化学数字化实验的特点、优势与应用策略

山东师范大学化学化工与材料科学学院   王海燕   姜言霞

随着信息技术和现代教育技术的发展，新技术与化学教学的融合也逐步深化。应用手持技术的化学实验又被称为数字化实验，是信息技术与化学实验教学深度融合的一种形式，大大提升了化学实验的科学性、定量化和现代化。

一、数字化实验的组成与特点

数字化实验由手持技术和其他实验器材整合而成。手持技术主要由两部分构成：数据采集器和传感器。各种类型的传感器是手持技术的核心构成要素。化学实验中常用的传感器能够采集的数据包括温度、气压、电流、pH、电导率、浊度、色度、溶解氧以及Ca2+、NO2-、NH4+的浓度，等等。如pH传感器能测量溶液的酸碱度，其测量范围与pH试纸是一样的，都是0-14，但其精度却是pH试纸的100倍，能精确到0.01。计算机技术则为实验提供了一套快速的实验数据处理程序：Windows操作系统操作便捷且功能强大，Excel或Origin等软件可以将数据进行更复杂的处理，完成数据曲线的绘制等。

数字化实验集数据采集、分析于一体，具有便携、直观、实时、准确等特点。手持技术使用的仪器大多数都很小，实验时在手掌上就可以操作，方便采集多种数据。师生可随时进行定量探究活动，并将实验的过程与结果储存。手持技术可以以图像、表格等多种形式实时记录化学实验中各种量的变化，自动生成数据和曲线，动态展示实验的变化过程，实验者可以以自己喜欢的表征方式任意查看某一时刻、某一阶段的实验数据。不仅如此，数据变化过程与实验过程同时进行，与计算机连接后就能将显示变化过程的各种形式同时演示出来；与微型摄像头连接后就能将实验的整个操作过程演示出来并存储在计算机中，实验后可以重复演示。此外，数字化实验既可以由仪器或电脑自动收集实验数据，时间间隔可以根据需要任意设定为1s、5s、10s、1min、5min等，又可以人工控制收集，实验数据可以准确到0.5%，减小人工记录带来的误差。运用计算机软件对数据进行分析处理，高效快捷，完全符合中学实验对实验数据准确度的要求。

二、数字化实验的优势

（一）支持学生进行深入探究

实验是学生进行科学探究的重要方式之一，但是由于传统实验本身的局限性，有很多学生感兴趣的问题无法进行深入探究，限制了学生探究的范围。比如人呼出的气体中还有氧气吗？还有多少氧气？这是学生容易产生误解的问题，同时也是学生非常感兴趣的问题。但传统的燃烧实验等测量氧气含量的实验方法却对此无能为力。借助氧气传感器则可以轻而易举地解决这个问题，氧气传感器不仅可以定量地测查出人体呼出的气体中氧气的含量，还可以实时定量监测教室中氧气含量的变化。除此之外，我们还可以将探究深入推进下去，比如，测查保证正常燃烧最少需要多少氧气，集气瓶中完成燃烧实验后是否还剩余氧气，剩余多少氧气等。

（二）促进对化学概念原理的理解

化学概念原理是化学教学的重要内容，但是很多概念抽象、晦涩，在教学时仅依靠讲解和反复练习，很难让学生完全理解掌握。传统的实验教学手段由于仪器精度不足，实验现象不够明显，导致教师在教学中对于很多问题都很难给予学生明确的解释。这无疑增加了学生化学学习的难度，也不利于调动学生的学习积极性。手持技术能够捕捉到很多传统实验无法测量到的实验数据，提高实验的精确度；运用计算机绘制出的图像能够帮助学生更好地理解实验过程，体现了直观性教学原则。因此，应用手持技术改进一些重要的化学实验，引入到课堂教学中，对促进学生理解化学概念原理具有极大帮助。例如有研究发现，学生利用手持技术进行酸碱滴定的实验，能大大促进学生对酸碱滴定的理解。

（三）克服化学学习困难

宏观现象与微观过程机理有机结合，是化学学科重要的思维方式之一。然而，微观世界的不可见和抽象性，容易导致学生化学学习困难。手持技术可以通过直观的、动态的演示实验展示宏观实验现象中观察不到的微观变化，让学生能够从微观层面认识化学反应，进而了解化学反应的实质，引导学生从宏观和微观两方面认识化学反应的本质。例如，教师可以利用温度传感器和气体压力传感器测量固体镁与盐酸反应产生氢气的量，引导学生通过分析数据找出产生氢气的量和发生反应所消耗的镁之间的关系，从而帮助学生有效克服反应方程式的书写与配平这一学习难点。

（四）激发化学学习兴趣

化学实验本身就是激发学生化学学习兴趣的重要手段。手持技术与化学实验设计的有机整合，则大大拓展了化学实验的内容和范围。许多数字化实验更是可以联系与学生生活密切相关的内容，如运用手持技术检测城市各区域空气中二氧化碳浓度数据，绘制二氧化碳浓度变化曲线地图；利用色度计比较混凝剂净水效果，利用手持技术对净水过程的pH变化曲线进行可视化展示。这些实验能帮助学生解决一些实际问题，有效地激发和提升学生学习化学的兴趣和热情。

三、数字化实验的应用策略

数字化实验有其独特的优势和价值，正因为如此，数字化实验在化学教学中的使用和推广也越来越广泛。但是并不是所有的实验都适合设计成数字化实验，有些实验设计成数字化实验后也未必能产生比传统实验更好的效果。因此，教师在教学中要想设计和应用好数字化实验，需要注意以下几个问题。

（一）明晰设计数字化实验的目的

在设计和应用数字化实验的时候，有些教师产生了一些误解。他们为了将手持技术应用到实验中，不惜将装置设计得极为复杂，影响了学生对实验原理和目的的理解。有些教师设计的数字化实验将学生的关注点导向了实验的非重点方面，偏离了实验原本的目的。这些都是数字化实验设计的误区。只有教师深入明晰数字化实验应用的缘由，实验教学才不会陷入小题大做、避简就繁的尴尬境地。

在当前的化学实验教学中，为了实现实验的定量测查，教师可以设计数字化实验。例如，对于二氧化硫溶于水或者与氢氧化钠的反应，化学教学中通常是借助实验过程中的气压变化（塑料瓶变瘪），或者是通过检验反应后生成物的酸碱性来间接证明发生了反应。这样的实验方法属于定性实验的范畴。如果我们选择测定实验过程中压强、pH、温度等变化的具体数值，就可以将实验定量化，这时就需要选择合适的传感器，设计数字化实验，测查需要的数据并显示出来。

为了克服传统化学实验的不足，提升实验的说服力和价值，可以设计数字化实验。如在讲解“影响化学平衡移动的因素”时，关于压强这一影响因素，教材中设计的实验是：用针筒抽取NO2，通过推拉注射器观察颜色变化。但是，该实验的现象并不容易观察，学生也难以理解勒夏特列原理中的“减弱而不是消除”这一说法。此时，教师可以选择压强传感器配合色度传感器，定量展示增加压强后，随着反应的发生，反应体系压强以及颜色的变化过程，学生就可以清晰地从数据中“看到”压强增加到一定数值后，随着反应发生体系的压强不断减小，再次达到平衡后，体系的压强比增加后的即时压强小，但比原平衡压强大。同时通过颜色的变化，可以看出反应的确发生了。

（二）引导学生了解数字化实验的原理和装置

在化学学习中，学生对常见的化学仪器通常都比较熟悉，能够理解普通化学实验的装置、原理及相关操作，在观察实验时也有一定的针对性。数字化实验中所使用的传感器对学生来说则比较新奇，而且很多传感器的外形都非常相似，传感器的工作原理通常也比较复杂。不仅如此，实验结果大多都是概括性较高的一系列曲线，如果教师不对实验进行必要的介绍，学生就会看得一头雾水，必然直接影响对后续实验结果的深入分析和理解。

因此，在使用数字化实验进行教学时，教师需要对数字化实验作必要的交代，注意引导学生了解数字化实验的原理、装置及具体的操作。比如要讲清楚实验中发生变化的基本原理是什么，实验装置各部分的构成是怎样的，实验中采用了哪种类型的传感器，这种传感器能够实现什么信号的转变，其转变后呈现出的数据结果形式是怎样的。如在压强影响化学平衡的实验中，教师应该让学生知道，实验中用到了两种传感器：压强传感器和色度传感器。压强传感器能测定反应体系内的压强变化数据，色度传感器能测定体系内颜色的变化数据。通过压强变化数据和色度变化数据，学生就可以判断反应发生的过程情况。

如此一来就会消除数字化实验的神秘感，学生才会观有所感、思有所得。需要说明的是，传感器、计算机软件的工作原理是不需要学生理解的，也没有必要去深究，在教学中让学生知道它能测出这个物理量，能够读懂这个物理量的数值以及相应的变化曲线即可。

（三）做好数字化实验结果的解读和分析

数字化实验最大的价值在于可以保存实验数据或用曲线实时动态地展示实验结果，特别是曲线通常承载着宏观现象与微观本质的有机联系，这对于学生深入分析实验发生的过程是非常有帮助的。需要注意的是，曲线的含义并不像具体实验现象那么明确具体，并且不同实验中出现的形状类似的曲线，其含义有可能截然不同。因此教师在利用数字化实验教学时，要重视引导学生加强对数据和曲线的分析，将数据和曲线与实验原理有机结合起来，帮助学生提升数据分析和解读的能力。更重要的是，教师要帮助学生理解实验以及实验的基本原理，从而促进学生对化学知识的深入理解。

（《山东教育》2024年5月第14期）