化学教学中应用数字化实验，你怎么看？

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化学教学中应用数字化实验，你怎么看？

原创：魏明贵中小学数字化教学 2019-11-23

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今天分享的文章中，作者用案例向我们讲述了在化学教学中，怎样应用数字化实验。对于数字化实验，您怎么看？在文末说出您的观点吧。

例谈化学数字化实验“五化”教学

文 | 魏明贵安徽省宣城市第六中学教师

数字化实验是化学教学中定量研究的一种重要方法，它不仅能有效地提高课堂教学效率，也是信息技术与化学教学整合的新途径。笔者基于案例来谈谈数字化实验在化学教学中的应用。

一、数字化：让化学教学更具有说服力

使用玻璃仪器和试剂等做实验，操作简单，对于有发光、放热、颜色变化等现象明显的化学反应教学效果好，但对于肉眼难以观察现象的实验，学生很难了解变化的微观过程，只能凭空想象，教学效果不好。

如何在实验室收集二氧化碳？在中学化学教材中，通常用向上排空气法收集二氧化碳（20℃，标准大气压下，1体积水中能溶解0.88体积的二氧化碳）。因此，通常认为不能用排水法收集二氧化碳。在传统实验中，都是使用向上排空气法收集二氧化碳并且用燃着的木条验满，实验证明当二氧化碳体积分数超过30%就能使点燃的木条熄灭。但传统实验无法提供具有说服力的“数据”来说明二氧化碳是否可以用排水法或者向上排空气法测二氧化碳的纯度。

利用压强传感器可监测一定时间内二氧化碳在水中的溶解速率（如图1）。根据实验所得数据计算可以得出，二氧化碳在排水法收集气体过程中损失约为0.083%。据此可以得出结论：在正常情况下二氧化碳气体在水中溶解速率很慢，远远小于二氧化碳的制取速率。因此，可以用排水法收集，且收集到的二氧化碳较排空气法更纯净。

应用数字化实验能在短时间得出完美的曲线和相关的数据，使原来看不到的现象可视化，而且用数据来说话，不仅解决了传统实验中不能解决的困惑，而且使教学中得出的结论更加具有说服力。

二、定量化：让实验教学更具科学性

对于九年级上册第二单元 “课题1——空气”关于“空气是由什么组成的”问题，200多年前，拉瓦锡通过传统实验定量分析空气的成分（如图2），在课堂上笔者通过红磷燃烧测定空气中氧气含量（如图3），并应用数字化仪器做数据分析且以图表呈现，让实验现象可视化。

在一个密闭容器中，可燃物燃烧耗尽空气中的氧气，冷却后，瓶中压强小于外界大气压，使烧杯中液体倒流进入集气瓶。用燃烧法能准确测出空气中氧气的含量吗？笔者利用氧气传感器测定红磷燃烧耗氧时发现，氧气含量降至8.0%就不再减少。

数字化实验精准的“定量化”，让我们清晰看到教学中传统的“定量”实验实际状况。在实验教学中教师除了教会学生基本实验操作方法、探究的一般步骤外，还有一个重要的使命，那就是培养学生严谨的态度、科学的方法、良好的习惯。不能为了达到想要的目的而不顾实验现象与结论等的不一致性，这与化学实验教育宗旨背离。用燃烧法无法精准测出空气中氧气的含量（可燃物燃烧对氧气浓度有一定要求），利用数字化的方法继续探究（还原铁粉替代红磷）可以得出科学的结论（如图4）。

图4 用还原铁粉测空气中氧气含量耗氧测定

数字化实验（特别是传感器实验）精准度高、误差小，这使化学规律的探究发现或者探究验证更具有严谨性和可信性。数字化实验为学生的“定量化”研究提供了研究平台，有利于学生理解科学本质，使实验教学更具科学性。

三、可视化：让学生分析能力得以提升

教师期望学生在科学探究中，对事实与证据进行加工与整理，在教师的指导下或通过讨论，对所获得的事实与证据进行归纳，得出正确的结论。数字化实验中实验者通过与计算机连接的传感器实时采集并记录数据，实现了实验过程数据自动记录，相当于用传感器和计算机代替人的眼、手以及纸和笔记录数据，不仅实现了数据记录的连续性，而且实现了瞬间变化的“可视化”。学生不仅看到美丽而又精准的曲线，而且通过对曲线图的特点，交流、讨论并得出结论。

将酚酞溶液滴入某氢氧化钠溶液中，溶液变红，过一会儿红色消失了。对于这一异常现象，传统实验条件下，如果教师所演示的氢氧化钠溶液浓度较低，短时间内学生很难看到颜色变化，由于缺乏“可视性”教师也可能不会提及；或者再配置出不同浓度的氢氧化钠溶液通过对比实验来完成，但还是缺少了过程的分析，以致实验不够完美。

数字化实验条件下，如果利用色度传感器测溶液的颜色变化，不仅可以通过“可视化”的曲线变化，观察实验过程的细微变化，而且可以通过曲线分析实验结论（如图5）。根据曲线不仅可以分析“氢氧化钠溶液浓度是酚酞溶液红色褪色的主要原因”，而且可以分析得出“溶液浓度越大，一开始酚酞溶液变红色的颜色越深，褪色越快”的结论。分析曲线变化趋势可以发现，在5%浓度的氢氧化钠溶液中酚酞溶液褪色时长大于280s 。

利用活性炭吸附有色的物质（如红墨水）可以用传统实验方法操作。如果利用传统的实验方法吸附二氧化硫无色气体，实验者则无法看到实验现象，而利用二氧化硫传感器实现实验的“可视化”，不仅可以让实验者看到电脑屏幕上二氧化硫曲线变化，而且可以做分析。如学生用活性炭吸附二氧化硫后再升高温度（如图6），根据曲线变化趋势，可分析推断升温后活性炭的吸附能力降低，发生了脱附现象等。

借助数字化实验，不仅展现化学的美，而且通过实验的“可视化”提高了学生对数据、图像的分析能力。

四、智能化：让难以完成的实验变为现实

有些化学实验现象是肉眼难以观察的，通过传统实验很难得出相关结论，以致在课堂教学中讨论某些知识点时，教师时常让学生生硬地接受。

对于酒精灯（或蜡烛）的三层火焰的温度高低，很多教师认为“外焰温度最高，加热物质时应该放在外焰”，学生也是机械地记忆。利用温度传感器的“智能化”可以破解这一传统实验难题，实现实验数字化和可视化。学生分析实验数据，发现蜡烛火焰应该是内焰的温度最高，而外焰与空气接触充分，所以正确的试管加热方法是将试管放在外焰和内焰之间。

五、手持化：让实验教学更加绿色环保

化学实验中应高度关注安全问题，避免污染环境。数字化实验具有“手持化”的特征。手持技术是以尽可能少的化学试剂在微型化学仪器装置中进行实验来获取化学信息的实验方法与技术。实验具有“实验仪器微型化”和“试剂用量节约化”两个基本特征，具有环保、安全、反应时间短、节省开支等优点。

开展微型化学实验有利于激发学生学习化学的兴趣，培养学生的动手能力和观察能力，并有利于提高学生的创造性思维能力与探究能力，且能培养学生的环保意识和绿色化学观念。例如，在探究吸附剂吸附二氧化硫影响因素实验中，二氧化硫的量非常少，只需注入1~2 mL在密闭容器中即可完成实验。数字化实验让教师在实验教学中更加凸显化学实验的绿色环保。

化学教学中教师适时利用数字化实验，让学生借助信息技术手段获得精确的实验数据，同时对数据进行整理分析，不仅能更好地阐述化学反应的原理，而且提高了化学实验教学的效率。这也是信息技术与化学教学整合的新途径。

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