茍莉莉

化學課標中指出：改變在實驗中注重動手但缺少思考的現狀，強調高級思維的過程。在教學過程中，教師應基于學科核心概念選擇開展匹配的數字化實驗，通過清晰直觀的曲線反映實驗過程中的動態(tài)數據變化，為探究實驗本質提供強有力的支撐，讓學生在實踐、觀察、思考的過程中了解化學實驗宏觀現象背后的微觀本質。本文通過分析高中化學課程標準與新教材中的數字化實驗，提出數字化實驗案例設計的五個基本環(huán)節(jié)，并結合《探究電離平衡及其移動》展開實踐，嘗試探討數字化實驗與高中化學教學融合的方法。

一、高中化學課程標準與新教材中的數字化實驗分析

我國數字化實驗與化學教學融合研究起源于21世紀初。2003年，華南師范大學錢揚義教授在國內率先撰文建議中學化學教育領域應用手持數字化實驗，用高溫探頭繪制酒精燈各部分火焰溫度—時間曲線圖，探討酒精燈3層火焰溫度的大小及其關系。

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出：“化學教材應精心設計學生必做實驗，適當增加微型實驗、家庭小實驗、數字化實驗、定量實驗和創(chuàng)新實踐活動等，讓學生在實驗探究活動中學習科學方法，認識科學探究過程，體會、認識技術手段的創(chuàng)新對化學科學的重要價值，形成嚴謹求實、勇于實踐的科學態(tài)度，發(fā)展實踐能力?！毕旅?，筆者從實驗來源、實驗內容、板塊類別、傳感器類別四個角度簡要分析一下數字化實驗（見表1）。

人民教育出版社化學教材（2019年6月第1版）在“科學·技術·社會”板塊和“練習與應用”板塊中出現了數字化實驗的案例（見表2），這些案例圍繞化學核心概念展開，利用傳感器對化學實驗和真實情境進行了比較、綜合、分析。

二、數字化實驗與高中化學教學融合的實踐

1.數字化實驗案例設計環(huán)節(jié)

探究、論證是實驗最為關鍵的環(huán)節(jié)，也是學生認知發(fā)展的關鍵點。筆者在數字化實驗研究過程中整理了五個基本設計環(huán)節(jié)（如圖1所示），供教師在數字化實驗開發(fā)中參考。

2.數字化實驗與高中化學教學融合的案例

本文以人教版選擇性必修1化學反應原理第三章第一節(jié)電離平衡為主題，以《探究電離平衡及其移動》為案例進行數字化實驗設計，具體如下。

環(huán)節(jié)一：確定實驗目的

（1）通過實驗研究鹽酸與醋酸的差異，認識弱電解質存在電離平衡。

（2）研究濃度、溫度改變對醋酸電離平衡的影響，認識弱電解質電離平衡的移動過程，建構弱電解質電離平衡移動模型。

環(huán)節(jié)二：研究傳統實驗

水溶液中的離子平衡本身比較抽象，研究對象都是看不見摸不到的微觀分子、離子間的反應與平衡。筆者圍繞“探究電離平衡及其移動”這一核心內容，讓學生基于生活經驗描述鹽酸和醋酸的差異，自主設計傳統實驗探究鹽酸與醋酸的差異，感受實驗研究的過程和基本方法。

例如，讓學生使用pH試紙測量0.1mol/L的鹽酸和醋酸溶液的pH，觀察等體積1mol/L鹽酸和醋酸與等量鎂條反應速率的快慢，但學生對外界條件改變時電離平衡會發(fā)生移動這一動態(tài)過程難以形成直觀的認識。針對這一問題，筆者采用數字化實驗，用不同傳感器檢測傳統實驗無法檢測的物理量，為學生直觀地呈現了弱電解質電離平衡移動過程的數據。

環(huán)節(jié)三：確定傳感器種類

本數字化實驗的核心目標是探究溫度、濃度對醋酸電離平衡的影響，教師可以引導學生根據測量目標選擇溫度傳感器和pH傳感器。此外，電導率是用數字表示溶液傳導電流能力的物理量，常用于間接推測溶液中帶電離子的濃度，在工業(yè)生產和實驗室研究中常用于測量純水、飲用水、污水等各種溶液導電性或整體離子濃度的大小，電導率傳感器是研究離子濃度常用的且數據可靠穩(wěn)定的傳感器。根據實驗目的及測量目標，筆者選擇合適的傳感器種類后，設計了本數字化實驗方案（如表3所示）。

環(huán)節(jié)四：采集實驗數據、分析實驗結果

根據實驗方案，筆者帶領學生進行了場景搭建和數據采集，并分析了實驗結果（如圖2）。

環(huán)節(jié)五：分析實驗結果

弱電解質醋酸在水溶液中存在電離平衡：CH3COOH[]CH3COO–+ H+，當外界條件改變時電離平衡會發(fā)生移動。在實驗1中，醋酸溶液的pH隨c（CH3COO-）增大而升高，同離子效應使得電離平衡逆向移動，c（H+）變小，溶液pH升高。在實驗2中，冰醋酸加水過程電導率先增大后減小，溶液中的離子總濃度先增大后減小，對于同一弱電解質，溶液越稀離子相互碰撞結合生成分子的機會越小，弱電解質的電離程度就大，稀釋溶液會促使弱電解質的電離平衡，但隨著溶液體積的增大，溶液中離子濃度會逐漸減小，這就是曲線先升后降的原因。在實驗3中，醋酸溶液的pH隨溫度升高而降低，由于醋酸電離吸熱升溫使得醋酸電離平衡正向移動，c（H+）增大，溶液pH降低。

三、思考與啟示

1.拓展學生思維深度，發(fā)展核心素養(yǎng)

高中化學有些概念原理較為抽象，教材中常以定性結論呈現，高中生受自身認知水平所限，對抽象知識的理解存在片面性和表面性。數字化實驗將宏觀現象與定量數據相結合，是宏觀現象與微觀本質重要的聯系橋梁，學生在實驗過程中觀察、思考、討論、歸納、總結，抽象思維和邏輯思維在真實實驗情境曲線分析中得到了很大的發(fā)展，學科核心素養(yǎng)得到了很大的提升。

2.促使教師鉆研教材，深化學科理解

數字化實驗呈現出的定量化和可視性實驗結果，能夠促使教師不斷反思、重構和優(yōu)化教學內容。例如，利用電流傳感器探究原電池原理時，鋅銅稀硫酸單液原電池工作一段時間后電流出現衰減，溶液溫度升高，這是因為鋅與稀硫酸直接接觸發(fā)生了反應，有一部分能量轉化成了熱能。雙液原電池工作電流雖然穩(wěn)定，但電流較小，這是因為鹽橋中離子運動距離長，離子通道窄，產生的電阻較大的緣故。電流傳感器有多量程可供選擇，不僅可以測定微型電池、隔膜電池的電流強度，還可以探究改變條件（如電極材料間距、電極接觸面積、電解質溶液濃度）對電流強度的影響。

3.拓寬實驗研究主題，豐富應用范圍

傳感器是數字化實驗的核心組件，其適用范圍非常廣，不僅適用于常規(guī)化學實驗，還適用于應用類和跨學科類的教學。例如，筆者利用pH傳感器測定食用醋的總酸度、測定飲料中維生素C的含量、測定電離平衡常數等。實驗研究主題不僅可以應用于必修課程和選擇性必修課程，還可以應用于化學實驗校本課程、STEAM課程的教學中。因此，教師要在教學過程中不斷探究，積極拓寬實驗研究主題，促進數字化實驗與高中化學教學的融合。

作者單位? ?陜西省西安中學