賴 軍

（江蘇省南通市天星湖中學(xué) 江蘇 南通 226010）

全國(guó)首屆化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的“數(shù)字化”解讀

賴 軍

（江蘇省南通市天星湖中學(xué) 江蘇 南通 226010）

2011年3月12日，由中國(guó)教育學(xué)會(huì)化學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會(huì)和南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院主辦、江蘇省教育學(xué)會(huì)化學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會(huì)承辦的“全國(guó)首屆‘威尼爾’杯化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”在南京師范大學(xué)化科院的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的展示評(píng)比。共有來(lái)自全國(guó)的40余位選手參加了比賽，其中25位選手參加了復(fù)賽。

本次大賽是化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的首次全國(guó)性大賽，既為各地的骨干教師提供了展示和交流的平臺(tái)，同時(shí)也將對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

筆者作為參賽選手，參與并觀摩了大賽的全過(guò)程，對(duì)參賽選手和參賽實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析，以數(shù)字形式做歸納，為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)中的應(yīng)用作參考。

一、地區(qū)差異明顯，發(fā)展極不平衡

參加復(fù)賽的25位選手分別來(lái)自5個(gè)省市，其中江蘇最多，共有21位，占到了參賽選手總數(shù)的84%。上海、廣東、杭州、安徽各有1名選手參賽。參賽選手基本都來(lái)自東南沿海地區(qū)，中西部地區(qū)基本沒(méi)有派出選手參賽，且江蘇選手也以南京、蘇州、無(wú)錫、常州等蘇南經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)為主，地區(qū)差異非常明顯。其原因主要是數(shù)字化設(shè)備比較昂貴，這也是造成參賽省市較少的主要原因。希望數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的技術(shù)能更加成熟和電腦、手機(jī)等其他電子產(chǎn)品一樣能夠有一個(gè)絕大多數(shù)中學(xué)可以接受的價(jià)格，讓數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚱占啊?/p>

二、傳感器使用頻率不均衡

25個(gè)實(shí)驗(yàn)中，有21個(gè)實(shí)驗(yàn)使用了單個(gè)傳感器，占參賽總數(shù)的84%，使用2、3、4、6個(gè)傳感器的實(shí)驗(yàn)各一個(gè)，實(shí)驗(yàn)的綜合程度還有待加強(qiáng)。對(duì)于一些多因素影響的實(shí)驗(yàn)，參賽者考慮還不是很周全。

從不同的傳感器使用頻率來(lái)看，9個(gè)實(shí)驗(yàn)使用了溫度傳感器，7個(gè)實(shí)驗(yàn)使用了pH傳感器，其他傳感器使用次數(shù)在2～4次，CO2傳感器使用了一次。溫度和pH對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響較為廣泛，這兩種傳感器的使用也比較簡(jiǎn)單和成熟。這是大多數(shù)選手選擇這兩種傳感器的主要原因，而其他的傳感器應(yīng)用的范圍和使用頻率就相對(duì)要小一些。開發(fā)這些傳感器的用途，是實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的一個(gè)方向。

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)中的三個(gè)應(yīng)用

1.激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

興趣是最好的老師，它是人們力求認(rèn)識(shí)某種事物或愛(ài)好某種活動(dòng)的傾向。它又是一種情感因素，對(duì)人們的智力活動(dòng)和其他的實(shí)踐活動(dòng)有著積極的功能。

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的變化本身就能引起學(xué)生的興趣，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)更是以特殊的實(shí)驗(yàn)儀器與電腦的關(guān)聯(lián)，曲線的自動(dòng)繪制等新穎的東西吸引學(xué)生的關(guān)注。通過(guò)引導(dǎo)，遷移到對(duì)實(shí)驗(yàn)本身的關(guān)注。在學(xué)校裝配數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備初期能夠起到很好的教學(xué)效果。但隨著學(xué)生新鮮感的淡化，就需要教師能從其他角度對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性進(jìn)行引導(dǎo)。在參賽的25個(gè)實(shí)驗(yàn)中，只有一位參賽者介紹了剛購(gòu)進(jìn)設(shè)備時(shí)通過(guò)用它來(lái)吸引學(xué)生的注意。所有的參賽者都沒(méi)有停留在這一層次。

2.輔助課堂教學(xué)

教育要現(xiàn)代化，信息技術(shù)與學(xué)科的整合是一條重要的途徑。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具有“可視化”的優(yōu)點(diǎn)，能將實(shí)驗(yàn)中肉眼看不見(jiàn)的分子、離子等的壓強(qiáng)、濃度、色度、pH、導(dǎo)電率等性質(zhì)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)化為電訊號(hào)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)入電腦。將實(shí)驗(yàn)過(guò)程用數(shù)字、點(diǎn)、曲線等形式直觀展現(xiàn)在學(xué)生的面前，將圍觀的離子通過(guò)“數(shù)字化”進(jìn)行放大。參賽的25個(gè)實(shí)驗(yàn)中有18個(gè)可以直接用于輔助中學(xué)化學(xué)教學(xué)。例如：“碳酸鈉與碳酸氫鈉溶解過(guò)程中溫度變化的比較”可以通過(guò)溫度傳感器方便地測(cè)量鹽溶解過(guò)程的熱效應(yīng)；“磷酸突躍曲線”可以利用pH傳感器清晰地觀察到磷酸滴定過(guò)程中的三個(gè)突躍；濁度傳感器可以將Fe（OH）3膠體和FeCl3溶液中分散質(zhì)粒子的大小直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前。色度傳感器可以 敏銳地捕捉到Fe（SCN）3溶液血紅色深淺的變化。使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不能解決的一些難點(diǎn)得到了突破。

3.進(jìn)行探究活動(dòng)

探究活動(dòng)包括兩層含義，一是作為參賽者自己的研究，二是作為教師組織學(xué)生進(jìn)行的探究活動(dòng)。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具有“自動(dòng)化”的特點(diǎn)，系統(tǒng)連續(xù)采樣頻率可以按照實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置。最高采集頻率可達(dá)5000－10000Hz，采集的速度高的可到每秒一萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)，低的可到幾分鐘甚至幾小時(shí)一個(gè)數(shù)據(jù)，因而可以適應(yīng)各種不同類型實(shí)驗(yàn)的需要。有文獻(xiàn)稱雙氧水電池具有較穩(wěn)定的電壓輸出，“微型雙氧水電池設(shè)計(jì)與探究”就按文獻(xiàn)中的方法組裝雙設(shè)氧水電池，選用電壓傳感器測(cè)量其輸出電壓，得到了一條和橫軸平行的直線，從而驗(yàn)證了雙氧水電池電壓的穩(wěn)定性。“堿與酚酞平衡移動(dòng)”、“氣體摩爾體積測(cè)定”、“尿素摩爾質(zhì)量的測(cè)定”等實(shí)驗(yàn)都不是中學(xué)要求的范圍。在校研究生、本科生可以開展相應(yīng)的研究，中學(xué)教師也可以通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的研究，重溫大學(xué)知識(shí)，提高自己的綜合能力。

教師可以利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)組織學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)。一類和體系的某些性質(zhì)（包括變化）與反應(yīng)條件間的定量或半定量的關(guān)系相關(guān)的內(nèi)容可以用來(lái)進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)［1］。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)就在于定量、半定量。掌握了數(shù)字化傳感器的操作后，學(xué)生能夠較快地運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開展和量有關(guān)的研究性學(xué)習(xí)?！疤骄夸撹F的電化學(xué)腐蝕”利用氧氣傳感器，將電化學(xué)腐蝕中消耗氧氣的用量數(shù)字化，使學(xué)生更易接受吸氧腐蝕中氧氣得電子的事實(shí)?！版V鋁氫氧化物沉淀反應(yīng)習(xí)題科學(xué)性的研究”中，利用電導(dǎo)率傳感器，證實(shí)了我們沿用了多年的鎂鋁離子混合物中加入過(guò)量強(qiáng)堿的圖像是錯(cuò)誤的。利用它可以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的精神，敢于先權(quán)威挑戰(zhàn)。

本次化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大賽取得了圓滿成功，評(píng)委們表示，參賽選手們?cè)诒敬未筚愔畜w現(xiàn)出了較高的教學(xué)設(shè)計(jì)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開發(fā)水平，課堂教學(xué)綜合素質(zhì)也很優(yōu)秀。希望借助這一次展評(píng)活動(dòng)促進(jìn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，有更多的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)入中學(xué)的課堂。

［1］宋心琦，黃儒蘭，胡美玲.關(guān)于中學(xué)化學(xué)施行探究性學(xué)習(xí)的思考［J］.化學(xué)教育，2002，（3）

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