初中化學課堂數(shù)字化手持技術(shù)的應用

化學實驗中原有的定性實驗，不再能滿足學生的探知需求，為了增質(zhì)提效，數(shù)字化實驗應運而生。數(shù)字化實驗是探究物質(zhì)及物質(zhì)間反應情況或程度的一種工具，將反應過程中的抽象或微觀的現(xiàn)象以直觀的數(shù)據(jù)或曲線等形式呈現(xiàn)，作為化學實驗教學的工具，可以創(chuàng)造出高效的學習環(huán)境，便于學生第一時間理解和分析實驗現(xiàn)象，掌握實驗過程和實驗原理，這對于化學實驗教學有著至關(guān)重要的作用。一、數(shù)字化手持技術(shù)的應用背景如今，科學技術(shù)飛速發(fā)展，科技能力不斷加強，我們的教學工作面臨著新的挑戰(zhàn)，尤其是在每章節(jié)的重難點突破方式上，需要滿足更高的學業(yè)質(zhì)量要求?；瘜W學科的特點是以實驗為基礎(chǔ)，通過對實驗現(xiàn)象的觀察、實驗結(jié)論的分析，學生可以走進物質(zhì)世界、揭示物質(zhì)奧秘。但不是所有的實驗都有明顯的現(xiàn)象，也不是所有的實驗都能通過物理性觀察得出結(jié)論。為了避免出現(xiàn)學生機械性記憶的情況，讓學生明白實驗原理，真正學習到實驗基本技能，化學實驗教學必須開發(fā)新思路，利用技術(shù)手段將化學實驗由繁入簡、由隱入顯，肩負起提升學生科學素養(yǎng)的使命?！笆殖旨夹g(shù)”也被稱為掌上實驗室，是由微電子技術(shù)和電腦兩者結(jié)合的數(shù)字化實驗技術(shù)，手持技術(shù)儀器一般包括：電腦、傳感器、數(shù)據(jù)采集器還有相應的軟件。手持技術(shù)能一同完成數(shù)據(jù)的采集和分析，以曲線的形式呈現(xiàn)在電腦上，具有直觀性、實時性、定量性等特點。將手持技術(shù)應用到初中的化學實驗教學和探究性學習中，能有效地轉(zhuǎn)變學生已往的抽象實驗、預設(shè)性實驗的學習方式，能簡化實驗的分析過程，利用直觀且客觀的數(shù)據(jù)及曲線等信息，更便于得到實驗結(jié)果。在培養(yǎng)學生的科學探究能力，形成化學觀念，有針對性地解決實際問題上，數(shù)字化手持技術(shù)的實驗探究，體現(xiàn)出了當下基礎(chǔ)教育改革的理念和思想。二、數(shù)字化手持技術(shù)的應用策略以統(tǒng)編版化學教材（五四制）九年級第三單元課題2“酸與堿的中和反應”的教學過程為例，在盛裝5mLNaOH溶液的小燒杯中滴入無色酚酞溶液，燒杯中的溶液由無色變?yōu)榧t色，說明溶液是堿性的，再向此紅色溶液中逐滴加入稀鹽酸，邊加邊攪拌，至溶液由紅色變?yōu)闊o色為止，說明溶液此時已不顯堿性。學生通過觀察到溶液顏色的改變，推理判斷溶液中的NaOH已經(jīng)被消耗，從而證明NaOH與稀鹽酸發(fā)生了化學反應。通過反應物被耗盡，得到兩種物質(zhì)間反應的發(fā)生，學生通過定性和推理的方式得出結(jié)論，并沒有直觀獲取物質(zhì)減少的過程和被消耗的相關(guān)數(shù)據(jù)。此實驗的弊端是在NaOH被部分消耗的時候，無法證明反應物在減少，即教材上的實驗只能定性得到結(jié)果，實現(xiàn)不了一部分反應物參加反應的定量情況。但如果利用數(shù)字化手持技術(shù)輔助教材實驗，由原始的定性變成定性和定量相結(jié)合，由原始的宏觀現(xiàn)象變成通過微觀反應來解釋宏觀現(xiàn)象，由抽象的實驗變成直觀的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，采用宏微結(jié)合的思想，讓學生對實驗過程的理解更加充分。本實驗可以采用數(shù)字化手持技術(shù)，從體驗pH變化、溫度變化和電導率變化的過程，多角度呈現(xiàn)NaOH與稀鹽酸發(fā)生中和反應的現(xiàn)象。通過數(shù)字化手持技術(shù)獲得的實驗證據(jù)，有助于分析酸堿中和反應的實質(zhì)，進而形成認識復分解反應的微觀視角。中和反應中pH、溫度、電導率等變化的數(shù)值曲線實證，體現(xiàn)出化學實驗數(shù)據(jù)處理和分析的一般過程，初步形成研究無明顯現(xiàn)象反應的思維模型。（一）利用pH傳感器完成NaOH溶液與稀鹽酸的實驗探究（見表1）表1pH變化分析表此實驗中pH的變化特別明顯（見圖1），曲線變化較大，能夠直接看到pH由大于7到接近7，在持續(xù)加入鹽酸的過程中，pH最終小于7，能觀察到OH-逐漸減少至消失的過程。圖1pH變化曲線圖（二）利用溫度傳感器完成NaOH溶液與稀鹽酸的實驗探究（見表2）表2溫度變化分析由于溫度傳感器靈敏度高，因此得出的曲線為鋸齒狀（見圖2），在這里引導學生對該數(shù)據(jù)進行分析，用曲線來大致描繪溫度的變化趨勢，即可得到清晰的曲線圖。引導學生分析圖中的相關(guān)信息，總結(jié)得出中和反應為放熱反應的特點。圖2溫度變化曲線圖但問題出現(xiàn)了，熱量來源于哪些微粒的結(jié)合？通過完成該化學反應的方程式，可以發(fā)現(xiàn)，熱量要么來源于氫離子和氫氧根離子結(jié)合，要么來源于氯離子和鈉離子結(jié)合。這樣一來教師可以設(shè)計補充實驗的方案（硝酸鈉和氯化鉀的混合），同時也體現(xiàn)出控制變量的思想，混合過程中溫度無明顯變化，通過兩組溫度變化圖進行對比，可以看出中和反應放出的熱量來源于H+和OH-離子的結(jié)合，進而也證明了NaOH與鹽酸發(fā)生了反應。（三）利用電導率傳感器完成NaOH溶液與稀鹽酸的實驗探究（見表3）可以看出，在常溫、常壓下，溶液中涉及到的離子只有Na+、Cl-、H+或OH-，與溫度測量一樣，體現(xiàn)控制變量的思想，設(shè)計實驗的過程中，同樣增加對比實驗，測定鹽酸加氯化鈉、鹽酸加氫氧化鈉的電導率圖進行對比，可以很明顯的發(fā)現(xiàn)兩幅圖的區(qū)別在于中和反應的電導率是有回升（見圖3），能得到中和反應的實質(zhì)，進而證明了NaOH與鹽酸發(fā)生了反應。圖3電導率變化曲線圖表3電導率變化分析表實驗實驗現(xiàn)象分析實驗結(jié)論電導率傳感器電導率曲線先逐漸下降，再逐漸上升。未滴入鹽酸時，NaOH溶液中大量存在Na+和OH-，溶液導電性較強，隨著鹽酸與NaOH發(fā)生反應，溶液中H+與OH-反應生成導電性弱的水，溶液導電性減弱，當減弱到最低點時，說明兩者恰好完全反應，曲線接著升高，說明鹽酸過量，大量存在H+和Cl-，溶液導電性增強。NaOH溶液與鹽酸發(fā)生了化學反應結(jié)合三個實驗，從不同的角度和量的變化，展示給學生最直觀的數(shù)據(jù)現(xiàn)象，得出酸堿中和反應的實質(zhì)是H+和OH-結(jié)合生成水分子，進而引導學生總結(jié)出研究無明顯現(xiàn)象反應的一般方法：反應物被消耗或耗盡。應用了數(shù)字化手持技術(shù)的化學實驗，把不同的物理量以變化曲線的形式展示出來，讓學生從多角度看到了NaOH與鹽酸反應的現(xiàn)象，學生更直觀地看到反應中物質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)的變化過程，從而更深刻地理解了中和反應[2]。在定性的基礎(chǔ)上，在結(jié)合定量的分析得出反應能夠發(fā)生的結(jié)論。三、結(jié)論與反思《義務(wù)教育化學課程標準（2022年版）》中明確提出，輔助學生能用嚴謹性強、科學性強的語言和必要有效的信息技術(shù)手段合理描述并整理出探究的過程和結(jié)果，并能從多視角對常見的化學實驗進行全面地探討和分析?？梢?，數(shù)字化的手持技術(shù)作為提升課堂教學質(zhì)量的有力手段，可以為化學實驗的教學提質(zhì)增效。用數(shù)字化手持技術(shù)實驗來