聚焦数字化力量 推动化学教学融合创新——数字化手持技术与高中化学教学的融合.pdf

2023 9数字化手持技术是基于现代信息技术、传感器技术、数据采集、智能控制等进行实验的技术系统，具有实时性、准确性、便携性、直观性和综合性的特点。在高中化学教学中，教师应用数字化手持技术可从“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”等多个维度入手，培育学生的化学学科核心素养。一、数字化手持技术的内涵数字化手持技术即数字化信息系统实验，是以计算机为基础，集教育和信息技术为一体的新型教学工具。数字化手持技术是由“传感器+数据采集器+计算机+处理软件”组成的能够采集化学实验数据，并以图表的形式呈现数据的现代化实验技术手段。数字化手持技术有着强大的感知功能、现代化信息处理及储存功能、后期数据处理功能等，能够实现数图结合、记录细微过程的实验数据、自动生成图像，以及让化学反应的瞬间变化“可视化”，有利于培养学生的化学学科素养。二、数字化手持技术在化学教学中应用的优势1.能够强化现象表征在传统的化学实验教学中，教师针对一些现象不明显、过程不明朗、耗时长、会产生有毒气体和有害物质的实验，只能用口头描述或播放视频的方式进行讲解，这样会严重减弱学生的学习兴趣。数字化手持技术的应用使实验操作更加便捷，数据更加精准，效果更加直观、清晰，学生从中不仅能够观察实验的过程和结果，还能够利用实验数据了解其中包含的实验原理。例如，在钠的化合物一课中，教材要求学生验证Na2CO3和 NaHCO3溶液碱性的强弱，以及 Na2CO3和 NaHCO3溶于水的吸放热情况，学生可以向等浓度的 Na2CO3和NaHCO3溶液滴加酚酞，判断两种溶液碱性的强弱，实验现象很明显。但在 Na2CO3和 NaHCO3溶于水的吸放热实验中，由于热量变化过于微弱，实验经常失败。此时，笔者应用数字化手持技术通过数据变化，使学生直观地感受了物质溶于水的热量变化情况（如图 1 所示）。数字化手持技术准确地呈现了实验数据，不仅能够加深学生对所学知识的理解，还能够培育学生的“宏观辨识与微观探析”学科核心素养。图1 Na2CO3和NaHCO3溶于水的热量变化情况2.能够帮助学生了解微观本质化学是研究分子及类分子的科学，宏观看现象，微观找原因，宏观加微观是学习化学的重要方法。在讲授高中化学新教材选择性必修二“物质结构与性质”一课时，很多抽象的化学概念无法用宏观实验现象说明，学生很难理解其原理。此时，笔者借助数字化手持技术为学生设计了简单易操作的探究实验，让学生通过清晰直观的实验图像、曲线变化等分析物质内部微粒间的相互作用，感受物质的变化过程。例如，在探究分子间作用力大小因素时，笔者利用温度传感器分别测量了正丁醇、正丙醇、乙醇、甲醇4种醇挥发时温度的变化（如图2所示），学生根据曲线清晰地看出不同醇挥发时温度下降幅度也不同，他们通过数据分析发现：对于组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，分子间作用力越大，物质的熔点也越高。由此可见，笔者借助数字化手持技术变抽象为直观、静态为动态、化无形为有形，为学生理解所学知识奠定了一定的基础。图2 不同醇类挥发时温度变化曲线3.能够辅助师生破解教学难点化学实验教学中经常会出现一些原理比较复杂或多种因素共同作用的化学现象，传统的实验教学又很难揭示其本质规律，导致学生难以理解。此时，笔者根据教学难点，借助不同传感器设计实验，将抽象、复杂的理论知识以图像、动态曲线等形式直观地呈现在学生面前，帮助学生透过表面看本质。这种教学方式不仅降低了学生的学习难度，还在一定程度上提升了教学效果。聚焦数字化力量 推动化学教学融合创新数字化手持技术与高中化学教学的融合文/冯俊玲BENQI CEHUA/本期策划本期策划关注引领与24.920.8碳酸钠碳酸氢钠92023 9例如，在讲授高中化学新教材选择性必修一“化学反应原理”一课时，笔者针对化学反应的平衡移动、弱电解质的电离、盐类的水解及难溶电解质的溶解平衡等知识，借助数字化手持技术打破传统概念教学的局限性，为学生补充了很多宏观的事实性材料，帮助学生更好地从微观上理解和探究抽象的概念原理，从“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”等多个维度培育了学生的核心素养。又如，在讲解“稀释时，弱电解质的电离度增大”这一知识时，常规的教学方法是利用电离常数与浓度商的关系说明平衡移动的方向，这种方法过于抽象，教学难度大，且醋酸浓度大于0.1mol/L时不符合稀释定律，存在一定的偏差，显然不是理想的方案。此时，笔者借助数字化手持技术，利用电导率传感器、光电门（滴数传感器）和pH传感器监测稀释冰醋酸过程中电导率和pH的变化，并形成图像（如图3所示），帮助学生破解难点问题，发展学生的“宏观辨识与微观探析”学科素养。图3醋酸溶液稀释过程中导电性变化曲线三、数字化手持技术在高中化学教学中的应用策略1.强化传统实验与数字化手持技术的有机融合数字化手持技术有着便捷、实时监测、准确、直观等优点，不仅能够帮助学生直观形象地掌握化学概念和规律，了解物质的化学性质，还能够培养学生的观察能力和分析问题能力，强化学生的实验操作技能。但学生借助数字化手持技术完成数据采集和计算，势必会影响动手能力、探究能力、合作能力的进一步发展和提升。因此，在化学教学中，教师应理性看待数字化手持技术的应用，不能用其完全替代传统实验。为了进一步提升学生的化学学科素养，充分发挥数字化手持技术的优势，教师应根据教学内容、学情将传统实验和数字化手持技术进行融合，确保两种实验优势互补，帮助学生深度理解化学本质及规律，激活学生的批判思维和创新精神，培养学生的探究能力。例如，探究同离子效应及离子反应效应对盐类水解的影响时，笔者让学生先分别向两支装有2mlFeCl3溶液的试管中滴加 2 滴 HCl 和 NaOH 溶液，细致观察、分析其现象，通过溶液颜色的变化判断相关离子对水解平衡的影响。再用数字化手持技术利用浊度传感器测定溶液的浑浊程度，对盐类水解进行平衡移动追踪。这两种实验方式既能锻炼学生的操作技能，培养学生严谨的科学态度，又能帮助学生通过现象及数据分析、理解平衡思想和守恒观念，在此过程中学生的数据意识、思维能力能够得到培养，教学也能够达到理想的状态。2.借助数字化手持技术引导学生自主探究在化学教学过程中，教师大多是按照课本中既定的实验流程，按部就班地再现实验过程，学生已提前知晓实验结果就会缺乏探究动力，他们参与课堂教学活动的积极性不高，使得化学实验难以发挥应有的作用。因此，教师可以借助数字化手持技术为学生创设相关教学情境，引导学生合作学习、自主探究、实证讨论，发展学生的“科学探究与创新意识”学科核心素养。例如，在日常教学中，教师总告诉学生酒精灯的外焰温度最高，加热时用外焰。那么，酒精灯外焰、内焰的温度是多少呢？到底是不是外焰的温度最高呢？笔者让学生先搜集相关资料，并通过实验进行验证。学生以酒精灯火焰温度为关键词，在知网检索了33篇文章，大部分为核心期刊，其中华南师范大学钱扬义教授所写文章下载量和被引量最多。学生从论文数据看到内焰的温度最高，可达782左右，外焰的温度只有675，焰心的温度593。那么，教材为什么要用外焰加热呢，理论上认为外焰温度最高，原因是酒精蒸气在外焰处与氧气接触的面积最大，燃烧也最充分，但由于外焰与外界大气充分接触热量散失最多，以致外焰温度低于内焰；内焰处酒精蒸气稳定，与空气接触适中，燃烧充分，发出的光也最明亮；焰心处由于接触大气面积最小，酒精蒸气没有充分燃烧，温度最低。图4是学生所做实验，通过实验，学生不仅掌握了一些科学研究方法和步骤，还养成了严谨的科学态度。图4 酒精灯火焰温度比较实验3.依托数字化手持技术优化练习评价在化学教学中，笔者应用数字化手持技术有效解决了实际问题，不仅优化了教学方式，提升了教学效率，还培养了学生的实践能力、创新精神，学生在做中学、做中思、做中悟，学科核心素养有了很大的提升。教育的根本目的是立足“人的发展”，数字化手持技术与化学学科的深度融合也是“人文、技术、学科”的大融合。从教师层面来看，数字化手持技术与化学教学的融合不仅能够深化教师的学科认知，还可以提升教师的教研能力。从教学层面来看，数字化手持技术能够帮助学生在现有认知发展水平上感知科学、理解抽象化学概念。从学生层面来看，数字化手持技术与化学教学的融合，不仅能够帮助学生深度理解化学本质及规律，还能够激活学生的批判思维和创新精神，提升学生的证据意识，提高学生的科学探究能力、图像分析能力，培育学生的学科素养。作者单位 西安市教育科学研究院BENQI CEHUA/本期策划本期策划关注引领与2023 982910