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一、問題的提出

教育的信息化是教育現代化的重要特征之一,信息化的飛速發展加速、推進了我國教育現代化的步伐。2013年9月中山市開展數字探究實驗室應用于教學實驗的探究試點,溪角中學成為首批試點學校之一。數字實驗以傳感器和計算機為基礎,結合傳統的實驗儀器,將實驗數據采集之后用計算機進行分析處理,通過數據圖表展示現象、揭示規律[1]。這一年多筆者經歷了從疑慮到接受再到信任最后到離不開的轉變,通過實踐深刻地體會了數字儀器應用于化學實驗教學的出色效果。

二、應用數字實驗優劣勢分析

（一）案例一:KNO3、NaCl和NaOH溶解吸放熱現象《溶解過程中的吸放熱現象》是初中化學的一個重要實驗,傳統實驗原理是:先用溫度計測定溶解前的水溫并記錄,然后再分別加入KNO3、NaCl和NaOH充分攪拌溶解,再分別測出溶解后的溶液溫度并記錄,對比溶解前后溫度變化。該方法主要存在以下不足:1.教材中的演示實驗只是讓學生知道物質在溶解過程中由于溶解熱引起了溫度變化,至于是如何變化?變化的趨勢如何?學生卻全然不知。2.實驗過程不清晰,展示也不直觀,學生知道溫度上升還是下降但不知溶解過程中溫度的具體變化情況。3.教材中的演示實驗,用普通溫度計演示,其讀數只能由實驗參與者看清,不方便其他同學遠距離觀察,從而使其他同學缺乏參與感。用傳感器參與本實驗,實驗原理基本不變,只是用溫度傳感器替代了普通的溫度計,將演示結果直接輸入電腦。對此實驗引入數字實驗儀器進行改進后主要優點如下:1.該實驗可以讓學生知道物質在溶解過程中由于溶解吸、放熱引起溫度變化,并且了解是變化的過程與趨勢,電腦的圖像演示使變化過程一目了然。2.溫度探測儀等數字化儀器有靈敏度高,誤差小,結果精確,可信度高等突出優點。3.該實驗結果的呈現方式由點轉變為線性并直接由電腦屏幕輸出,突破了學生只能通過前后溫度差得出吸熱或放熱結論,而不知其溫度有溶解過程的實時變化過程的局限。由以上分析可以看出,傳感器的介入提升了實驗數據分析的層次。圖像的展示進一步培養了學生的觀察能力和分析能力[2],讓教師無須過多的贅述,學生就能通過觀察圖像進行理性的分析進而快速得出物質溶解熱量變化規律,使學生認知水平得到提升,使教學更為嚴謹、科學。

（二）案例二：人體吸入和呼出氣體成分的探究《人體吸入和呼出氣體成分的探究》是學生剛接觸初中化學時的一個重要啟蒙實驗，對學生化學探究思維和興趣的形成有著至關重要的作用，傳統實驗原理是：先分別收集空氣和呼出氣體樣品，然后用燃著木條比較氧含量多少，用澄清石灰水比較CO2含量多少，用玻璃片呼氣檢測水蒸汽多少。該傳統實驗方法主要存在以下不足：1.教材中的演示實驗只是讓學生知道氣體成份在呼吸前后含量發生了變化,學生無法清楚地了解CO2、O2、H2O含量變化的趨勢。2.由于實驗中觀察到:呼出氣體樣品中燒著木條熄滅和石灰水變渾濁,容易造成學生錯誤地認為呼出的氣體只有CO2和H2O,得出呼吸過程中氧氣全部轉化成CO2的錯誤結論。用傳感器參與本實驗,實驗原理基本不變,只是用O2和CO2傳感器替代了普通的燃著的木條和澄清石灰水,結果直接由電腦輸出到屏幕。對此實驗引入數字化實驗儀器進行改進后主要優點如下:1.實驗結果被量化和圖表化,更方便讓學生更清楚地觀察呼吸過程中O2及CO2含量的變化趨勢便于得出呼吸過程中氧氣含量不斷減少,CO2含量不斷增大的結論。2.通過對數據分析,學生不難發現實驗結束后O2含量并不為零,這一數據讓學生清楚認識到呼吸中吸入的O2無法全部轉化成CO2這一經常被忽略的事實,從而避免答題過程中輕易下呼吸作用吸進去的是空氣呼出來的全部是CO2的武斷結論,傳感器的介入提升了實驗數據分析的層次更有利于學生科學素養的提高,更能幫助培養學生對待科學的嚴謹態度。這一點對剛接觸化學的初三學生來說是至關重要的。

三、數字實驗進入化學實驗教學的思考

（一）整合信息技術與化學學科教學,優勢互補,優化教育資源配置實驗是化學學科的基礎,化學中每一項重大發現和重要規律都是建立在化學實驗基礎之上的[3]。傳統的化學實驗教學由于受實驗儀器、實驗條件等多方面的限制,很多實驗只能停留在定性層面,也是學生觀察現象,并在教師啟發下對現象進行分析、推理形成相應結論的層面上。推理雖然是化學實驗中非常重要的方法,但有時缺乏過程化的呈現和實際的數據支撐,比較缺乏說服力,也不利于學生嚴謹科學思維的培養。數字實驗的介入,通過信息技術手段解決了一些傳統實驗無法解決的問題,如傳統實驗無法將實驗過程完整呈現、無法實現定量等問題。如《溶解過程中的吸放熱現象》這一實驗中,傳統實驗方法無法將溶解過程中的吸放熱的趨勢呈現給學生,但傳感器的介入就很好的解決了這一問題。再如:《人體吸入和呼出氣體成分的探究》實驗中傳統實驗無法將吸入氣體和呼出氣體中的氧氣和二氧化碳含量定量檢測,但數字實驗幫助實現了數據的量化,更有利于避免學生認為呼吸作用吸進去的是空氣呼出來的全部是CO2的錯誤認知。因此,數字實驗設備優化了教育資源配置,大大提高教學過程的效率。數字實驗不僅可以成為輔助教師教學的工具,同時也有助于培養學生學會把信息技術作為獲取信息、協作討論、探索問題、解決問題和構建知識的認知工具。引入傳感器會使一些傳統實驗起到事半功倍的效果。同時引入傳感器技術可以實現課本資源的二次開發,變課本習題、學生疑問等為創新實驗,也可以改進原來做不出或效果不佳的實驗。這樣又為化學學科的研究性學習提供了新的活力。

（二）深化探究意識,著眼科學方法,培養科學素養新課程理念之一是“注重科學素養教育,提倡多元化學習方式”。傳感器的引入更強化了數學分析化學問題的意識,實驗數據的數字化讓化學實驗更具真實性、科學性。化學的發展離不開數學,學好初中化學更離不開數學。愛因斯坦認為,數學給予精密的自然科學以某種程度的可靠性,沒有數學,那些學科是達不到那么高的可靠性的。表格和圖像的充分利用是強化數學在化學教學中的作用的一個重要體現。如《溶解過程中的吸放熱現象》這一實驗中,溫度是人們親身體驗的冷熱程度,而傳感器在實驗中的應用,使學生感受到一種不一樣的感知事物的方式,那就是真實的數據,這種感知方式對學生而言更具說服力。長此以往就能培養學生養成通過“現象──實驗──數據──分析──結論”的研究問題的科學習慣,更有利于培養學生“用數據說話”、“凡事講證據”的科學素養的形成。

（三）喚醒問題意識,教會發散思維,提升過程實效探究式教學是以探索、研究化學規律為出發點,以實驗活動為中心,以學生的可持續發展探究能力的培養為根本的一種教學方法。探究式教學強調“猜想—驗證—歸納”的科學探究過程。傳統實驗的定性分析和引入傳感器的數字化定量實驗相結合,通過對比及數據分析,鼓勵學生積極參與、大膽猜測,喚起學生對實驗過程出現問題求知欲,有助于開發學生的學習潛力。傳感器引入化學教學,更利于教師主導地位的體現。教師教會學生處理數據的方法,讓學生在研究和歸納的過程中感性地理解化學變化及其規律,學生不僅可以更深入地理解化學的現象,而且可以學會獨立思考、大膽假設和嚴謹探索實驗的科學精神。一幅圖擺在學生面前,不同程度的學生會有不同的理解,但只要看出相關的問題,教師就可以給予肯定,盡可能調動學生的積極性;在同學們對解決問題的討論中切磋,懂得互助,學會合作。如《人體吸入和呼出氣體成分的探究》教學中學生可能對結果圖中氧氣含量變化圖提出為什么呼出氣體中氧氣含量不為零的疑問,教師可以就呼吸作用的原理與實質做出解釋是因為肺一分鐘呼吸60多次,氧氣不可能在短時間內被完全吸收并轉化。

（四）傳統與數字化優勢互補，重在合理整合數字實驗是時代進步的產物,但并不意味著它一定能替代傳統實驗方式,兩者不存在絕對的誰優誰劣之分,兩者是優勢互補的關系。新技術豐富了傳統的實驗,使傳統實驗有了新的發展,并且拓寬了學生的視野、開闊了他們的思路[4]。新技術的使用也給教師帶來了機遇和挑戰,教師在新課程中必須接受新儀器、新手段。學會對傳統實驗進行“再開發”,努力開發數字化設備的潛在的教育教學功能及價值,合理地將其與傳統實驗教學整合起來,彌補傳統實驗教學的不足,使其更好服務于教育教學。

四、結束語

綜上所述,隨著信息社會的不斷發展、教育信息化也是必然的發展趨勢,教育信息化不斷促進教師再發展,數字化儀器設備的使用及相關教學資源的整合與開發需要廣大一線教師的積極參與,只有教師不斷更新教學理念,與時俱進,學生的實踐精神和創新意識發展才成為可能。數字實驗教學能很好地與傳統實驗教學優勢互補,能給傳統實驗有新的生命力,讓學生的思維達到更高的層次。筆者將努力在數字化實驗與傳統實驗的資源整合上進行更深入的研究,讓其更好地服務于教學,發揮其更大的功效。

作者：曾青華 單位：廣東省中山市沙溪鎮溪角中學