数字化实验在初中化学教学中的应用例谈

数字化实验在初中化学教学中的应用例谈

何德平

湖北省襄阳市东津新区世纪城中学 441100

摘要：众所周知，化学反应伴着人的一生，化学作为一门基础学科，实验是中学化学教学内容中的一重要环节。目前，信息数字化技术与课程融合形成了教学新形态，在创新理念，培养模式和教学体系方面，成为改革实验教学的中坚力量。建立化学数字化实验教学平台，整合传统教学课程，推动化学实验迈向新台阶，有效培养学生化学核心素养。

关键词：中学化学；数字化；平台

随着教育信息化和数字化智慧校园理念越来越深入，传统的实验教学并不能满足当代初中学生的学习要求，并且传统实验教学较为死板，实验步骤繁琐，学生容错率高，不能将兴趣提升到一定程度，阻碍了学生探索化学的积极性。化学实验教学的发展与信息技术，网络技术及现代教育技术不可分割，相比之下，化学数字化实验教学属于一种较新的教学方法，在学生开展传统实验前，可以按照指示充分激发学生的想象力，扩宽学生思维能力。因此，在化学实验中，应当有力地将数字化实验应用到传统实验中有机结合，这样才能使得中学生的化学知识见解更加丰富多彩。

一、数字化实验定义

数字化实验，顾名思义，就是以传统化学实验为基础，利用数字化实验室或者网络教研室开展的虚拟实验教学，目的在于提前对传统实验做好相关准备，规避实验风险，充分发散学生思维。数字化实验教学一般由传感器，数据采集器、数据处理及输出展示等构成要素和配备相关实验设备的教学实验室[1]。数字化实验通过计算机智能处理系统，可将实验智能化，实验现象可视化，探究深入化等，并使得信息数字化技术与课程整合更加具有现实意义和应用价值，提供更多的实验体验和促进学生综合能力的提升，也能促进中学化学学术交流[2]。

二、研究现状及必要性

自1976年Robert Tinker第一个应用数字化实验—冷却曲线以来，世界各地兴起了教学改革风潮，国内虽然发展较晚，但也稳步上升，有关数字化实验教学的研究逐年增加，反映出教育改革的必要性。随着国家数字化战略方针的推进和发展，各行各业将数字化应用视为行业发展不可或缺的一环，教育事业也不甘落后，教学信息化应用大幅度提升。国内化学实验教学平台建设得到了长足发展，从过去的传统实验室教学到数字化技术与课程整合，形成了现代化学教育的新形态。通过虚拟仿真实验教学，实现了中学化学教学中知识可视化，虚拟化和数字化，从而解决了中学化学的疑难问题，创新教育理念，教育模式，成为实验变革中重要力量。在化学数字化实验中，还具备了课前，课时和课后的网络学习功能，凸显了建设化学数字化教学的必要性，因此，建设化学数字化实验教学平台意义重大。

三、化学数字化实验教学平台及其基本功能

近年来，随着教学方法和手段不断更新，计算机化，集成化，网络化等现代技术在化学教学中得到良好的应用，是传统实验教学和信息数字化技术结合的典型例证。列如，西南大学蒋洁[3]一文提出，在传统的CO2和NaOH化学反应实验中，本质上即酸碱反应，通过压力传感器、温度传感器、PH传感器、信息收集器等元素构件将信息通过计算机整合，直观了解到各反应参数的变化，极大了促进学生对化学学科的认识，避免了传统实验的“应试教育”。化学数字化实验教学平台由集成化实验教学系统，电子教学软件和虚拟仿真教学系统等组成。

化学集成化教学系统主要由教师端和学生端组成，这样就实现了化学教育的计算机信息数字化，网络化、集成化。集成化目的在于将实验平台与传感器，采集器及同步演示系统等集成一体，能够实现实验数据和实验报告无纸化处理，这样便使得教师更易于管理，节约教学时间。特别是集成教学实验模块，实验报告、多媒体网络等数字化技术支撑的教学手段。多媒体由视频，播放、录制、模拟中心等模块构成，实现以数字化技术支撑的实验教学。整个学校的实验模块并不限于某个学科，而是有系统化的实验模块，这样便于学生进行个体化实验操作和实践。在即将实验完成后，教师可通过教师端给予学生布置实验后思考问题，书写的实验报告及其中的数据可通过网络平台上传至教师端，课后由教师批阅。

通过计算机教师端和学生端无线联络，教师端可以进行实验模拟共享，监控学生实验场景屏幕和操作界面的投影共享，在实验中可以进行师生间信息交换，另外还能监控学生实验进度并进行实时指导，若学生实验完成较好，还可进行屏幕展示共享。

虚拟仿真教学系统的构建，是通过多媒体，虚拟现实、人机端口、通讯等技术，建立高度与实验仿真的虚拟实验场景和实验对象，这样学生就可以在虚拟的状态下进行实验操作，从而完成数字化实验的要求，之后学生进行传统实验，达到虚实结合，将对化学的认识提升至另一个高度。

四、化学数字化教学实验的优点

（一）、调动学习积极性

数字化实验教学相对于传统实验教学区别较大，前者更加符合中学生对化学变化奥秘的兴趣探索，针对具体某一个实验，学生可以对某研究参数进行持续化观察，直至实验结束，并且可观察到一个参数变化后另外的参数变化情况，使得学生中实验中不枯燥，实验参与度高，突出学生“主体”地位，从而调动学习积极性，提高学生发现问题、提出问题、探究问题、解决问题的能力。实验前，通过虚拟仿真实验学习，能够让学生更加投入到实验探索中。

（二）、实验数值更加准确

相对传统实验，数字化实验教学可以观察到各参数之间的持续变化情况，通过传感器、收集器、计算机处理系统，可以很大程度上减少实验误差，另外，在各参数变化幅度绘图方面，通过计算机集成处理软件，能清晰的反映出参数变化，避免学生手动绘制带来的误差。

（三）、节约教学时间

数字化实验教学平台的搭建相对于传统实验教学可以大大节省教学时间，正式开展实验前，学生通过虚拟仿真实验模拟系统就能对实验有了初步了解，避免教师重复教学，且能在此期间有更多时间帮助学生分析实验数值变化情况，加上传感器灵敏度高，微观细小的实验变化皆可记录下来，学生可在投影屏幕上看见明显的实验现象。

（四）、提高实验安全意识

通过提前对实验进行讲解，例如在实验中需要接触强酸强碱等化学试剂，可在计算机虚拟实验系统上进行动态视频展示，明确其危害性及如何处理突发实验事件，以便于学生开展实验时做好安全防范。

五、数字化实验教学案例：《碳酸钙与盐酸反应》

（一）、仪器设备：pH传感器、气体传感器、温度传感器、盐酸、碳酸钙固状物、锥形烧瓶、橡胶塞、紫色石蕊溶液、数据收集器、计算机系统等。

（二）、仪器连接：将橡胶塞打孔，安装pH传感器、气体传感器、温度传感器，检查气密性，最后将传感器，数据采集器，计算机系统依次相连接。

（三）、教学过程

首先，教师打开虚拟实验系统，经过简要介绍后，嘱咐学生按照系统提示进行实验学习，了解实验相关注意事项后即可进行虚拟实验操作。

其次，在虚拟实验操作完成后开展实验，教师提示指示剂会变色，但其中反应过程对应的酸度变化情况尚不明确，本次实验拟感受碳酸钙和盐酸反应的温度及酸度和产生气体的变化情况。一位学生向小瓶中加入5ml盐酸，并滴加几滴紫色石蕊试剂，其他学生观察烧瓶内颜色变化。之后加入少量碳酸钙固状物，观察瓶内气体产生及颜色变化情况，打开计算机系统及其他的传感器等，叮嘱学生记录气泡变化幅度及颜色渐变的时间点。

最后，实验基本结束后，教师从计算机里面调处气体峰度、pH值及温度变化的图像，向学生解释整个反应体系的变化情况。

参考文献

[1]吕嘉惠.浅析数字化实验在初中化学教学中的应用[J].试题与研究：教学论坛,2019,0(12):0022-0022

[2]徐睿.中学化学数字化实验的新趋势[J].化学教学,2020(9):31-36

[3]蒋洁. 初级中学化学数字化实验教学研究[D].重庆：西南大学,2021.

[4]中共中央办公厅,国务院办公厅.加快推进教育现代化实施方案(2018-2022年)[Z].2019-02.