田蓓

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是指以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)各種傳感器替代部分傳統(tǒng)的儀表，將采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交給計(jì)算機(jī)處理，能夠更加清晰、明確地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，揭示實(shí)驗(yàn)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)手段。應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以幫助教師解決一些現(xiàn)象不明顯、不直觀、操作難度較大或計(jì)算復(fù)雜的一些實(shí)驗(yàn)，但大部分教師只是將其用于公開(kāi)課和賽教中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)還處于“展示”和“應(yīng)景”狀態(tài)。其實(shí)，導(dǎo)致數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究熱而應(yīng)用冷的因素有很多，主要原因是教師對(duì)傳感器測(cè)量操作不熟練，覺(jué)得傳感器使用不方便所致。為了推進(jìn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)在化學(xué)課堂教學(xué)中的運(yùn)用，筆者從整合裝備搭建兩個(gè)好用的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、根據(jù)教學(xué)目的選擇適合運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)的實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面進(jìn)行了分析，并分享了一些成功的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)運(yùn)用案例，供一線教師借鑒。

一、整合裝備搭建兩個(gè)好用的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在中學(xué)化學(xué)教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)時(shí)，教師應(yīng)積極整合現(xiàn)有的教學(xué)裝備，搭建兩個(gè)好用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如圖1所示）。

以朗威品牌為例，如果師生使用的是8.0以下版本的傳感器，安裝對(duì)應(yīng)軟件后要再安裝一個(gè)補(bǔ)丁才能正常使用。我校于2015年購(gòu)買(mǎi)了朗威6.5版本的傳感器，現(xiàn)在還能正常使用。如果使用中遇到了問(wèn)題，師生只需關(guān)注所購(gòu)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備品牌微信公眾號(hào)，進(jìn)入官網(wǎng)下載補(bǔ)丁就可以在電子白板上正常使用了，不會(huì)操作的還可以在官網(wǎng)上觀看相關(guān)視頻，也可以與售后聯(lián)系請(qǐng)求幫助。

二、根據(jù)教學(xué)目的選擇適合運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)

筆者對(duì)義務(wù)教育人教版九年級(jí)化學(xué)上冊(cè)、下冊(cè)，人教版高中化學(xué)必修第一冊(cè)、第二冊(cè)，選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》這五本中學(xué)化學(xué)教材中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了梳理，發(fā)現(xiàn)其中適合運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)約有33個(gè)。因此，教師在確定采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段完成實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)。

1.全面理解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的意圖、原理

在化學(xué)教學(xué)過(guò)程中，教師要明確實(shí)驗(yàn)研究的方法，根據(jù)課標(biāo)要求結(jié)合實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性、直觀性、簡(jiǎn)約性和安全性等基本原則，圍繞教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生的學(xué)習(xí)選擇并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

2.避免復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)組合裝置

如果教師選用復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置，安裝占時(shí)較長(zhǎng)，就會(huì)影響教學(xué)任務(wù)的完成，不利于學(xué)生仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果，導(dǎo)致學(xué)生難以確定觀察重點(diǎn)，從而弱化教材實(shí)驗(yàn)原本的作用。

3.符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律

作為信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的產(chǎn)物，在中學(xué)化學(xué)教學(xué)過(guò)程中，教師在應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)時(shí)應(yīng)注意梯度，逐漸推進(jìn)，從定性實(shí)驗(yàn)逐步進(jìn)階到定量實(shí)驗(yàn)，即測(cè)定目標(biāo)物質(zhì)有沒(méi)有—具體有多少—指定條件下的變化趨勢(shì)及圖像等。

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)運(yùn)用案例分享

1.運(yùn)用傳感器的入門(mén)實(shí)驗(yàn)案例

演示實(shí)驗(yàn)是教師在課堂上進(jìn)行示范操作和講解，并指導(dǎo)學(xué)生觀察和思考的實(shí)驗(yàn)。教材中的定性實(shí)驗(yàn)對(duì)傳感器的使用技術(shù)要求不高，操作簡(jiǎn)單，非常適合讓學(xué)生體驗(yàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)在化學(xué)研究中的應(yīng)用過(guò)程。

案例1.酒精燈火焰溫度的探究（陜西省2022年和2023年普通高中學(xué)業(yè)水平考試化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作考試數(shù)字化實(shí)驗(yàn)試題）。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄烤凭珶粞嫘?、?nèi)焰、外焰的溫度。

實(shí)驗(yàn)原理：酒精燈燃燒時(shí)，由于酒精蒸汽與空氣接觸面不同，燃燒程度不同，火焰不同位置的溫度也不同。

實(shí)驗(yàn)用品：朗威數(shù)據(jù)采集器（V8.0版本）和朗威8.0版本軟件、高溫傳感器、酒精燈。

入門(mén)方案A：學(xué)會(huì)使用高溫傳感器測(cè)量火焰溫度。

實(shí)驗(yàn)操作步驟：

（1）連接交互式電子白板、數(shù)據(jù)采集器和高溫傳感器，雙擊朗威軟件進(jìn)入朗威V8.0軟件界面，點(diǎn)擊“通用軟件”電子白板頁(yè)面自動(dòng)顯示溫度數(shù)據(jù)。

（2）點(diǎn)燃酒精燈。操作者手持高溫傳感器，肘部放在桌面上，通過(guò)調(diào)整肘部與桌面的夾角調(diào)整傳感器的高度（不用夾子固定），分別測(cè)量燈芯、內(nèi)焰、外焰的溫度。

進(jìn)階方案B：初步學(xué)會(huì)測(cè)量和運(yùn)用軟件繪制時(shí)間—溫度曲線。

實(shí)驗(yàn)操作步驟：

（1）點(diǎn)擊通用軟件。電子白板頁(yè)面自動(dòng)顯示溫度數(shù)據(jù)—在組合曲線中添加“時(shí)間—溫度”曲線—點(diǎn)擊平鋪（上面為數(shù)據(jù)，下為曲線圖）—點(diǎn)“開(kāi)始”。

（2）點(diǎn)燃酒精燈。操作者手持高溫傳感器，肘部放在桌子上，通過(guò)調(diào)整肘部與桌子的夾角調(diào)整傳感器的高度，測(cè)量燈芯、內(nèi)焰、外焰的溫度—點(diǎn)擊結(jié)束—點(diǎn)擊保存，曲線就可以保存在電腦了。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

焰心溫度＜內(nèi)焰溫度＜外焰溫度（如圖2所示）。

注意事項(xiàng)：

（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量減少空氣流動(dòng)，穩(wěn)定酒精燈火焰。在教室里做所得到的曲線肯定是不光滑的，這恰恰反映了真實(shí)所在，教師不要糾結(jié)于此。

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)會(huì)了測(cè)量酒精燈火焰不同位置溫度的方法，知道為什么外焰的溫度最高，今后用酒精燈什么位置給試管加熱等知識(shí)。

（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生知道了酒精燈內(nèi)焰和外焰交界處的溫度最高。

案例2.空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定。

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實(shí)驗(yàn)原理：通過(guò)氧氣傳感器測(cè)量空氣中氧氣的百分含量。

實(shí)驗(yàn)用品：朗威數(shù)據(jù)采集器（V8.0版本）和朗威8.0版本軟件、氧氣傳感器、電腦或交互式電子白板或手機(jī)等。

實(shí)驗(yàn)操作步驟：

（1）連接“交互式電子白板+數(shù)據(jù)采集器+氧氣傳感器”—雙擊朗威軟件—進(jìn)入朗威8.0版本軟件界面—點(diǎn)通用軟件—電子白板頁(yè)面自動(dòng)顯示氧氣體積分?jǐn)?shù)，教師講解測(cè)量方法，讀取數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

（2）讓一個(gè)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)吹氣，用塑料袋收集學(xué)生呼出的氣體，用氧氣傳感器測(cè)量氧氣體積分?jǐn)?shù)（也可增加一個(gè)CO2傳感器），可以看出人體呼出氣體中氧氣體積分?jǐn)?shù)在降低。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

空氣中氧氣約占21％（如圖3所示）。

案例3.碳酸鈉、碳酸氫鈉性質(zhì)比較（高中化學(xué)必修第一冊(cè)第38頁(yè)實(shí)驗(yàn)2-4）。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

以碳酸鈉和碳酸氫鈉為例，指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察化學(xué)物質(zhì)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用控制變量、定性與定量結(jié)合的方式研究二者的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)原理：

（1）通過(guò)測(cè)量溶液前后溫度變化，驗(yàn)證碳酸鈉溶于水是放熱過(guò)程、碳酸氫鈉溶于水是吸熱過(guò)程。

（2）通過(guò)測(cè)量溶液的pH和滴加酚酞試液，證明碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液都顯堿性。

實(shí)驗(yàn)用品：

朗威V8.0數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器2支、pH傳感器2支、試管架、250ml燒杯、18×180規(guī)格試管、滴管、蒸餾水、無(wú)水碳酸鈉和碳酸氫鈉粉末各1克、酚酞試液等。

實(shí)驗(yàn)操作步驟：

（1）連接交互式電子白板、數(shù)據(jù)采集器和溫度傳感器，點(diǎn)開(kāi)朗威軟件進(jìn)入8.0界面—點(diǎn)通用軟件—電子白板頁(yè)面自動(dòng)顯示溫度數(shù)據(jù)—點(diǎn)擊平鋪。

（2）將1g碳酸鈉和1g的碳酸氫鈉放入不同試管中，分別加入一滴管蒸餾水，振蕩，用溫度傳感器測(cè)量溫度變化（可以讓2個(gè)學(xué)生進(jìn)行示范，教師指導(dǎo)、評(píng)價(jià)），讓學(xué)生讀取溫度度數(shù)，對(duì)比后得出結(jié)論（如圖4所示），傳感器用完都要沖洗、拭干。

（3）繼續(xù)向兩個(gè)試管分別加入5ml水，振蕩后滴加2滴酚酞試液，觀察并記錄顏色變化，用pH傳感器測(cè)量?jī)煞N溶液的pH、記錄、得出結(jié)論（如圖5、表1所示）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

該實(shí)驗(yàn)用課本上的方法可視性差，如果改用溫度傳感器和pH傳感器就能直觀清晰地比較出二者的差異。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅學(xué)會(huì)了科學(xué)研究的一般方法和步驟，還學(xué)會(huì)了兩種傳感器的使用方法，感受到了技術(shù)手段的創(chuàng)新對(duì)化學(xué)研究的影響。

2.運(yùn)用傳感器做定量測(cè)量進(jìn)階演示實(shí)驗(yàn)案例

定量實(shí)驗(yàn)一直是高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，費(fèi)時(shí)長(zhǎng)，誤差大，數(shù)據(jù)處理麻煩。在實(shí)際教學(xué)中，教師在一節(jié)課內(nèi)如果完成不了實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理就會(huì)放棄演示，而是改用課件+視頻的方式講解實(shí)驗(yàn)，這樣在一節(jié)課內(nèi)完成測(cè)定和計(jì)算、分析和討論都是沒(méi)有問(wèn)題的。

案例4.強(qiáng)酸與強(qiáng)堿的中和滴定（選擇性必修一必做實(shí)驗(yàn)）。

酸堿中和滴定難點(diǎn)：

（1）滴定終點(diǎn)的確定；（2）滴定過(guò)程中微觀粒子濃度變化的不可視；（3）pH-V變化圖像繪制。

實(shí)驗(yàn)原理：

（1）強(qiáng)酸與強(qiáng)堿發(fā)生中和反應(yīng)，通過(guò)測(cè)定加入滴定液后的pH可以準(zhǔn)確繪制酸堿中和滴定曲線，并確定滴定終點(diǎn)（常溫下強(qiáng)酸強(qiáng)堿完全中和pH為7）。

（2）根據(jù)H＋＋OH－=H2O，用已知濃度的酸（堿）溶液滴定一定體積未知濃度的堿（酸）溶液，測(cè)出已知濃度酸（堿）溶液的體積就可以算出待測(cè)物質(zhì)的濃度。

實(shí)驗(yàn)用品：朗威V8.0數(shù)據(jù)采集器，pH傳感器，25ml酸式、堿式滴定管各1個(gè)，10ml移液管1根，100ml燒杯2個(gè)，膠頭滴管2個(gè)，鐵架臺(tái)，滴定管夾，洗耳球一個(gè)，0.10mol/L鹽酸，0.10mol/L氫氧化鈉，蒸餾水，濾紙等。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）連接電子白板、數(shù)據(jù)采集器和pH傳感器，點(diǎn)開(kāi)朗威軟件—進(jìn)入V8.0專(zhuān)用軟件—選中“酸堿中和滴定”—電子白板頁(yè)面自動(dòng)進(jìn)入中和滴定頁(yè)面。

（2）提前將裝好25ml0.1mol/L鹽酸的酸式滴定管固定，學(xué)生A用移液管量取10ml未知濃度的氫氧化鈉溶液放入100ml燒杯中，加入蒸餾水至溶液沒(méi)過(guò)pH傳感器，教師在一旁講解移液管的使用方法，并評(píng)價(jià)矯正。

（3）學(xué)生A負(fù)責(zé)滴定操作和讀數(shù)；學(xué)生B負(fù)責(zé)在電子白板上輸入讀數(shù)，并點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”。

（4）學(xué)生A開(kāi)啟“磁力攪拌器”滴加稀鹽酸，讀數(shù)，直至溶液呈堿性；學(xué)生B在電子白板上點(diǎn)擊“開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”，每輸入體積讀數(shù)后點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”直至溶液顯堿性，點(diǎn)擊停止實(shí)驗(yàn)—繪圖—圖線分析圖線自動(dòng)標(biāo)注出pH=7時(shí)消耗V標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值—數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出待測(cè)液的濃度（如圖6所示）。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論：

（1）根據(jù)NaOH+ HCl=NaCl + H2O 和C（NaOH）×V（NaOH）= C（HCl）×V（HCl） ， 測(cè)出 C（NaOH）=____________mol/L。

（2）向氫氧化鈉溶液滴加鹽酸，開(kāi)始時(shí)由于氫氧化鈉濃度較大，滴入少量鹽酸對(duì)pH的影響不大，當(dāng)接近滴定終點(diǎn)時(shí)，滴加一滴鹽酸就會(huì)引起pH突變。

注意事項(xiàng)：

（1）配制溶液濃度要準(zhǔn)確。

（2）控制滴定滴速和磁力攪拌器轉(zhuǎn)速（開(kāi)始快接近終點(diǎn)要慢）。

（3）如果沒(méi)有特殊要求可以用堿滴定酸，因?yàn)閴A式滴定管比酸式滴定管好操作。

教師指導(dǎo)學(xué)生代表在講臺(tái)滴定操作，讓其他學(xué)生觀摩和講解操作要點(diǎn)、在電子白板上讀取溶液離子濃度變化數(shù)值、pH-V圖像如何形成等。這種全員參與的教學(xué)方式，學(xué)生從中學(xué)會(huì)了中和滴定測(cè)定溶液濃度的方法，并結(jié)合課本習(xí)題，鞏固了定量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法。這樣一來(lái)，教師用一個(gè)課時(shí)完成教學(xué)目標(biāo)就沒(méi)有問(wèn)題。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版2020年修訂）》指出：“化學(xué)教材應(yīng)精心設(shè)計(jì)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，適當(dāng)增加微型實(shí)驗(yàn)、家庭小實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)等，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中學(xué)習(xí)科學(xué)方法，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究過(guò)程，體會(huì)、認(rèn)識(shí)技術(shù)手段的創(chuàng)新對(duì)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。”數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)與理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的產(chǎn)物，是一種功能強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)工具，對(duì)教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)有著很大的幫助。學(xué)生數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技能的形成和熟練離不開(kāi)動(dòng)手訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)中隱含問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)離不開(kāi)學(xué)生的操作與仔細(xì)觀察。因此，教師要圍繞“發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”這一主旨組織和實(shí)施實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)。

附：歷屆陜西省理化生教師實(shí)驗(yàn)操作技能大賽數(shù)字化實(shí)驗(yàn)化學(xué)試題（僅供參考，在練習(xí)中要注意：①相關(guān)軟件的熟練使用②測(cè)量操作動(dòng)作的規(guī)范性）

1.酒精燈火焰溫度的探究。

2.冰醋酸稀釋過(guò)程中離子濃度的變化。

3.中和熱的測(cè)定。

4.強(qiáng)酸和強(qiáng)堿的中和滴定。

5.指定溶液電導(dǎo)率的測(cè)定。

6.指定溶液pH的測(cè)定。

作者單位? 西安市第三十中學(xué)