高中化學數字化實驗教學探討

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【摘要】時代發展為學科教學的直觀性、實踐性的提高提供了多種可能，數字化設備在教育領域備受寵愛，“數字化”向傳統教育教學模式提出了新的挑戰。以高中化學為例，在吸熱放熱反應的數字化實驗中，通過溫度傳感器能直觀呈現物體熱能的變化，通過電壓傳感器能準確看出電流電壓的變化數據，避免人為感測引起的觸電風險，通過壓強傳感器能分析酸性條件下，鋼鐵的吸氧和析氫現象等等，分析數字化實驗應用于高中化學教學的優勢與弊端，從實驗目標、數據采集和處理等方面提出了建議。

【關鍵詞】高中化學；實驗教學；數字化；信息處理

化學是一門自然學科，也是與生活聯系極其緊密的一個學科分支。在日常生活中，我們無時無刻不在享受化學研究的成果。高中化學作為中學學科構成的重要組成部分，在提高學生學以致用的實踐鍛煉能力方面發揮了重要作用[1]。實驗教學作為高中化學的主要教學形式，也凸顯了實踐性在化學學習中舉足輕重的地位，但由于場地、設備等各類教學資源的不完備，使得傳統課堂中的實驗教學不盡如人意。對此，數字化實驗教學作為傳統教學模式的必要補充，利用傳感器對實驗進行仿真模擬，能很好地解決這一傳統教學所面臨的難題。

一、數字化化學實驗教學概述

（一）化學實驗數字化教學的優勢

高中階段的化學實驗教學普遍采用的是在專業實驗室進行的傳統實驗教學，相對于傳統化學實驗教學而言，數字化的化學實驗具備一定條件下的優勢，能促進學生方便快捷地操作化學實驗。首先，數字化的化學實驗教學普遍采用的是更為形象且直觀的操作步驟。數字化的化學實驗教學在過程中所采用的是基于數字技術的教學方式，而對于長期接受傳統實驗教學的高中生而言，新穎的實驗教學能夠有效地激發學生的學習興趣。受當前的技術環境影響，學生對于數字化的實驗教學方式的接受度較高，并且學生也比較傾向于利用數字化技術進行實驗教學。其次，對于高中化學實驗教學而言，需要學生在做實驗時，能夠充分結合教材知識。但是化學知識中的大部分原理對學生而言，在學習時比較抽象，進入到實驗教學環節時，不能夠很好地把控相關的步驟，從而無法有效地驗證自己的理解。而數字化實驗教學更加直觀易懂，教師在教學時，也能夠利用數字化技術將一些抽象的化學知識融入實驗教學中，學生也能更為高效地對知識形成自己的理解。最后，學生在數字化實驗教學中，不再需要將關注點放到實驗儀器的具體操作上。學生的關注點將從實驗儀器轉變為數字化實驗用的傳感器。對于實驗教學而言，學生會擁有更多的時間去理解實驗過程中的化學原理。在化學實驗課上，學生的主體地位也會更加地突出。

（二）化學實驗數字化教學的弊端

相對而言，化學實驗數字化教學優勢雖然較為明顯，但是在某些環境下其弊端也較為突出。高中階段化學課程采用數字化實驗教學，必然要面對實驗設備的問題。目前主流的數字化化學實驗設備相對而言價格偏高，且后期需要花費大量時間進行維護。對于高中學校而言，不同地區的經濟發展水平不同，一部分學校便不愿采購相關的實驗設備，并且后期的維護成本對于學校而言，也是相對較大的支出。其次，數字化的化學實驗教具更多的是采用的是數字化的傳感技術，學生在進行實驗操作的過程中，所有的實驗數據都能夠直接上傳到電腦上。學生的整個實驗過程將不再需要對相關的數值進行計算。對于學生而言，這一過程并不利于學生計算能力的提升。高中階段學生所學習的化學知識為基礎知識，有相當一部分的理論知識需要學生結合化學公式計算，才能讓學生對知識的理解更加透徹。而數字化實驗教學忽視了這一點，后期學生的數據處理與計算能力得不到提升，也會對學生整體的未來發展產生不利影響。最后，數字化的實驗教學雖然更加直觀，但是在實驗的過程中與生活的聯系將會大大減少，學生的實驗結果轉化也將變得不再具有一定的真實感受。所以對于高中化學教師而言，數字化的實驗教學要更加注重學生的能力培養，盡可能地排除掉一部分不利因素。

二、數字化實驗應該以“可視性”為目標

“可視性”在最大程度上將實驗場景以直觀的方式呈現在學生面前，是高中化學實驗課應該主動迎合的新方向?；瘜W實驗在一定程度上而言，將學生所學知識與動手能力集中在一起，在實驗中考量知識的應用準確度，在知識學習中檢驗實驗的可行性與施行方向。例如，在探索外焰溫度的化學實驗中，傳統實驗方法是讓學生自己去用觸覺感知，然而拋開傳統實驗的危險性（可能會有燙傷現象并導致自燃的嚴重后果），由于個體差異性的存在，學生的感知覺也各有不同，對溫度的把控因人而異，因此，教學效果較差。數字化實驗模式引進之后就解決了這一難題，學生可以通過溫度傳感器，直觀地觀察到內外焰溫度全程的變化，從而得出外焰溫度高于內焰的定論。再如，在做溶液pH酸堿度中和滴定測驗時，pH傳感器可以感知測定過程中溶液酸堿度的變化，并在電腦端生成pH的變化曲線，確定溶液濃度，并合理判斷滴定終點，大大提高了實驗的可操作性、過程的可視性和結果的客觀性、精準度。而傳統試驗模式是由操作者將指示劑滴入不同溶液中，以操作者目測數據判斷滴定重點，一次操作后，還要將數據記錄下來，中斷性操作會影響觀察的準確性，操作誤差很大，實驗效果受主觀因素的干擾比較大，實驗結果的精準度不穩定。數字化實驗通過傳感器使數據采集更加便捷、易操作，最大程度上避免了人為因素的干擾。然而，試紙測量的有效性與溫度、受測環境、器皿材質等都有千絲萬縷的聯系，這種傳統的測量方式勢必會影響測量的準確性，也無法達到直觀的目的。數字化實驗則能很好地呈現酸堿度高低變化的曲線過程，將變化以精準的數據展現出來，既增加了知識的趣味性，又鍛煉了學生的觀察和思考、記錄能力[2]。

三、數字化實驗要突出實驗重點

數字化實驗對教學設備的要求相對于傳統的實驗室實驗而言要高出許多。計算機、傳感器、數據終端、錄播/導播系統、圖像分析、板書定位系統等都是搭建數字化實驗室所需要的。教師的實操能力、學校的辦學投入等主客觀因素都會影響數字化實驗室的建立與使用進程。因此，教師作為數字化實驗室啟動的發起者要先綜合分析教學現狀，針對有需要的化學實驗環節進行數字化剖析，在給定的教學投入下，不斷提高自己的設備實操能力，使數字化實驗投入對學校、教師、學生這三方的實效性都能實現最優化。例如，武漢某高中化學教師就根據本學科教學的情況及學生掌握知識的程度，進行了數字化實驗室擬建立的必要性探究實驗。針對儀器、試紙、有毒藥品（包括易燃易爆物品）、過濾、蒸發、升華、萃取和透析等高中化學教學主線進行了系統剖析，指出哪些是學生希望掌握但又因實驗室條件局限無法展開的，哪些是實驗室教學雖然可以展開但是精準度無法控制的，哪些是當前社會形勢下高中生必須具有的化學實操能力等等。針對急需解決的實操問題進行數字化實驗教學模擬，既增長了學生見識，也為他們更好地參與社會實踐提供了堅實的物質基礎。

四、數字化實驗要注意教學過程“現代化”

數字化實驗室的建設不是一項小工程，學校需要投入大量人力、物力、財力，而教師也需要不斷提升數字化設備的操作能力，學習某些實驗項目的風險管理等相關知識，這樣才能在實際操作中臨危不亂。數字化實驗室如果能與微課或錄播課等網絡形式相結合，將會取得意想不到的效果，也能真正實現教學資源全球化，給偏遠地區不具備數字化教學資源的學校帶來福音[3]。江蘇省南京市某數字化實驗試點高中曾教師的做法就很好地踐行了這一點。曾教師所在的高中是南京市政府政策扶持的重點高中，作為一名化學骨干教師，曾教師在認識到傳統實驗室教學的瓶頸后，大力倡導數字化實驗室的應用。作為試點單位的發起人，曾教師把引進過程中的點滴心得、工程進度、待辦事項等都一一記錄在案，在數字化實驗室投入使用之前，自己反復演練實驗的各個階段確保萬無一失。此外，曾教師還準備了錄制設備，他覺得這么好的課堂，一定要讓不具備數字化實驗教學條件的學校也能通過視頻去感受、共享他們的學習成果。在實驗室正式運行之后，曾教師作為第一批使用數字實驗室的化學教師，有針對性地制定了實驗室的規則和注意事項，并提出哪些板塊可以利用數字化實驗室，如何利用等細節問題，為學校以及化學課程數字化實驗工作的展開奠定了堅實的基礎。

五、數字化實驗要注重數據采集和處理的“準確化”和“智能化”

數據分析是數字化實驗的核心特征，也是數字化實驗在分析層面優于傳統實驗室實驗的主要原因。要發揮并保持這一優勢，數字化實驗必須進行持續的自我優化和更新。如同手機軟件也要不斷地進行升級修復漏洞一樣，數字化實驗室中的軟件和設備也要進行系統升級，確保數據采集的準確性和智能性、即時性，客觀性，并且作為儀器設備進行有效管理，建立并完善制度臺賬。湖南省長沙市某高中就針對化學數字化實驗室進行定期維護升級管控，由信息科負責人帶領，每月一次對實驗室中的軟硬件設施進行檢查，確保數據產出的有效性和時效性。

六、加強教師之間、學校之間、社會之間的交流學習

綜上所述，數字化實驗在直觀性、現代化和實驗效果上都比傳統實驗室實驗更勝一籌，它不但踐行了新課改背景下將理論與實踐結合起來的學習觀，還能有效地發揮了學生的主觀能動性，增加了實驗趣味性，提高了學生動手操作能力，更好地促進理論知識的吸收消化。但是由于不同學校經濟預算及規?？刂?，并不是每個學校都有可用的數字化實驗配置，受之局限，并不是每位化學教師都能使用數字化實驗設備，并不是每位學生都能受益于數字化實驗。對此，加強教師之間、學校之間、社會之間的交流，實現“互通有無”，在提高整體化學教學成果上就尤為重要。首先，教師之間——同校教師和非同校教師。同校教師之間由學校進行調控，由精通數字化實驗的教師定期對其他化學教師進行集中培訓，培訓的方式可以是講座，也可以是微課或網課，培訓內容分為理論和實踐并定期由校方檢驗培訓成果，確保教師“人人能用，人人會用”，提升數字化實驗的普惠范圍。非同校教師之間，由教育部門或學校領導牽頭開展互動學習，由設備持有學校教師對其他學校教師進行集中培訓，輔以網課形式，最大程度上避免因時間、地點原因導致的不能到場現象，切實提升教師的實操能力。其次，學校之間——由教育部門統籌。由于各學校的實際情況存在差異，不同學校引進的數字化實驗設備可能存在很大的不同，可能存在A學校擁有溫度傳感器設備，B學校擁有電壓設備。教育部門通過統籌安排，使沒有配置設備的學校能親臨有設備的學校中，進行深入學習實踐，無疑能在實現資源最大化的同時實現實驗教學效果的最優化。最后，社會之間——主要包括學校與各大社會團體之間。在社會范圍內通過學校與團體的交流合作，擴大數字化實驗的影響范圍并不斷汲取新的養分，使數字化實驗不斷博采眾長，在不斷優化中提升實驗效果的新高度。例如，2019年，為推廣數字化實驗及提高運用水平，中國教育學會和《化學教與學》雜志社聯袂舉辦了化學數字化成果交流與培訓會，吸引全國共計近900名中學化學教師前來學習交流。會上，威尼爾公司余國濤博士作了精彩演講，向教師傳授了數字化設備使用的技術經驗，展出了從全國160多件數字化實驗作品中選出的26件作品，并由專家現場講解評價，針對作品的優缺點逐一論述。以此在全國范圍內加大了數字化實驗的影響力，同時也通過現場溝通提升了廣大教師的實操水平，引起了廣大化學教師的廣泛關注。

七、結語

現代化進程的不斷推進對新時期的高中化學教學提出了新的挑戰，數字化已成為時代的標志性特征?；瘜W教學要積極發揮教師、學校和社會團體的影響力，實現資源最大化，為傳統的實驗室化學模式增添新的色彩。作為新時代的高中化學教師，要充分利用數字化實驗教學帶來的新契機，引導學生積極參與實驗，主動思考，讓學生在實踐中鞏固知識，在運用中深化知識，提高觀察能力和實驗操作能力，引導學生以務實的心態積極投身社會實踐。

【參考文獻】

[1]王壽紅，何彩霞，賈曉春.中學化學教師數字化實驗教學培訓實踐與思考[J].中國現代教育裝備，2020（2）：6-8.

[2]賈文靜.關于高中化學數字化實驗教學的思考[J].試題與研究，2020（7）：195.

[3]裴傳友，馬善恒，楊芹.中學化學數字化實驗的發展與應用[J].化學教學，2020（2）：56-60.

作者：徐鳳 單位：江蘇省徐州市第一中學