动。在实验1中，醋酸溶液的pH随c（CH3COO-）增大而升高，同离子效应使得电离平衡逆向移动，c（H+）变小，溶液pH升高。在实验2中，冰醋酸加水过程电导率先增大后减小，溶液中的离子总浓度先增大后减小，对于同一弱电解质，溶液越稀离子相互碰撞结合生成分子的机会越小，弱电解质的电离程度就大，稀释溶液会促使弱电解质的电离平衡，但随着溶液体积的增大，溶液中离子浓度会逐渐减小，这就是曲线先升后降的原因。在实验3中，醋酸溶液的pH随温度升高而降低，由于醋酸电离吸热升温使得醋酸电离平衡正向移动，c（H+）增大，溶液pH降低。三、思考与启示1.拓展学生思维深度，发展核心素养高中化学有些概念原理较为抽象，教材中常以定性结论呈现，高中生受自身认知水平所限，对抽象知识的理解存在片面性和表面性。数字化实验将宏观现象与定量数据相结合，是宏观现象与微观本质重要的联系桥梁，学生在实验过程中观察、思考、讨论、归纳、总结，抽象思维和逻辑思维在真实实验情境曲线分析中得到了很大的发展，学科核心素养得到了很大的提升。2.促使教师钻研教材，深化学科理解数字化实验呈现出的定量化和可视性实验结果，能够促使教师不断反思、重构和优化教学内容。例如，利用电流传感器探究原电池原理时，锌铜稀硫酸单液原电池工作一段时间后电流出现衰减，溶液温度升高，这是因为锌与稀硫酸直接接触发生了反应，有一部分能量转化成了热能。双液原电池工作电流虽然稳定，但电流较小，这是因为盐桥中离子运动距离长，离子通道窄，产生的电阻较大的缘故。电流传感器有多量程可供选择，不仅可以测定微型电池、隔膜电池的电流强度，还可以探究改变条件（如电极材料间距、电极接触面积、电解质溶液浓度）对电流强度的影响。3.拓宽实验研究主题，丰富应用范围传感器是数字化实验的核心组件，其适用范围非常广，不仅适用于常规化学实验，还适用于应用类和跨学科类的教学。例如，笔者利用pH传感器测定食用醋的总酸度、测定饮料中维生素C的含量、测定电离平衡常数等。实验研究主题不仅可以应用于必修课程和选择性必修课程，还可以应用于化学实验校本课程、STEAM课程的教学中。因此，教师要在教学过程中不断探究，积极拓宽实验研究主题，促进数字化实验与高中化学教学的融合。作者单位陕西省西安中学BENQI CEHUA/本期策划本期策划关注引领与2023 98