03x關于在高中化學中展開學生數(shù)字化實驗的研究

1、關于在高中化學中展開學生數(shù)字化實驗的研究上海市浦光中學 徐琤雅 張玲 楊宇翔 目前數(shù)字化實驗已深入到社會生產(chǎn)和生活的各個領域，對數(shù)字化實驗的核心設備各種傳感器及微電極的研究為我國分析化學領域優(yōu)先資助的前沿課題。在中學化學教育中引入數(shù)字化實驗教學，一方面彌補了傳統(tǒng)實驗工具的缺陷，使實驗的方法更加先進，實驗的數(shù)據(jù)更加準確，實驗的步驟更加清晰；另一方面革新了化學實驗儀器與方法，拓展了化學實驗的內(nèi)容。我校有非常有利的硬件條件專屬數(shù)字化教學的實驗室。為了有效地利用學?，F(xiàn)有資源，為了將數(shù)字實驗與教學實踐更好的結合，通過對幾個典型的中學化學實驗的研究與改進，將其傳統(tǒng)的實驗操作方法改進為數(shù)字化操作，定位于可廣

2、為推廣的學生實驗，應用于日常教學與學生的研究型學習。同時對中學化學教學中合理應用數(shù)字實驗提供一定的教學參考，進一步推進數(shù)字實驗在教學中的優(yōu)勢發(fā)揮應用，從而有效地提高高中化學的教學質(zhì)量。本研究在高中化學新教材的教學中積累相關案例，從實踐中研究與改進幾個典型的中學化學實驗，將其傳統(tǒng)的實驗操作方法改進為數(shù)字化實驗，應用于日常教學與學生的研究型學習。對中學化學教學中合理應用數(shù)字實驗提供一定的教學參考，發(fā)揮數(shù)字實驗在教學中的優(yōu)勢，使之與課堂教學更為合理、緊密地整合。課題研究內(nèi)容：（1） 研究能廣泛適用于高中化學教學的學生數(shù)字化實驗案例。（2） 研究學生數(shù)字化實驗方案及其實驗報告的設計。（3） 研究比較學

3、生數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)學生實驗的教學效果。（4） 研究學生數(shù)字化實驗對高中化學教學的實踐價值。（5） 研究學生數(shù)字化實驗對于提高學生能力的意義。（6） 研究在實踐過程中所遇到的問題。研究結果：（一）能廣泛適用于高中化學教學的學生數(shù)字化實驗案例。在高中學段化學理論體系中，理論上有不少可用數(shù)字化實驗實現(xiàn)的實驗。數(shù)字化實驗案例相關化學理論傳感器1. 溶質(zhì)在溶解過程中的能量變化現(xiàn)象化學變化中的能量變化溫度傳感器2. 中和反應中的熱效應溫度傳感器3. 溶液酸堿度測定電解質(zhì)溶液、強弱電解質(zhì)、鹽類水解傳感器4. 各種溶液導電性的測定電導率傳感器5. 強弱電解質(zhì)的鑒別傳感器、電導率傳感器6. 酸堿中和滴定傳感器、

4、滴數(shù)傳感器7. 溫度對弱電解質(zhì)電離的影響傳感器、溫度傳感器8. 活潑金屬與酸反應的速率化學反應速率、化學平衡理論氣壓傳感器9. 固體表面積對化學反應速率的影響氣壓傳感器此外，將若干傳感器很好的組合，更可實現(xiàn)大型的、戶外或與實際生活相關的學生探究性實驗，比如水質(zhì)測定、飲料成分測定、碘鹽中含碘量的測定等等。（二）學生數(shù)字化實驗方案及其實驗報告的設計。在傳統(tǒng)實驗方案及實驗報告的基礎上，突出對于實驗數(shù)據(jù)的研究與分析，強化學生對于實驗結果數(shù)形結合認知、分析、歸納、總結的能力，相對簡化具體的實驗操作步驟，偏重學生對實驗方案的自行設計，在實驗中滲透學生主觀能動設計實驗的能力。初步擬定實驗方案及實驗報告有以下

5、幾個部分組成：實驗探究目的、實驗設計依據(jù)原理、實驗器材及藥品選用、實驗操作步驟、實驗結果輸出、實驗數(shù)據(jù)分析、實驗誤差討論等。在此，筆者選取呈現(xiàn)一個案例。濃度對化學反應速率的影響實驗原理：除參加反應各物質(zhì)本身化學性質(zhì)以外，還有許多因素均可能會對化學反應速率產(chǎn)生一定影響，這些因素包括反應物的濃度、物理條件例如反應物表面面積、溫度、催化劑的存在與否、壓力（如果反應包含氣體）、以及光等等?；瘜W反應速率可以通過研究單位時間內(nèi)產(chǎn)物或反應物的數(shù)量(或濃度)的改變率來檢測。在這個實驗中, 是其中一個形成的產(chǎn)物。通過使用氣體壓力傳感器, 這個反應的變化率可以由在一個附上的反應容器的壓力的增加被測試。通過改變反應

6、物的濃度, 我們可以研究濃度對反應速率的效應。實驗目的：一、使用計算機來測量來自反應物形成的氣體壓力的變化二、研究反應物濃度對反應速率的影響實驗儀器及藥品：計算機、氣體壓力傳感器及專用試管、50/鹽酸實驗步驟：一、使用沙皮紙將鎂帶表面的氧化膜去除，取等長約2厘米長的鎂帶，分別裝入兩支干燥的專用試管中。二、用兩只10量筒分別量取5/鹽酸及5/鹽酸，放在一旁備用。三、預備氣體壓力傳感器來采集數(shù)據(jù)，將開始采集的條件定為壓力在104kPa 以上。四、將5/鹽酸倒入一支裝有鎂條的專用試管，開始采集數(shù)據(jù)。/鹽酸。實驗數(shù)據(jù)（以圖表形式輸出）問題與討論一、描述你的圖表中出現(xiàn)的兩條曲線。評論兩條曲線的形狀。二、

7、在反應的速率上，你可以總結關于反應物濃度的效果嗎?三、在這反應中哪一種反應物是過量的，是鎂還是鹽酸? 請解釋原因。知識擴展/的硫酸與鎂條的反應曲線。（三）比較學生數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)學生實驗的教學效果。傳統(tǒng)實驗教學效果顯著，但數(shù)字化實驗作為與傳統(tǒng)實驗相輔相成的教學手段，更具有不可比擬的優(yōu)越性。數(shù)字化手段可以極大地擴展實驗的可視性和可重復性。在采集數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)上，計算機和傳感器等數(shù)字手段的介入可以更快更準確地得到實驗數(shù)據(jù)，從而節(jié)省寶貴的教學時間，把更多的時間用于學生討論問題、解決問題上，讓學生在課堂上產(chǎn)生更多的興趣點，提升學習的主動性，加強學習能力的培養(yǎng)。例如，電導率，中學化學教材中一般不出現(xiàn)這個概念

8、，在研究強弱電解質(zhì)時，傳統(tǒng)實驗僅限于用小電珠光亮程度來檢驗溶液的導電能力，操作繁瑣且現(xiàn)象欠佳，若借用數(shù)字實驗的圖像呈現(xiàn)，用數(shù)字說話的形式，讓學生直觀地體會出溶液中離子“量”的問題，若干條簡單的工作曲線就能比較直觀地說明此較為抽象的知識點即溶液的導電能力與離子濃度有關。因此，在一年的課題研究過程中小組成員累積類似案例，研究比較學生數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)學生實驗的教學效果，以實現(xiàn)數(shù)字化實驗在傳統(tǒng)實驗基礎上的突破、數(shù)字化實驗對傳統(tǒng)實驗的進一步延伸、數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)化學實驗的整合。在此，筆者選取兩個案例加以詳細說明。案例一：催化劑間的競爭（拓展型課程）傳統(tǒng)實驗數(shù)字化實驗實驗目的探究雙氧水分解催化劑的效果實驗

9、原理給定質(zhì)量的反應物轉變成產(chǎn)物的時間是通過反應速率來描述的。許多因素可能影響這個速率。這些可能包括反應物的濃度、物理條件例如反應物表面面積、溫度、催化劑的存在與否、壓力(如果反應包含氣體)、以及光等等。反應速率可以通過研究產(chǎn)物或反應物的數(shù)量(或濃度)的改變率來檢測。一個反應通常有其相配的催化劑，催化劑能極有效地增加反應的速率。不同于反應劑，催化劑在反應結束時不會 (作化學上的) 改變。有一類非常重要的催化劑，叫做酵素，在生物中有舉足輕重的重要性。藥品3%雙氧水、二氧化錳固體、碘化鉀、溴化鉀、三氯化鐵，胡蘿卜泥等實驗器材試管、膠頭滴管計算機、氣體壓力傳感器及專用試管、50量筒、移液管實驗操作以雙

10、氧水自然情況下分解為參照，分別在同濃度同體積的雙氧水中加入少量二氧化錳固體、碘化鉀、溴化鉀、三氯化鐵，胡蘿卜泥等，觀察氣泡產(chǎn)生情況以雙氧水自然情況下分解為參照，使用氣壓傳感器測定在同濃度同體積的雙氧水中加入少量二氧化錳固體、碘化鉀、溴化鉀、三氯化鐵，胡蘿卜泥等時產(chǎn)生氣體的情況實驗數(shù)據(jù)學生主觀判斷，用“快”或“慢”描述實驗現(xiàn)象以P-t圖表形式案例分析：催化劑間的競爭作為一節(jié)拓展性課，教師指導學生圍繞“催化劑”的概念，設計實驗方案，驗證假設，經(jīng)過多次實驗探究，學生成功地發(fā)現(xiàn)了雙氧水分解的新催化劑、，進而又發(fā)現(xiàn)新問題：為什么作為雙氧水分解的催化劑均含有氧元素？是否因為反應過程中它們所含氧元素轉化為氧

11、氣？通過多次實驗比較，學生得出更多可以用來促進雙氧水分解的催化劑。整堂課的反復重復雙氧水分解的實驗，不同之處就在于所添加的試劑不同。按照傳統(tǒng)實驗的做法，在不同的試管中加入適量的同濃度的雙氧水，然后分別加入不同的催化劑，觀察氣泡產(chǎn)生的速率，判斷催化劑效率的高低，總結記錄實驗結果。引入數(shù)字實驗教學，基本步驟相同，但是對于不同催化劑的效率不再是根據(jù)學生主觀視覺判斷，而是根據(jù)氣泡產(chǎn)生的同時在試管內(nèi)會造成一系列壓強，連接的氣壓傳感器可以感受到這些細微壓強的變化，在個人電腦的屏幕上以P-t的圖形出現(xiàn)。比較這兩種教學實驗的效果，統(tǒng)實驗對于學生的動手能力更有幫助，在通過對于實驗現(xiàn)象本身的觀察中，找出效率較高的

12、催化劑，但是往往靠個人感官的判斷有時難以得到精確的結果，再加上由于學生主觀判斷的差異性、不同催化劑催化效果前后靠肉眼觀察對比并不明顯，最后可能無法實現(xiàn)最初設定的教學目標。而使用數(shù)字實驗教學，則可以更好地提高學生對于實驗結果的精確把握，數(shù)字傳感器可以感受到壓強的細微變化，從而提高了學生分析數(shù)據(jù)，解析圖形的能力。案例二：探究驗證醋酸是弱電解質(zhì)的實驗方案（研究型課程）三維目標知識與技能：通過實驗的研究，對電離平衡、化學反應速率、鹽類水解等相關知識點有進一步的認識和鞏固，并能運用于實踐。過程與方法：一、 運用傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗手段對同一課題進行較為全面的探究。二、 將弱電解質(zhì)醋酸的某些性質(zhì)與強電解質(zhì)

13、鹽酸作比較，揭示強弱電解質(zhì)的本質(zhì)區(qū)別。三、 學生發(fā)現(xiàn)問題，小組討論，設計試驗方案。情感態(tài)度與價值觀：一、實驗方案設計，學生多角度思維方式訓練。二、學生自己發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，設計試驗方案，并進行實踐操作，在提高學生解決化學問題能力的同時也鍛煉了動手能力。三、運用數(shù)字化實驗解決實際問題，引導學生透過現(xiàn)象揭示事物變化本質(zhì)。教學流程的鹽酸與醋酸的值分別為多少？強電解質(zhì)鹽酸與弱電解質(zhì)醋酸電離的本質(zhì)區(qū)別提出問題：如何用實驗驗證醋酸是一種弱電解質(zhì)學生討論比較同濃度醋酸、鹽酸與鎂條反應的起始速率比較同值醋酸與鹽酸的濃度測定已知值醋酸的濃度測定已知濃度醋酸的值比較醋酸鹽與鹽酸鹽的值比較同濃度醋酸與鹽酸的值醋酸

14、鹽對醋酸電離的影響電離平衡的進一步探究等量水稀釋對醋酸與鹽酸電導率的影響等量水稀釋對醋酸與鹽酸值的影響比較同濃度醋酸與鹽酸的電導率比較同電導率醋酸與鹽酸的濃度溫度對醋酸電離的影響鹽酸、醋酸滴定曲線實驗驗證或推論小結實驗器材及藥品酸堿度傳感器、滴數(shù)傳感器、電導率傳感器、氣壓傳感器、試管架、干燥大試管若干、小試管若干、50小燒杯、500大燒杯、10量筒、50量筒、玻璃棒、表面皿、砂紙、蒸餾水瓶、水槽、鑷子、/醋酸、/醋酸、酚酞、甲基橙、醋酸鈉晶體、氯化鈉溶液、醋酸鈉溶液、鎂條用于探究推論的傳統(tǒng)實驗用于探究推論的數(shù)字化實驗探究驗證推論的具體實驗A. 使用試紙比較同濃度醋酸與鹽酸溶液的值B. 用酚酞試

15、劑或試紙測定醋酸鹽與鹽酸鹽的酸堿性C. 用甲基橙試劑測定醋酸鹽對醋酸電離的影響A. 使用氣壓傳感器比較同濃度醋酸、鹽酸分別與鎂條反應的起始速率B. 使用酸堿度傳感器、滴數(shù)傳感器比較等量水稀釋對醋酸與鹽酸值的影響C. 使用電導率傳感器、滴數(shù)傳感器比較等量水稀釋對醋酸與鹽酸電導率的影響D. 使用溫度傳感器、酸堿度傳感器測定溫度對醋酸電離的影響案例分析：此案例屬于研究性課程。研究性學習是一門課程，沒有一定的模式，是在教師的指導下，由學生自己選擇和確定研究的課題或項目的設計，自己收集、選擇、分析信息資料，應用知識去解決實際問題的一種課程。它的學習內(nèi)容極具綜合性和開放性，因為對于一個實際問題，學生必須運

16、用多個知識解決。比如此案例中驗證醋酸是弱電解質(zhì)的實驗方案理論上不下十種，學生可以從電離平衡、鹽類水解、化學反應速率等角度驗證了醋酸是弱電解質(zhì)這一觀點，如果完全依靠傳統(tǒng)實驗，某些實驗根本無法實現(xiàn)，而且在短時間內(nèi)也無法實現(xiàn)所有推論的驗證，這樣留給學生思考問題從而解決問題的時間就所剩無多了。據(jù)數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗比較，由于學生在數(shù)據(jù)處理上的時間大大縮短，這就給學生創(chuàng)造了多余空間，使他們在探索研究的投入的時間與精力都上大幅度增加，而這正是符合二期課改研究性課程理念的。圖一 數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的比較圖但在整個研究性學習過程中，我們并沒有完全依賴于數(shù)字化實驗，而是采用了傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗相結合的方法。

17、傳統(tǒng)實驗經(jīng)過多年的實踐，也有其必然存在的經(jīng)典價值，有些實驗使用數(shù)字化手段反而化簡為繁，比較同值醋酸與鹽酸的濃度、測定已知濃度醋酸的值、比較同濃度醋酸與鹽酸溶液的值、比較醋酸鹽與鹽酸鹽的值等等這幾種方案使用傳統(tǒng)實驗器材比如試紙、計甚至是酸堿指示劑即可快捷地得出結論，使用數(shù)字化實驗反而華而不實、欲速則不達。圖二 同濃度鹽酸、醋酸分別與鎂條反應的起始速率但凡涉及到定量線形變化或電導率的實驗，比如比較同濃度醋酸與鹽酸的電導率、比較同濃度醋酸、鹽酸分別與鎂條反應的起始速率、等量水稀釋對醋酸與鹽酸值的影響、等量水稀釋對醋酸與鹽酸電導率的影響、用同濃度氫氧化鈉分別中和等濃度等體積鹽酸與醋酸的滴定曲線、醋酸鹽

18、對醋酸電離的影響、溫度對醋酸電離的影響等等這些寫實驗方案我們就不得不借助于數(shù)字化實驗。圖三 同濃度同體積鹽酸和醋酸同倍稀釋后電導率變化曲線圖四 同濃度氫氧化鈉分別中和等濃度等體積鹽酸、醋酸的滴定曲線綜上所述，因此數(shù)字化實驗只是互補于傳統(tǒng)實驗的一種手段，我們應將兩者很好的整合，通過將近一年具體操作實踐過程中的積累，小組成員就數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)學生實驗的教學比較結果如下：傳統(tǒng)實驗數(shù)字實驗聯(lián)系傳統(tǒng)實驗和數(shù)字實驗在教學中是互補的角色，數(shù)字實驗是某些傳統(tǒng)實驗的補充和改進，起到的是共同促進課堂教學的作用。區(qū)別實驗器材上的巨大不同以及實驗課題選材的側重點實驗器具傳統(tǒng)的實驗器材，改進后新穎的實驗器材電腦、數(shù)據(jù)提

19、存器、各種可供選擇的傳感器實驗效果經(jīng)典實驗不可替代，但其它一些實驗方法陳舊、延續(xù)時間長、數(shù)據(jù)處理繁瑣、可信度差可以完成原有實驗手段不可能完成的實驗。極大地擴展了實驗的可視性和可重復性，以往肉眼看不見的實驗現(xiàn)象，可以借助數(shù)字視頻技術在時間和空間上的擴展可以清楚地采集下來反復觀察。在采集數(shù)據(jù)上，數(shù)字實驗可以更快更準確地得到實驗數(shù)據(jù)，提高課堂效率。實驗帶來的思維方式大多實驗步驟預先設置，學生只能“按圖施工”，缺乏獨立思考和創(chuàng)造性活動，好多僅僅是技能的訓練，對于學生的質(zhì)疑沒有起到一個很好的鋪墊作用。因為沒有可參照的案例，所以給學生提供了很大的思考空間，學生可以在有理論知識的基礎上選擇器材設計實驗，特別

20、是實驗得出的數(shù)據(jù)、實驗圖像會給學生以思維的刺激，激發(fā)學生去思考、去討論，培養(yǎng)了學生自主探究的精神。對學生能力的培養(yǎng)動手能力、觀察能力、數(shù)據(jù)分析能力在培養(yǎng)學生動手能力的基礎上，尤其培養(yǎng)的是學生的讀圖能力、分析能力、質(zhì)疑能力課堂效果缺乏一定的互動性教師可以通過屏幕監(jiān)控及時地了解學生的接受知識的情況，實驗的完成情況，學生參與討論的積極性情況等等，能夠比較準確地把握課堂的動態(tài)，使師生的交流更為充分，大大提高了授課效果。（四）學生數(shù)字化實驗對高中化學教學的實踐價值。在高中化學教學中開展學生數(shù)字化實驗必將對傳統(tǒng)的教學理念、教學手段、教學模式帶來很大的沖擊與革新。教學理念：學生數(shù)字化實驗的引入凸顯二期課改的

21、教學理念以學生為本，學生自助設計、操作實驗的機會多了，注重學生為主體的實踐過程，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維、發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題以及搜集處理數(shù)據(jù)等各方面的能力，改變傳統(tǒng)教學忽視科學探究過程只求死記硬背的學習方式，在學生切身體會科學探究的過程中，讓其體會到學習的樂趣以及對科學探究的精神的領悟，增強科學方法意識，更可實現(xiàn)學科內(nèi)以及學科間的整合，甚至是與實際社會生活的融和。教學手段：數(shù)字實驗的出現(xiàn)，也隨之帶來教學手段的革新，更有了多的教學手段的組合，比如數(shù)字實驗、傳統(tǒng)實驗整合教學；單一的數(shù)字實驗演示教學；學生數(shù)字實驗教學，包括學生改進、自行設計實驗等等。教學模式：新的教學途徑的介入，必將引發(fā)更多教學模

22、式的產(chǎn)生，比如以“實驗的數(shù)形”作為引入，整堂課以“學生討論、分析、深入、總結”的模式；比如由傳統(tǒng)實驗和數(shù)字實驗的共同輔佐，以“比較法”滲入教學，進一步強化知識點的掌握；比如實驗探索模式，某些課題有了數(shù)字實驗的介入，可以使探究的過程更加完整，畢竟數(shù)字實驗在某些層面還有著拾漏補缺的作用，學習的完整性得以很好的體現(xiàn)。在此，筆者選取兩個案例加以說明。案例一：固體表面積對化學反應速率的影響（基礎型課程）傳統(tǒng)實驗數(shù)字化實驗實驗目的研究固體表面積對反應速率的影響實驗原理除參加反應各物質(zhì)本身化學性質(zhì)以外，還有許多因素均可能會對化學反應速率產(chǎn)生一定影響，這些因素包括反應物的濃度、物理條件例如反應物表面面積、溫度

23、、催化劑的存在與否、壓力（如果反應包含氣體）、以及光等等?；瘜W反應速率可以通過研究單位時間內(nèi)產(chǎn)物或反應物的數(shù)量（或濃度）的改變率來檢測。在這個實驗中, 大理石與鹽酸反應生成二氧化碳，通過使用氣體壓力傳感器, 這個反應的變化率可以由在一個附上的反應容器的壓力的增加被測試。通過改變反應物的顆粒大小, 我們可以研究濃度對反應速率的效應。藥品/鹽酸、碳酸鈣粉末、塊狀碳酸鈣固體實驗器材試管、100針筒、計時工具、鉆孔橡皮塞、50量筒計算機、氣體壓力傳感器及專用試管、50量筒實驗步驟1. 將4g碳酸鈣粉末裝入干燥的專用試管中。2. 用50量筒量取25/鹽酸，放在一旁備用。3. 將25/鹽酸倒入專用試管，插

24、上連接100針筒的橡皮塞。4. 每隔十秒記錄針筒內(nèi)氣體體積。5. 用4g塊狀碳酸鈣重復上述實驗。3. 預備氣體壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，將開始采集的條件定為壓力在135kPa 以上。4. 將25/鹽酸倒入專用試管，開始采集數(shù)據(jù)。5. 用4g塊狀碳酸鈣重復上述實驗。實驗數(shù)據(jù)以V-t表格形式以P-t圖表形式案例分析：在該案例中，數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗在三方面有比較明顯的區(qū)別。第一， 從實驗器材角度，傳統(tǒng)實驗前期準備較數(shù)字實驗略顯繁瑣。圖五 固體表面積對化學反應速率的影響數(shù)字化實驗裝置圖第二，在實驗具體操作上，傳統(tǒng)實驗耗時較長，易出現(xiàn)實驗失敗現(xiàn)象。傳統(tǒng)實驗通過人工采集幾個特殊時間點產(chǎn)生的氣體體積數(shù)據(jù)，由于時

25、間與目測針筒顯示氣體體積這一環(huán)節(jié)需要較為精密的配合，很容易出現(xiàn)失誤。此外，藥品的取量也個非常關鍵的問題，倘若藥品取少了，針筒內(nèi)氣體體積前后變化不明顯，不利于觀察記錄，而藥品取多了又可能造成起始階段變化過于迅速，在選擇時間點上難以掌握或者說容易錯失最佳數(shù)據(jù)的采集點。而數(shù)字實驗的這一環(huán)節(jié)全由電腦掌控，數(shù)據(jù)采集器不僅能采集某個時間段的實驗數(shù)據(jù)，更可精確到0.1秒乃至更為精細的時間單位，這樣所采集的數(shù)據(jù)較為全面，更為客觀科學，整個實驗變化過程中，學生的注意重心更多的是放在由電腦屏幕呈現(xiàn)出的P-t曲線變化，而不是忙于記錄各種數(shù)據(jù)，數(shù)字實驗更可反復多次，最終得到最為理想的實驗數(shù)據(jù)。第三，實驗數(shù)據(jù)的記錄輸出

26、方式的不同對于學生觀察現(xiàn)象、考慮問題的角度、研究問題的方式方法以及最后對整個知識點的掌握均產(chǎn)生不同的影響。傳統(tǒng)實驗以表格形式呈現(xiàn)： t（s）10203040V（ ）圖六 固體表面積對化學反應速率的影響數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)圖學生從該表中了解某一時間點的化學反應速率，通過計算求得平均反應速率，但由于給定的時間點并不全是采集數(shù)據(jù)的最佳時間點，再加上具體實驗操作過程中出現(xiàn)的失誤，最后得出的結論偏差會很明顯。數(shù)字實驗以電腦輸出圖表形式呈現(xiàn)： 通過這張圖表，學生能更為直觀的了解整個反應過程中產(chǎn)生氣體的快慢程度，對化學反應速率這一概念有更為直觀的了解。再有在實際考試中，學生對帶有圖像的題目總有些許“望而生畏”的感

27、覺，如該知識點就曾以圖像形式成為一經(jīng)典考題，具體考題如下：將塊狀碳酸鈣跟足量鹽酸反應，反應物消耗的質(zhì)量隨時間的變化曲線如下圖的實線所示。在相同條件下，將（>）粉末狀碳酸鈣與同濃度的鹽酸反應，則相應的曲線（圖中虛線所示）正確的是（ ）。使用數(shù)字實驗做過該實驗的學生對該題中出現(xiàn)的圖示并不會感覺陌生，只要稍加思索就能得出正確結論。通過以上三方方面的對比，學生數(shù)字化實驗對高中化學教學的實踐價值可見一斑。案例二：強弱電解質(zhì)的鑒別（基礎性課程）傳統(tǒng)教學滲入數(shù)字實驗的教學教學目標1、 借助常規(guī)實驗手段，通過實驗現(xiàn)象的直觀表現(xiàn)，鑒別強弱電解質(zhì)理解透徹強弱電解質(zhì)的本質(zhì)區(qū)別2、 理解透徹強弱電解質(zhì)的本質(zhì)區(qū)別

28、后，設計出各種可行的實驗途徑，預想出可能的實驗結果，包括曲線圖，發(fā)展學生的拓展思維，發(fā)散思維，培養(yǎng)總結歸納能力。3、 學會學以致用，靈活解題。知識與技能：1、掌握借助常規(guī)實驗和數(shù)字實驗鑒別鹽酸和醋酸的方法2、學會根據(jù)數(shù)字實驗的結果分析問題，最終歸納到強弱電解質(zhì)的本質(zhì)問題。過程與方法對比傳統(tǒng)實驗，設計數(shù)字實驗來區(qū)別鹽酸和醋酸，體會提出假設到運用實驗數(shù)值、曲線驗證假設的學習探究過程，通過動手、觀察、分析形成有關知識。情感態(tài)度與價值觀：培養(yǎng)以科學態(tài)度進行實驗設計能力，提高科學探究的積極性，提高在課堂上的主觀能動性，激發(fā)學習的興趣。教學模式實驗探究、集體討論、歸納總結自主實驗探究、問題解決模式教學重點

29、和難點1、讓抽象的強弱電解質(zhì)的本質(zhì)區(qū)別通過具體的實驗現(xiàn)象讓學生理解2、讀懂題意，學會解析習題1、學會分析圖象、讀懂數(shù)據(jù)，讓抽象的概念以數(shù)據(jù)的形式為學生理解。2、體驗知識探究的過程，學會靈活運用知識，解析習題。教學簡單流程【復習引入】電解質(zhì)的概念強電解質(zhì)的概念弱電解質(zhì)的概念強弱電解質(zhì)的本質(zhì)區(qū)別哪些物質(zhì)分別屬于強弱電解質(zhì)【實驗探討】理解概念的基礎上，讓學生設計強弱電解質(zhì)鑒別的實驗方法【實驗操作】把設計好的實驗付諸于實踐，然后從實驗現(xiàn)象中更加透徹地去理解強弱電解質(zhì)的本質(zhì)區(qū)別-電離程度，讓學生區(qū)分開強弱電解質(zhì)的全部電離和部分電離在實驗現(xiàn)象中的顯示【問題拓展】同濃度的鹽酸和醋酸同倍稀釋，pH值曲線變化會

30、怎樣？【問題解決】學生提出假設，然后設計實驗、繪制曲線，最終論證假設【知識活用】學生練習相關習題，學會學以致用?！締栴}引入】如何鑒別鹽酸和醋酸？【解決問題】學生活動1：從常規(guī)實驗的角度討論鑒別的方法學生活動2：從數(shù)字實驗的角度去探討a) 設計簡單的數(shù)字實驗，交流方案b) 假設實驗結果c) 根據(jù)設計思路，學生動手操作實驗，驗證假設是否成立d) 教師引導，學生分析實驗結果【引出結論1】歸納到氫離子濃度的大小，強弱電解質(zhì)的本質(zhì)區(qū)分【問題遷移】不同濃度的鹽酸借助數(shù)字實驗如何鑒別？【問題拓展】不同濃度的鹽酸在酸堿中和滴定中會影響到什么？【引出結論2】氫離子的濃度影響了酸堿中和滴定教學反思在高中化學教學中

31、，“電解質(zhì)溶液”是比較重要的章節(jié)，但因為內(nèi)容的理論性、抽象性比較強，在傳統(tǒng)教學中很難讓學生理解透“完全電離”“部分電離”中的“量化”概念。學生通過前期的學習，能理解強弱電解質(zhì)的區(qū)別，所以能夠比較好地設計出實驗方案，讓強弱電解質(zhì)的區(qū)別通過實驗現(xiàn)象很直觀地表現(xiàn)出來。在傳統(tǒng)教學的實驗中很難做好“用數(shù)據(jù)來說話”這一點，所以比較欠缺學生讀圖能力、圖像分析能力的培養(yǎng)。強弱電解質(zhì)的討論有很大的討論空間，在這一節(jié)課中只是借助了數(shù)字化實驗這個新的載體從一個新的角度進行了探討，通過一些數(shù)字實驗的設計，通過一些圖像讀取，強化了一些抽象知識點的理解。在這過程中學生的動手能力、觀察能力、圖像分析能力都得以了一定的鍛煉，

32、讓學生真正“動”了起來，學生的主觀能動性被“激發(fā)”了。由于教師和學生接觸數(shù)字實驗的時間不長，對新的教學媒體使用還不是太熟悉，對教學活動設計也還存在一些不足：1 學生整體參與性有所欠缺，學生還沒有完全放開手腳。2 在教學中的問題設計上，教師還可以讓學生有更多的探究問題的空間。數(shù)字化實驗教學并不是要否定和代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實驗教學，而正是在繼承前者的同時進行改進和補充。與應試的結合相同物質(zhì)的量濃度、相同體積的一元強酸（如鹽酸）與一元弱酸（如醋酸）的比較見下表： 比較項目酸中和堿的能力與活潑金屬產(chǎn)生的量開始與金屬反應的速率一元強酸大大相同相同大一元弱酸小小小比較項目酸中和堿的能力與活潑金屬產(chǎn)生的量開始與金屬

33、反應的速率一元強酸相同小小小相同一元弱酸大大大此案例的實踐效果體現(xiàn)在于以下幾個方面：第一，課堂氛圍。因為有數(shù)字實驗的介入，學生課堂活動增多，師生互動增多，學生上課情緒提升，對于教與學都提供了和諧的課堂氛圍。第二，學生對于重點和難點的接受程度?！半娊赓|(zhì)溶液”是比較重要的章節(jié)，但因為內(nèi)容的理論性、抽象性比較強，在傳統(tǒng)教學中很難讓學生理解透“完全電離”“部分電離”中的“量化”概念，而數(shù)字實驗正好可以填補這部分缺憾，通過電導率傳感器的應用，通過對數(shù)字實驗顯示的數(shù)值、曲線的讀取，提供了讓學生鑒別強弱電解質(zhì)的新途徑，使“全部電離”“部分電離”抽象的概念得以具體化的體現(xiàn)。第三，學生學習能力的培養(yǎng)。強弱電解質(zhì)

34、的討論本身就有很大的空間，這一節(jié)課中借助了數(shù)字化實驗這個新的載體從另一個新的角度進行了探討，通過設計數(shù)字實驗對一些數(shù)據(jù)、圖像讀取，把抽象的知識點具體化，深入淺出。學生的實驗設計能力、動手能力、觀察能力、圖像分析能力等其間都會得以鍛煉。第四，知識點的夯實為學生自信應試打下基礎。強弱電解質(zhì)一直是上海高考內(nèi)容中必考的一部分，正是因為知識點的“抽象”，掌握不透徹，所以就成為學生的應試軟肋。而在知識點“吃透”的前提下，學生應試肯定多的是自信。（五）學生數(shù)字化實驗對于提高學生能力的意義。通過幾個月的學生實踐，數(shù)字化實驗對學生各方面能力的確有或多或少的提升。數(shù)字實驗有著傳統(tǒng)實驗無法比擬的優(yōu)越性。在觀察環(huán)節(jié)上

35、，數(shù)字化手段可以極大地擴展實驗的可視性和可重復性。在采集數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)上，計算機和傳感器等數(shù)字手段的介入可以更快更準確地得到實驗數(shù)據(jù)，從而節(jié)省寶貴的教學時間，把更多的時間用于學生討論問題、解決問題上，讓學生在課堂上產(chǎn)生更多的興趣點，提升學習的主動性，加強學習能力的培養(yǎng)。其一，增加了學生親自參與實驗、動手操作實驗的機會。在高中化學教學中，實驗教學的效果的確不容忽視。但是傳統(tǒng)實驗因為各方面條件的局限性，更多走的是演示實驗這條途徑，雖然效果不錯，但畢竟不是全民參與，所以激起的興奮點未必能全部輻射開，而數(shù)字實驗教學以3-4人為一參與小組，各個小組成員各施其職，從實驗方案設計，規(guī)劃使用試劑（也包括一些溶液的

36、自行稀釋濃度等），傳感器的選擇使用，實驗裝置的整體搭建，實驗過程的控制，實驗數(shù)據(jù)的讀取，以及實驗數(shù)據(jù)、圖像的分析，做到了在課堂上讓每個學生“動”起來，并且學生在通力合作中，集體的力量、集體的智慧更能很好地得以體現(xiàn)和發(fā)揮，并且能提升學生融入集體的快樂！其二，數(shù)字實驗的輔佐可以讓化學教學中抽象的理論知識具體化，減少學生學習的心理障礙，激發(fā)學生的興趣。中學化學課程的架構是由幾個具有指導意義的基本理論如物質(zhì)結構理論、氧化還原反應理論、物質(zhì)的量理論、反應速率和化學平衡理論、有機反應原理等構成的，而這些重要理論都建立在原子的微觀結構基礎上。抽象這一共同特點使得這些理論成為學生在傳統(tǒng)教學模式中難以理解掌握的

37、難點內(nèi)容，而學生往往越難就越不愿意學。比如電解質(zhì)溶液這一知識點在高中化學學習中屬于理論性、綜合性、抽象性都比較強的知識點，學生在理解上一直存在著障礙，學過但理解不透的現(xiàn)象非常普遍。像強弱電解質(zhì)的區(qū)別本身就帶有一定量化的形式，量化在傳統(tǒng)實驗中難以得到體現(xiàn)，而數(shù)字實驗就提供了一條以量化的形式區(qū)分強弱電解質(zhì)的途徑。通過電導率傳感器與計算機的相互輔佐，在非常短的時間內(nèi)就可以采集到電解質(zhì)溶液的電導率數(shù)據(jù)，抽象的知識具體化以后更易為學生接受，同時可以數(shù)據(jù)、圖像作為學生能力培養(yǎng)的切入點，一系列的討論、探究活動可以由教師設計后很好的展開。于是教學內(nèi)容的難點反而變成了學生形成學習動機的源泉。其三，數(shù)字實驗與傳統(tǒng)

38、實驗相輔相成，體現(xiàn)出更好的教學效果，同時在一定程度上改變了教學中的工作方式、思維方式和教育方式，從而更全面地培養(yǎng)學生的能力。傳統(tǒng)的教學方法是以教師演示實驗為主，得出實驗結論，學生被動地接受實驗事實，記住實驗結論，然后應用結論解決問題。學生雖然也能很好地利用這些知識點來解決問題，但是體驗不到知識探究的整個過程，當然也就減少了在這個過程中質(zhì)疑精神、創(chuàng)新精神、主動學習的愿望、學生間的協(xié)作等等能力的培養(yǎng)。而有了數(shù)字實驗的輔佐，它的便捷、操作結果的直觀、數(shù)據(jù)處理的迅速讓學生有了更多思考、討論的空間和時間，同時學生多了自身參與的機會后，更加提升了學習的興趣點，更加能夠激發(fā)思維。比如依舊涉及到化學中強弱電解

39、質(zhì)的區(qū)分，學生可以學會從不同的曲線走勢去判別強弱電解質(zhì)，從一些數(shù)據(jù)，從一些曲線，挖掘出強弱電解質(zhì)更多的宏觀表現(xiàn)形式。比如同濃度、同體積的鹽酸和醋酸溶液同倍稀釋后觀察它們的變化曲線，傳統(tǒng)實驗是無法在短時間內(nèi)繪出這么精確的比較曲線的，而數(shù)字實驗中與操作同步出現(xiàn)的曲線，一下子就能抓住學生的興趣點，從而激發(fā)學生的思維。學生就會主動想著去討論曲線的變化趨勢，就會刨根究底想要解決心中的質(zhì)疑，主觀能動性被挑動起來了，學習的興趣也就有了。比如就有學生想到可不可以利用“溫度對碳酸鈉水解影響”的數(shù)字實驗中與溫度的圖像得出弱電解質(zhì)水解的關系式的等等，學生的探究精神是不容忽視的，這需要教師的挖掘，而數(shù)字實驗就給教師提

40、供了一條挖掘學生潛能的途徑。其四：高中化學教學中數(shù)字實驗的順利展開，同樣對于授課教師提出了能力全面發(fā)展的要求。師生之間教學相長，教師能力的提升，為學生能力的提升提供了更有利的條件，提供了更為寬廣的空間。對于教師更是為了能更大程度上挖掘出學生的潛力，培養(yǎng)學生的能力，那就需要教師勤思多想，選擇好課題，以適當?shù)姆绞桨阉玫浇虒W中恰當?shù)沫h(huán)節(jié)中，使其自然地與常規(guī)教學融合，真正地使數(shù)字實驗發(fā)揮其最大的功效多方面培養(yǎng)學生學習能力，最大程度提升教學效率。好的引路者，能讓后來者少走彎路。的確在數(shù)字教學的路途中，教師把一些小的路障掃除，學生的基礎夯實了，學生就有更多的空間去學會思考，教與學的相輔相成，學生各方面能

41、力都會得以提升。（六）研究在實踐過程中所遇到的問題。由于數(shù)字化實驗教學在中學階段剛剛開始起步，因此在研究過程中一定會遇到不少問題：第一，傳感器的使用。如何操作傳感器對于現(xiàn)在這些能熟練應用基礎的計算機技術的高中生來說，已經(jīng)不存在太大的問題，但是如何利用傳感器去測定出精準的數(shù)據(jù)，比如說電導率傳感器校準液一次用完后，如何進行精確溶液的配制，以及pH傳感器緩沖液的配制，應該也是學生需要掌握的基本技能，這樣一方面能提升對儀器維護的意識，更重要的一方面是培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W研究態(tài)度，因為介于傳感器的高靈敏度，一旦沒維護好，數(shù)據(jù)的顯示會出現(xiàn)很大的偏差，而數(shù)據(jù)的偏差會直接導致研究結果、規(guī)律的總結。課題實施一路走

42、來，很多時學生只會去用，而不會注重去維護，等到采集數(shù)據(jù)出了問題，再回過頭，那就是事倍功半了。如何利用好傳感器的問題還在于，合適的時候去合理地用它，有時是時機不合適，譬如說pH值的測定，用傳統(tǒng)的pH計測定，沒了接線、沒了與計算機連接的步驟，應該是更為簡潔明了，但學生會注重了現(xiàn)代化，而拋棄一些傳統(tǒng)的東西，還有學生會缺乏捕捉很好地利用數(shù)字實驗為課堂服務的機會，比如在現(xiàn)用的二期課改高一第二學期的教材上第37頁上“測定大理石與鹽酸反應生成二氧化碳的化學反應速率”，學生實驗中演示的是采用針筒去收集氣體，在不同的時段讀取體積讀數(shù)然后以時間作為橫坐標，氣體體積作為縱坐標，做曲線圖對于“濃度影響化學反應速率”進

43、行用數(shù)據(jù)說話式地分析，的確很為直觀，效果也不錯。但是我們今天有了數(shù)字實驗儀器，我們完全可以采用氣壓傳感器與數(shù)據(jù)提存器相結合，讓時間-壓強的曲線很快地在計算機屏幕上得顯示，快捷，又非常具有說服力，最起碼減少了對于體積讀數(shù)人為的誤差，但學生在課堂上很少能有提出此手段的，那也說明數(shù)字實驗教學還沒有變成常態(tài)化，還沒有完全灌輸給學生，這種理念的培養(yǎng)當然需要一定的過程，我們有待努力。第二，數(shù)字實驗最大的特點就是體現(xiàn)在它的“數(shù)字”上，如何使數(shù)字成為有效的數(shù)字，如何把有效的數(shù)字進行分析、歸納，如何對同一主題實驗分組做后出現(xiàn)的曲線異常進行及時地抓捕、討論、反思，這在我們的課題研究中還是有所欠缺的。比如酸堿中和滴

44、定曲線的顯示，為什么有的小組曲線特別的不光滑？比如同樣濃度溶液同倍率稀釋后，為什么電導率曲線會會有所不同？更有實驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題：比如等體積等值的鹽酸和硫酸分別與足量的片反應，為什么同時間截取的壓強曲線跟理論有出入，前者的速率大于后者的速率，像這種通過曲線的差異順勢問題的提出，然后再逐步解決問題，就是很好的研究課題，但學生往往會忽略掉。因為現(xiàn)在的學生不好發(fā)問，尤其是針對我們這種層面的學生更不愿意深層次的發(fā)問，因為比較畏懼解決問題的過程，所以在今后的研究過程中我們教師還得更注重對學生的啟發(fā)引導，他們不好問，我們從點到面對他們啟發(fā)，讓他們從被動地問到主動地問。四后續(xù)思考傳統(tǒng)實驗所呈現(xiàn)的往往是單一

45、的，而數(shù)字化實驗的引入，則給我們的實驗帶來了生動和具體，增加了探究性，因為它所呈現(xiàn)的是多維的，數(shù)據(jù)和圖象可以同時動態(tài)地表現(xiàn)，可以更快更好地完成化學實驗。在新課程標準的實施過程中，新知識大量地快速增長，使得課程處于尷尬境地：一方面，大量新知識要加入到課程中，加重學生的負擔，另一方面，課程開展的時間又不可能無限地延長,甚至有些課程周課時量在削減，為了讓學生有更多的興趣愛好發(fā)展的空間。解決這種問題的一種出路是：改變課程是繼承人類經(jīng)驗知識精華這個基本觀點，即學習過程為一種單純繼承的觀點，新課程應該是在傳授一些基礎性知識的同時，注重創(chuàng)新性和適應能力的培養(yǎng)，使受教育者學會學習，并且具備終身學習的能力。國際21世紀教育委員會于1996年向聯(lián)合國教課文組織提交的報告中指出：要適應未來社會的發(fā)展，教育必須圍繞：學會認知，學會做事，學會共同生活，學會生存。這四種基本學習能力來全新進行設計。布魯納主張：學習任何學科都應該要學習該學科的基本結構、基本概念、基本原理。而教學過程的中心是促使這些基本知識的遷移，以及幫助學生掌握在不同應用情景中知識的遷移的技能。新課程的基礎性，除了要介紹原汁原味的科學知識外，還應該更加接近社會生活的現(xiàn)實，讓學生真實地理解科學原理的應用及技術，促進知識結構的遷移