摘要： 在實(shí)施《教育信息化2.0行動計(jì)劃》背景下，本文結(jié)合化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)內(nèi)容，闡述了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，論述了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與中學(xué)化學(xué)教學(xué)有效融合，在增進(jìn)學(xué)生理解知識、提升探究水平、拓展認(rèn)識領(lǐng)域及促進(jìn)觀念形成等方面的重要作用。教師開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，應(yīng)選擇適合的內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，關(guān)注課程目標(biāo)和教學(xué)重點(diǎn)，處理好與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功效，提升學(xué)生解決綜合性問題的能力。

關(guān)鍵詞：化學(xué);數(shù)字化實(shí)驗(yàn);信息技術(shù);傳感器;科學(xué)探究

2018年，教育部發(fā)布的《教育信息化2.0行動計(jì)劃》指出，“應(yīng)用信息技術(shù)解決教學(xué)、學(xué)習(xí)、生活中問題的能力成為必備的基本素質(zhì)”，倡導(dǎo)“發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，變革傳統(tǒng)模式，推進(jìn)新技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合”。信息技術(shù)融入中學(xué)化學(xué)課程越來越受到關(guān)注。在中學(xué)化學(xué)課程中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)新技術(shù)與化學(xué)教學(xué)融合的重要手段，是化學(xué)課程培養(yǎng)學(xué)生信息素養(yǎng)的重要途徑。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)入化學(xué)課程

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)指利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)^[1]，是現(xiàn)代技術(shù)手段在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在我國走過近20年歷程，但正式進(jìn)入中學(xué)化學(xué)課程，則是在近幾年?！陡咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出“關(guān)注信息環(huán)境下的教學(xué)改革”的修訂原則，給出“積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度融合”相關(guān)實(shí)施建議?！皵?shù)字化實(shí)驗(yàn)”和“傳感器”等名詞從此見諸化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)?！读x務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》在課程目標(biāo)要求、課程內(nèi)容、課程實(shí)施板塊中多次提出信息技術(shù)融入化學(xué)課程的要求和建議（如圖1）。

新的課程標(biāo)準(zhǔn)從學(xué)科本質(zhì)、科學(xué)探究、實(shí)際應(yīng)用、解決問題等角度，反映信息技術(shù)融入中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重要性，對于課程實(shí)施中數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的開展，具有重要的指導(dǎo)意義。

二、發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能

隨著數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的普及程度不斷提升，越來越多的學(xué)生有機(jī)會應(yīng)用數(shù)字化設(shè)備來探究和創(chuàng)新^[2]。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)有效融合，對增進(jìn)知識理解、提升探究水平、拓展認(rèn)識領(lǐng)域及促進(jìn)觀念形成具有積極影響，不斷促進(jìn)教學(xué)功能的優(yōu)化。

（一）增進(jìn)知識理解，認(rèn)識學(xué)科本質(zhì)

課堂教學(xué)是中學(xué)化學(xué)的主要教學(xué)活動，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種重要的方式，體現(xiàn)較強(qiáng)的認(rèn)識功能價(jià)值。化學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生獲取知識，形成感性認(rèn)識的重要途徑。真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，是學(xué)生認(rèn)識元素化合物性質(zhì)、概念原理的感性認(rèn)識基礎(chǔ)。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是學(xué)生認(rèn)識物質(zhì)的重要科學(xué)方法。教師將信息技術(shù)融入化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過傳感器這一技術(shù)手段表征化學(xué)反應(yīng)中的物質(zhì)變化^[3]，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中難以觀察到的變化，經(jīng)過技術(shù)分析和處理，轉(zhuǎn)化為直觀的數(shù)據(jù)或圖像，不僅能提升化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果的可視化程度和準(zhǔn)確度，而且可使抽象且模糊的化學(xué)知識具體化、清晰化，引導(dǎo)學(xué)生從量的角度分析實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，從量的角度感知化學(xué)知識，并根據(jù)不同因素的數(shù)量關(guān)系揭示化學(xué)規(guī)律^[4]，幫助學(xué)生透過現(xiàn)象認(rèn)識本質(zhì)，從感性認(rèn)識上升為理性分析，進(jìn)而認(rèn)識學(xué)科本質(zhì)，建立認(rèn)知過程，形成科學(xué)觀念，促進(jìn)認(rèn)知能力發(fā)展。

例如，“離子反應(yīng)”是高中化學(xué)中的重要概念，比較抽象，認(rèn)識其反應(yīng)的本質(zhì)，對學(xué)生來說存在一定難度。人教版《普通高中教科書 化學(xué) 必修第一冊》編排了如下兩種形式的實(shí)驗(yàn)。一是利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，通過氯化鋇溶液與硫酸鈉溶液反應(yīng)生成沉淀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，證明發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。教師參照教材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，旨在提供感性情境素材，講解電離方程式，引導(dǎo)學(xué)生將宏觀現(xiàn)象與微觀解釋相聯(lián)系，認(rèn)識“離子反應(yīng)”的本質(zhì)。二是利用習(xí)題，呈現(xiàn)借助電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行氫氧化鋇溶液與稀硫酸反應(yīng)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果——導(dǎo)電能力變化曲線^[5]。雖然這個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是作為習(xí)題呈現(xiàn)的，但是在教學(xué)中已有較多應(yīng)用，所呈現(xiàn)的曲線可“直觀”表征離子反應(yīng)的過程。教師對曲線的變化進(jìn)行分析和解釋，可使學(xué)生比較容易地理解“離子反應(yīng)”的實(shí)質(zhì)。

（二）提升探究水平，發(fā)展科學(xué)思維

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是探究活動的重要形式，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識核心素養(yǎng)的重要途徑?？茖W(xué)探究過程包括獲取證據(jù)、分析解釋數(shù)據(jù)等重要環(huán)節(jié)。學(xué)生通過觀察和實(shí)驗(yàn)等方法獲取證據(jù)，基于證據(jù)進(jìn)行分析推理^[6]，可提高科學(xué)思維能力。教師應(yīng)用信息技術(shù)開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于學(xué)生獲得更多的數(shù)據(jù)變量，并通過控制多變量獲取信息，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的合理性增強(qiáng)。學(xué)生對真實(shí)數(shù)據(jù)、圖像或曲線進(jìn)行綜合性分析，使證據(jù)推理的可靠性增強(qiáng)，有利于他們認(rèn)識變量控制的實(shí)驗(yàn)方法，提升綜合歸納的能力，發(fā)展科學(xué)思維能力。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》劃分了學(xué)科核心素養(yǎng)水平。筆者基于此，將科學(xué)探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)中證據(jù)和處理分析水平劃分了4個(gè)層次（見表1）。

對于“離子反應(yīng)”，例如氯化鋇溶液與硫酸鈉溶液反應(yīng)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)現(xiàn)象不足以作為判斷離子反應(yīng)發(fā)生的直接證據(jù)，所以，教材并沒有設(shè)計(jì)探究活動（考慮大多數(shù)學(xué)校教學(xué)條件），素養(yǎng)水平為1級或2級。在教學(xué)中，教師可設(shè)計(jì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)探究活動，先通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)帶領(lǐng)學(xué)生感知現(xiàn)象、分析現(xiàn)象、提出問題，在此基礎(chǔ)上，再開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，利用數(shù)據(jù)和圖像，獲取有效證據(jù)，作證據(jù)推理、分析解釋，揭示“離子反應(yīng)”的本質(zhì)。學(xué)生參與這樣的探究活動，相關(guān)素養(yǎng)提升到3級或4級。教學(xué)中，學(xué)生素養(yǎng)水平的進(jìn)階路徑如圖2所示。

在融合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的探究活動中，學(xué)生不僅可以通過觀察現(xiàn)象進(jìn)行感知性認(rèn)識，而且可通過對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)表征的數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行處理和分析，認(rèn)識定量研究的意義，理解學(xué)科本質(zhì)，認(rèn)識科學(xué)方法，了解科學(xué)探究過程，提升科學(xué)探究和證據(jù)推理學(xué)科核心素養(yǎng)水平。

（三）拓展認(rèn)識領(lǐng)域，促進(jìn)觀念形成

新課程注重綜合化，重視培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境下解決綜合問題的能力，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生“綜合運(yùn)用化學(xué)等學(xué)科的知識和方法，通過一定的技術(shù)手段，在解決真實(shí)情境問題和完成綜合實(shí)踐活動中展現(xiàn)的能力與品格”^[7]。在初中和高中課程標(biāo)準(zhǔn)中，提出了許多真實(shí)情境下的綜合實(shí)踐活動及建議，如“微型空氣質(zhì)量‘檢測站的組裝與使用”“基于特定需求設(shè)計(jì)和制作簡易供氧器”“水質(zhì)檢測及自制凈水器”等跨學(xué)科實(shí)踐活動，以及“應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)等手段探究不同環(huán)境中空氣的質(zhì)量”“水體富營養(yǎng)化、化學(xué)需氧量（CDO）或生化需氧量（BDO）的測定”等任務(wù)。學(xué)生在真實(shí)情境下開展活動，不僅需要調(diào)用多學(xué)科的知識，而且要根據(jù)實(shí)際需要，通過技術(shù)手段獲取和加工信息^[8]。例如：學(xué)生參與“水質(zhì)檢測及自制凈水器”這一活動，可以利用傳感器檢測水的濁度和色度，也可以利用氯離子傳感器檢驗(yàn)水中的氯離子濃度;學(xué)生“應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)等手段探究不同環(huán)境中空氣的質(zhì)量”，需要利用氧氣、二氧化碳等多種氣體傳感器;等等。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的融入為有效開展綜合實(shí)踐活動提供了有力支撐。

教師利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在真實(shí)情境下開展綜合實(shí)踐教學(xué)活動，豐富了探究實(shí)踐的手段和形式，拓展了學(xué)生的認(rèn)識領(lǐng)域?？茖W(xué)開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅能促進(jìn)學(xué)生形成運(yùn)用多學(xué)科知識、技術(shù)、工程融合解決問題的能力^[9]，而且能使學(xué)生增強(qiáng)利用現(xiàn)代技術(shù)研究和解決實(shí)際問題的意識，理解科學(xué)與技術(shù)的關(guān)系，體會和認(rèn)識技術(shù)手段的創(chuàng)新對化學(xué)科學(xué)的重要價(jià)值，形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、勇于實(shí)踐的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展實(shí)踐能力^[10]，增強(qiáng)科學(xué)觀念與社會責(zé)任感。

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)需注意的問題

（一）選擇適合的內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

在課堂教學(xué)中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇和設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面：補(bǔ)充新實(shí)驗(yàn)，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以觀察或耗時(shí)較長等問題;與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)合，體現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的原理及變化過程或趨勢;對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析、解釋，揭示本質(zhì);開展綜合實(shí)踐活動，解決實(shí)際問題;等等。教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，應(yīng)選擇適合的內(nèi)容，注重發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的功效，講求實(shí)效，切實(shí)體現(xiàn)其優(yōu)勢，提高課堂教學(xué)效率。

如條件受限，開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有一定的困難，教師可通過多種形式的設(shè)計(jì)體現(xiàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段的作用，如以資料信息的形式介紹實(shí)驗(yàn)方法和過程，以討論交流、習(xí)題等形式，對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)的圖像進(jìn)行分析等。人教版化學(xué)教材必修第一冊第二章第二節(jié)“科學(xué)·技術(shù)·社會”欄目以“驗(yàn)證次氯酸光照分解產(chǎn)物的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”^[11]為例，介紹了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的定義、設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，讓學(xué)生對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有初步的了解。選擇性必修第一冊第三章第一節(jié)中的“思考與討論”欄目給出了鎂與鹽酸、醋酸反應(yīng)時(shí)氣體壓強(qiáng)隨時(shí)間變化的曲線（如圖3^[12]），引導(dǎo)學(xué)生圍繞相關(guān)問題進(jìn)行討論分析，增強(qiáng)對化學(xué)反應(yīng)速率、電離平衡移動等知識的理解，提升其圖像分析的能力。在教學(xué)中，教師可結(jié)合學(xué)校和學(xué)生的實(shí)際情況，參考這些示例或形式進(jìn)行再設(shè)計(jì)，以發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的功能價(jià)值。

（二）關(guān)注課程目標(biāo)要求和教學(xué)重點(diǎn)

教師設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，應(yīng)關(guān)注課程目標(biāo)及教學(xué)重點(diǎn)，考慮不同學(xué)段對知識內(nèi)容的要求，優(yōu)化教學(xué)。例如，對于中和反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，教師可利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)將其設(shè)計(jì)為多變量，讓學(xué)生使用不同的傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。在不同階段，對于實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)的圖像的分析，要求有所不同：義務(wù)教育階段，可引導(dǎo)學(xué)生觀察曲線的變化，認(rèn)識反應(yīng)的發(fā)生及放熱現(xiàn)象的事實(shí)，達(dá)成教學(xué)目標(biāo);高中階段則可以根據(jù)教學(xué)實(shí)際，設(shè)計(jì)中和滴定實(shí)驗(yàn)，分析中和反應(yīng)的變化過程、滴定終點(diǎn)、突變點(diǎn)及熱量變化等，還可以利用數(shù)據(jù)、曲線進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是將化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象或過程轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)和圖像，常需要學(xué)科或跨學(xué)科知識間的轉(zhuǎn)換。教師設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，應(yīng)考慮學(xué)生的知識基礎(chǔ)，在裝置、操作、原理和時(shí)效上都應(yīng)堅(jiān)持簡約原則，避免過多引入新的知識而偏離重點(diǎn)，降低教學(xué)功效。

（三）處理好數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)各有其教學(xué)功能，采用何種實(shí)驗(yàn)方式，教師應(yīng)考慮不同的教學(xué)環(huán)境、學(xué)習(xí)背景、目標(biāo)要求和教學(xué)重點(diǎn)，科學(xué)決策。例如，空氣中氧氣含量的測定，是教材設(shè)計(jì)的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)并不在于結(jié)果的精確性，而是通過模擬科學(xué)發(fā)現(xiàn)，讓學(xué)生感受科學(xué)家的研究過程，了解科學(xué)實(shí)驗(yàn)和探究的方法，加深對空氣中氧氣含量的認(rèn)識，同時(shí)學(xué)習(xí)氧氣的性質(zhì)。對于教學(xué)實(shí)驗(yàn)，教師不應(yīng)只是關(guān)注實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)果的精確程度，更要關(guān)注對過程和結(jié)果的分析和探究，引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度體驗(yàn)探究的過程。在這方面，空氣中氧氣含量的測定這一實(shí)驗(yàn)發(fā)揮了較強(qiáng)的作用和功效。教學(xué)中，教師融入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，利用傳感器可以很方便、快速地測得較為精確的結(jié)果，使學(xué)生清楚地認(rèn)識空氣的成分，加深對定量研究方法的了解。教師還可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生探究反應(yīng)中氧氣是否能完全消耗等問題，拓展認(rèn)識領(lǐng)域，提升探究水平。在實(shí)驗(yàn)之后，教材說明了“人們已能用實(shí)驗(yàn)方法精確地測定空氣的成分”，這為實(shí)驗(yàn)探究的拓展提供了空間。

教學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)以簡潔實(shí)用為原則，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的融入，不應(yīng)使實(shí)驗(yàn)復(fù)雜化。例如，檢測化學(xué)反應(yīng)后溶液的酸堿度，用pH試紙或pH計(jì)即可達(dá)到目的，引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)意義不大。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要形式，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上技術(shù)手段的更新而非替代，二者各具有獨(dú)特而重要的教學(xué)功能。在教學(xué)中，教師只有將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)科學(xué)融合，相輔相成，才能真正提升化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功效。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬宏佳.化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的理論與實(shí)踐[M].北京：人民教育出版社，2017.

[2] 徐睿.中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的新趨勢[J].化學(xué)教學(xué)，2020（9）：31.

[3][6][9][10]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2022年版[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[4] 王立新，錢揚(yáng)義.認(rèn)知心理學(xué)視角下探究化學(xué)實(shí)驗(yàn)中手持技術(shù)的應(yīng)用[J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2019（8）：5.

[5][11]王晶，鄭長龍.普通高中教科書 化學(xué) 必修 第一冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[7] 中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn) ：2017年版[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

[8] 房喻，王磊.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2022.

[12]王晶，鄭長龍.普通高中教科書 化學(xué) 選擇性必修1 化學(xué)反應(yīng)原理[M].北京：人民教育出版社，2020.

（作者系人民教育出版社編審，中國教育學(xué)會化學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會理事長，義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組核心成員，人教版初高中化學(xué)教材主編）

責(zé)任編輯：祝元志