《數字化實驗在中學化學教學教學中的應用研究》7800字

數字化實驗在中學化學教學教學中的應用研究—以化學反應原理專題為例摘要數字化實驗相較于傳統(tǒng)實驗具有顯著優(yōu)勢：分辨率高、精確度高、采集與處理速度快、實驗現象更加具體、形象。尤其是與化學原理有關的實驗，傳統(tǒng)的化學實驗過程中學生很難直觀且準確地感受化學變化的過程。為了加深學生對于化學反應原理的理解，本文通過對“化學反應原理”專題中四類化學實驗進行了數字化實驗探究，通過觀察實驗過程中曲線的變化，分析每一階段數據的變化原因，從而能夠讓學生更加高效地理解并掌握相關實驗原理。同時通過比較傳統(tǒng)化學實驗和數字化實驗在教學中的應用情況，可以發(fā)現數字化實驗不僅可以提高課堂效率，而且能夠達到提高學生學習興趣的效果。關鍵詞：數字化實驗；中學化學；應用目錄TOC\o"1-2"\h\u23898摘要 I16631.研究背景 1138841.1選題的緣由 1291021.2研究的目的和意義 1326471.3研究方法 22.29913理論研究基礎 3230372.1數字化實驗的簡介 3138762.2數字化實驗的特點 3117362.3數字化實驗研究發(fā)展現狀 4216323.實驗探究 5247053.1化學反應中能量的變化 56433.2化學反應速率的影響因素—以溫度對反應速率的影響為例 8144923.3鹽類水解的影響因素—以CH3COONa溶液水解受酸堿度影響為例 10141813.4鐵的電化學腐蝕 12142054.結論與展望 1525291參考文獻 16研究背景1.1選題的緣由筆者所在學校在大二下學期設置了數字化實驗課程，筆者剛接觸數字化實驗的時候很感興趣，在課前做好了實驗的預習準備工作，課上認真完成實驗。在實驗結束時老師還會設置一些在教學中可能遇到的問題來詢問我們，旨在培養(yǎng)我們走上教學崗位之后在數字化實驗教學方面可以做到游刃有余。2021年3月-6月，筆者在合肥第四十八中學望湖校區(qū)進行實習，在一次公開課的教學中再次接觸到了數字化實驗。筆者的帶教老師馬俊老師，在運用數字化實驗進行公開課教學時，筆者從學生的聽課反應來看，發(fā)現數字化實驗極大地激發(fā)了學生的學習熱情和探究興趣。也正是這樣一次真正見證了數字化實驗用于教學實驗的經歷，更加肯定了筆者想要更深入研究數字化實驗在中學化學教學中的意義。本課題探究了四類有關化學反應原理專題的數字化實驗，并對其應用于實踐教學的意義進行了分析。1.2研究的目的和意義在高中化學的學習中，化學反應原理這部分內容相對比較抽象、晦澀難懂，學生在學習時對于反應原理的理解往往會遇到很大的阻力。在教學過程中經常會出現“只要記住就行了”這樣類似的觀點，不利于學生化學學習興趣的養(yǎng)成，甚至可能產生厭惡的心理。因此，該研究具有以下意義：1.2.1是教師實施教學的需要作為新時代的教師應與時俱進，自覺樹立學無止境的信念，不斷更新自己的教育方式和教學手段。在課堂教學中，由于受儀器、微觀原理反應自身的復雜性等因素的制約，使得化學實驗教學中會出現一些模糊的觀點[1]。隨著數字化實驗在教學中應用的展開，各種精密的傳感器可以將之前模糊的問題加以糾正，然后以更加清晰明了的方式呈現給學生。1.2.2是提高化學課堂效率的需要隨著科學技術的不斷進步，傳統(tǒng)的實驗方法似乎已不能滿足現代化學教學的要求。而數字化實驗憑借其準確靈敏、實時記錄等優(yōu)點，很好地彌補了傳統(tǒng)實驗中所存在的缺陷[1]。在課堂上，不可避免地會遇到一些抽象的、難以用常規(guī)化學實驗來解釋的復雜現象，如果只是靠簡單的講解，大部分學生不僅不能理解，而且還會耗費大量時間，學生甚至會感到疲倦，從而影響到課堂學習效果。數字化實驗可以通過展示直觀形象的曲線變化，幫助學生突破認知障礙，深入分析實驗現象以及深刻理解反應原理的本質，從而提高課堂教學效果。1.2.3是提高學生化學學習興趣的需要通過數字化實驗進行教學，利用現代科技手段，以動靜結合、圖文并茂的方式，使學生對化學的抽象原理、概念有了更為清晰、深入的認識。在教學中，教師要鼓勵學生多感官的參與學習，讓學生對知識的理解從感性層面上升到理性認知。同時，有利于學生將所學知識應用到實踐當中去，并能更好地解決日常問題，提升學生應用知識的成就感，從而激發(fā)學習熱情，增強學生的求知欲[2]。1.3研究方法文獻搜集法:通過中國知網查詢搜集文獻以及以新人教版高中化學教材選擇性必修一為基礎，結合數字化實驗發(fā)展現狀、中學化學實驗教學實際情況，確定此研究課題。實驗觀察法：通過進行四個數字化實驗，發(fā)現問題，改進問題，從而歸納出適合數字化實驗教學的最佳步驟。討論法：在和同學、導師的討論中發(fā)現問題、提出具有建設性的問題，保證實驗數據的真實可靠性以及論文的條理性。理論研究基礎2.1數字化實驗的簡介數字化實驗設備主要組成為：傳感器、數據采集器、計算機、相關數據處理軟件。首先是把各種信號經傳感器轉化為電信號，再由采集器轉換編碼數字信號，并傳送給計算機，計算機軟件對數據信息進行分析和處理，把相關的信息以圖表等可視化的形式呈現出來。常用的傳感器有，溫度傳感器、pH傳感器、電導率傳感器、濁度傳感器等（如圖2-1）。該傳感器可以對溫度、電導率等物理量進行實時測量，而且在同一實驗中可使用多個傳感器。特別是對于一些比較復雜的實驗，可在同一時間內獲得多組數據并進行分析處理，從而提高實驗效率。圖2-1部分常用的數字傳感器圖2-1部分常用的數字傳感器

2.2數字化實驗的特點數字實驗較之傳統(tǒng)化學實驗有下列顯著特征：（1）數據采集“智能化”：采用傳感器、數據采集系統(tǒng)取代手工讀取數據，計算機軟件代替紙張和筆進行數據存儲，能夠迅速地收集和處理大量的實驗數據，不僅增強了實驗結果的可信度，而且提高了實驗工作的效率。（2）實驗過程“可視化”：實驗過程可視化劃分為空間可視化與時間可視化，如可以探測到對信號的微小變化和瞬時變化、通過“被測量的物理量-時間”圖象可以直觀地看出物理量間的變化，極大拓寬了實驗的研究領域[3]。（3）教學過程“現代化”：傳感器具有種類多、反應快、性能可靠等特點，優(yōu)于常規(guī)的實驗設備。在中學實驗教學中使用數據采集器，可以讓學生盡早地了解和熟悉數據采集設備，并能更好地適應時代的需要。在數字化實驗教學中注重發(fā)展學生的創(chuàng)造性思維能力，鼓勵學生敢于挑戰(zhàn)傳統(tǒng)、勇于創(chuàng)新，從而不斷提高學生的創(chuàng)造能力。2.3數字化實驗研究發(fā)展現狀隨著基礎教育課程改革的推進，以及數字化技術的逐漸成熟，數字化實驗輔助教學的教學方式得到了普遍應用。何翔[4]以“化學能轉化為電能”的教學案例為線索，通過數字化實驗獲得了原本難以量化的信息，并指導學生進行了開放式地自主探索，加深對原電池概念、原理和形成條件等方面的認識，從而在培養(yǎng)學生高階思維的同時，發(fā)展學科核心素養(yǎng)。余亮[5]等人以“探究化學反應速率的影響因素”為例，運用數字化實驗重現課本經典實驗，將傳統(tǒng)實驗與數字化實驗有機結合，學生通過親自繪圖和運用數字化實驗進行驗證，不僅更新了認知結構，而且提高了圖像分析能力和思考問題的能力。鄧曉莉[6]通過數字化實驗，探討了影響鹽類水解作用的各種因素，并利用濁度傳感器和pH傳感器，研究溫度、濃度、外加離子等因素對硫酸鋁溶液水解的影響。利用數字傳感技術可以探測微小信號變化的特點，把微觀的現象轉化為宏觀的可視化現象，讓學生體驗到“微觀變化”的平衡運動，進而了解鹽的水解機理。陳云[7]對鐵的吸氧腐蝕實驗，進行了新的設計，運用“暖貼”、玻璃儀器和手持技術對常規(guī)實驗進行了改良。利用常規(guī)實驗方法，呈現鐵的吸氧腐蝕過程中的宏觀變化，并通過電子傳感器捕捉反應的微觀變化。有效地將傳統(tǒng)實驗和數字化實驗進行結合，得出鋼鐵的吸氧腐蝕是一個氧氣參與的放熱反應過程的結論。在對比中發(fā)現并解決問題，對于教學實踐具有積極意義。數字化實驗輔助課堂教學，既是教學手段的革新，也是教育技術上的進步。然而，目前我國高校數字實驗的發(fā)展仍存在著一些問題，如應用不廣泛，師生對數字實驗的認識與研究不夠深入[8]。實驗探究化學反應中能量的變化3.1.1問題的提出本實驗以稀鹽酸與鎂條反應、八水合氫氧化鋇與氯化銨反應為實例，探討了化學反應過程中能量的改變。在傳統(tǒng)實驗中經常以溫度計測量，和手觸摸的方式來感受反應體系的溫度變化，但是這兩種方法的靈敏度都比較低。特別是有些化學反應由于能量變化不大或反應速度太慢，光靠手摸或常規(guī)的測定，很難觀測到吸收或放出熱量[9]。為此，我們提出使用溫度傳感器來測量反應中的能量，既可以提高靈敏度，又可以直觀地觀察和分析實驗結果，有利于學生正確掌握反應過程中能量的變化情況，提高學生科學思考問題的能力。3.1.2實驗探究過程（1）實驗原理在化學反應的過程中，當生成物釋放的總能量大于反應物所吸收的總能量時，為放熱反應；相反，是吸熱反應。反應的化學方程式如下:Mg+2HCl=MgCl2+H2↑Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl=BaCl2+2NH3↑+10H2O（2）實驗用品溫度傳感器、數據采集器、計算機、試管、錐形瓶、鎂條、1.50mol/L鹽酸、八水合氫氧化鋇晶體、氯化銨晶體、托盤天平、砂紙、玻璃片、量筒。（3）實驗步驟按順序連接好實驗裝置。用量筒量取2mL1.50mol/L的鹽酸，然后加入試管中，把溫度傳感器放進鹽酸溶液中，開始進行數據采集。待讀數穩(wěn)定后，向試管中加入打磨好的鎂條，觀察溫度變化情況和實驗現象，直至溫度不再變化，停止數據采集，保存數據和圖像。向錐形瓶中加入20.0g已研成粉末的八水合氫氧化鋇晶體，插入溫度傳感器，開始數據采集，待讀數穩(wěn)定后，將錐形瓶放在滴有幾滴蒸餾水的玻璃片上，把10.0g氯化銨晶體迅速倒入錐形瓶里，快速攪拌，觀察溫度變化和實驗現象，保存數據和圖像。（4）實驗結論圖3-圖3-1鎂條與稀鹽酸反應的溫度-時間曲線圖3-2八水合氫氧化鋇與氯化銨反應的溫度-時間曲線圖3-2八水合氫氧化鋇與氯化銨反應的溫度-時間曲線由圖3-1可知，鎂條和鹽酸反應過程中快速升溫，說明Mg和HCl反應過程放熱。由圖3-2可知，Ba(OH)2晶體與NH4Cl晶體混合過程中，其溫度迅速降低，當用手手觸摸錐形瓶外壁時，會明顯感到變涼，玻璃片與錐形瓶底凝固在一起，說明Ba(OH)2晶體與NH4Cl晶體反應過程為吸熱反應。相比較傳統(tǒng)的溫度計測量和用手觸摸的方式感知溫度變化，以上數字化實驗所展示的時間-溫度變化曲線更直觀、更有說服力，學生根據曲線的變化情況可以精確地得出反應的發(fā)生與停止，讓學生從理性層面感知化學反應中能量的變化趨勢。3.2化學反應速率的影響因素—以溫度對反應速率的影響為例3.2.1問題的提出本實驗通過稀H2SO4溶液和Na2S2O3溶液的反應，探究溫度對反應速率的影響。在進行此部分內容教學時，教師普遍會引導學生觀察在不同溫度下，溶液變渾濁的速度從而得出實驗結果。然而在實踐中，由于溶液濃度低、操作步驟不同步等原因，常常難以體現實驗效果，從而導致學生對此部分的內容理解不深刻。筆者利用數字化實驗中的控制變量法，對實驗過程進行了曲線表征，增強了實驗的精確度以及可視化程度，對于提高學生的認知水平具有一定的推動作用。3.2.2實驗探究過程實驗原理H2SO4+Na2S2O3=Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O隨著反應的進行，溶液體系中會有淡黃色的硫沉淀生成，借助濁度傳感器可以實時地測量出系統(tǒng)在不同溫度下的渾濁程度，從而得出“濁度-時間”曲線[10]。實驗用品濁度傳感器、數據采集器、計算機、溫度計、燒杯、移液管、容量瓶、洗瓶、5mL0.15mol/L的H2SO4溶液、5mL0.15mol/L的Na2S2O3溶液、蒸餾水。實驗步驟在室溫下，配制0.15mol/L的H2SO4溶液和Na2S2O3溶液備用，將數據采集器、濁度傳感器、計算機相連接。用移液管分別量取5mL0.15mol/L的H2SO4和Na2S2O3溶液，將其分別置于30℃、40℃、50℃的水中，用溫度計對水溫進行持續(xù)監(jiān)控，并使其維持在一定的溫度范圍內。等溫度穩(wěn)定后，將兩溶液迅速混合，快速倒入比色皿中，然后放入濁度傳感器，迅速蓋好蓋子，開始采集數據直至反應結束。實驗結論圖3-3不同溫度下稀圖3-3不同溫度下稀H2SO4和Na2S2O3溶液反應濁度變化曲線根據圖3-3可知：當其他條件相同的情況下，同種濃度的稀H2SO4與Na2S2O3反應，在50℃時，反應體系濁度顯著提高，反應速率較快；40℃時，體系濁度升高幅度略小于50℃所對應的溶液體系；30℃時，反應體系濁度上升比較緩慢，最后到達反應終點。實驗結果表明，當其他條件不變時，反應速度隨著溫度的升高而增大。通過以上實驗，很好的避免了傳統(tǒng)實驗中因各種因素所造成的實驗現象不明顯給教學所帶來的困擾。學生可以通過觀察不同溫度下的圖像表征，從而快速準確的得出化學反應速率隨著溫度的升高而加快的結論。此外，利用數字化實驗可以在一張坐標圖中對不同溫度下的反應速率進行比較，直觀，形象，便于分析，從而可以提高課堂教學效率。3.3鹽類水解的影響因素—以CH3COONa溶液水解受酸堿度影響為例3.3.1問題的提出由于學生對鹽類水解反應過程看不見摸不著，從而對其反應實質出現認知困難。而對于其影響因素的教學，教師大多都是從理論上進行分析，學生難以切實理解。利用數字化實驗來監(jiān)控鹽溶液的pH隨外界環(huán)境的變化，其作用是常規(guī)實驗手段不能取代的[11]。本實驗探究了CH3COONa溶液在常溫下水解時，受酸堿度影響的情況，并引導學生觀察分析pH隨外界環(huán)境因素變化的曲線圖，以提高學生的邏輯思維能力，從而深刻認識酸堿度的不同對鹽類水解的影響情況。3.3.2實驗探究過程（1）實驗原理CH3COO-+H2O?CH3COOH+OH-，溶液酸堿度的改變會影響水解程度，使水解平衡發(fā)生偏移，進而改變溶液的pH值。（2）實驗用品pH傳感器、數據采集器、計算機、0.15mol/LCH3COONa溶液、0.20mol/L氫氧化鈉溶液、0.20mol/L鹽酸溶液、量筒、蒸餾水。（3）實驗步驟在室溫下，配制0.15mol/L的CH3COONa溶液備用，將數據采集器、pH傳感器和計算機三者相連接。取30mL0.15mol/L的CH3COONa溶液倒入燒杯內，打開數據采集器測定溶液的pH，再滴入三滴0.20mol/L氫氧化鈉溶液，觀察并保存pH變化曲線（圖3-3）。另取30mL0.15mol/L的CH3COONa溶液倒入燒杯中，打開數據采集器測定溶液的pH，再滴入三滴0.20mol/L鹽酸溶液，保存并分析pH變化曲線（圖3-4）。（4）實驗結論圖3-3向0.15mol/LCH3圖3-3向0.15mol/LCH3COONa溶液中滴加NaOH后溶液pH變化曲線圖3-4向0.15mol/LCH3圖3-4向0.15mol/LCH3COONa溶液中滴加鹽酸后溶液pH變化曲線由圖3-3可以看出，加入NaOH溶液，OH-濃度增加,溶液的pH值立即增加，圖像瞬間上升；隨后曲線緩慢下降，這是由于水解平衡逆向移動，導致OH-的濃度下降。由此可以看出，NaOH溶液對CH3COONa的水解有一定的抑制作用，使平衡逆向移動。如圖3-4所示，在加入鹽酸之后，隨著H+濃度的增加，pH立即下降，隨后pH逐漸升高，說明平衡正向移動，從而促進了CH3COONa的水解。因此，可以得出結論：堿能夠促進CH3COONa溶液水解，而酸對CH3COONa溶液的水解具有抑制作用。通過pH傳感器監(jiān)測溶液pH變化，比較酸堿度對CH3COONa溶液水解的影響，其可視化的曲線表征代替了老師“苦口婆心”地依據理論分析規(guī)律的教學模式，從而有利于學生切實理解酸堿度對鹽類水解的影響規(guī)律。另外，利用現代技術，可以讓學生能夠在觀察現象時，同時注意到實驗數據的變化，進而對其所表現出的物理意義進行分析，理解數據背后所蘊含的化學原理，有助于學生更好地了解和應用化學知識[12]。3.4鐵的電化學腐蝕3.4.1問題的提出在當前高中化學所使用的的選擇性必修教材《化學反應原理》中，金屬的電化學腐蝕知識是其中的一項重要內容。課本中以鐵為例，闡述了金屬的電化學腐蝕原理，但是學生對于其原理的理解只停留在機械記憶層面，對其反應發(fā)生的本質無從了解[13]。而本實驗將利用壓強傳感器監(jiān)測，鐵在不同電解質溶液中發(fā)生電化學腐蝕時的壓強變化，以幫助學生更好的掌握金屬的電化學腐蝕原理。3.4.2實驗探究過程實驗原理酸性條件下，發(fā)生析氫腐蝕，反應如下：負極：Fe-2e-=Fe2+正極：2H++2e-=H2↑總反應：Fe+2H+=Fe2++H2↑中性或弱酸條件且溶有一定量的氧氣時，發(fā)生吸氧腐蝕，反應如下：負極：2Fe-4e-=2Fe2+正極：2H2O+O2+4e-=4OH-總反應：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2Fe(OH)2與空氣中氧氣繼續(xù)反應：4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3；2Fe(OH)3=Fe2O3·xH2O+（3-x)H2O。由以上理論可知，在析氫腐蝕過程中，體系壓強增加；在吸氧腐蝕過程中，消耗氧氣，系統(tǒng)的壓力下降。實驗用品壓強傳感器、數據采集器、計算機、鐵粉、碳粉、HCl溶液、CH3COOH溶液、NaCl溶液。實驗過程實驗方案設計：實驗編號鐵粉質量/g碳粉質量/g電解質溶液實驗條件122.54mL2mol/L鹽酸強酸性222.54mL2mol/L醋酸弱酸性322.54mL2mol/L氯化鈉溶液中性b.實驗步驟：在室溫下，配制2mol/L的HCl、CH3COOH和NaCl溶液，備用。將壓強傳感器、數據采集器和計算機相連接，分別利用不同的電解質溶液潤濕濾紙，而后將鐵粉和碳粉充分混合，均勻地附著在濾紙上，然后把它放入錐形瓶中，再把壓力傳感器快速塞進錐形瓶里。開啟數據采集器，觀察并保存壓強隨時間變化的曲線。（4）實驗結論圖3-5體系壓強與時間的變化曲線圖圖3-5體系壓強與時間的變化曲線圖鹽酸溶液中：在反應初期，反應物主要是H+，反應速率很快，壓強急劇升高。隨著反應的繼續(xù)，盡管溫度有所上升，但反應物濃度下降，速率減慢，反應結束。醋酸溶液中：反應開始時，因反應物主要是H+濃度較小（遠小于鹽酸中H+濃度），反應主要是消耗氧氣的過程，反應速率很慢，壓強平緩下降，反應接近結束，曲線趨于平緩下走的趨勢最后接近水平線。氯化鈉溶液中：在這個過程中，反應主要是消耗氧氣的過程，故曲線的走勢趨于平緩下走的趨勢，最后接近水平線。對于金屬的電化學腐蝕原理的學習，教師在日常教學中多是借助相關圖像引導學生以理論記憶的方式來掌握此部分內容，而學生的記憶水平也多是停留在“有氫氣生成的是析氫腐蝕，消耗氧氣的是吸氧腐蝕”，因而并沒有真正地理解電化學腐蝕反應發(fā)生的本質。同時，利用壓力傳感器對不同環(huán)境下系統(tǒng)壓力的變化進行研究，學生能夠從壓力變化的角度把握反應的本質，從而摒棄“死記硬背”的學習模式，感受化學學習的樂趣。結論與展望數字實驗在教學中的運用，并非是否定了傳統(tǒng)的化學實驗，而是相對于傳統(tǒng)的實驗教學方式的革新。在教學中將兩者有機結合起來，既能讓學生增長見識，又能培養(yǎng)學生科學的創(chuàng)造性思維，有助于學生化學學科的核心素質的發(fā)展。本文針對高中化學《化學反應原理》中的四項專題知識，進行了數字化實驗教學研究，有效解決了傳統(tǒng)實驗教學中所遇到的一些問題，充分體現了數字化實驗的優(yōu)勢。四個實驗過程充分顯示了其“智能化”、“可視化”和“現代化”等特色，充分展示了其在提高課堂教學效率，以及提升學生學習興趣方面的顯著作用。但在高中化學的實驗教學中也不能盲目地使用數字化實驗，而是要結合學生對傳統(tǒng)的實驗理論與基本實驗操作的掌握程度，進一步合理地指導學生進行數字化實驗探究。這就要求教師要全面了解學生的認知結構，深入挖掘數字化實驗背后的原理，從而設置符合學生認識水平的實驗探究模式。數字化實驗是時代進步的產物，它的出現既豐富了傳統(tǒng)實驗，也使得傳統(tǒng)實驗的教學思路有了新的進展。數字化實驗應用于教學，是對傳統(tǒng)實驗教學的“二次開發(fā)”，一方面可以提高課堂效率，另一方面也給教師帶來了機遇和挑戰(zhàn)。但是我認為，每個一線老師都會盡力挖掘數字儀器的潛在教育功能和價值，并將其與傳統(tǒng)的實驗教學有機地結合起來，以彌補傳統(tǒng)實驗的缺陷，為中學化學教育工作者提供更好的服務?？傊?，在當今社會的發(fā)展中，數字化實驗技術的發(fā)展，不僅僅是教育的手段、學習方法的革新，而且深刻地影響著當今的教育思想和教育觀念。利用