数字化实验设备对高中化学实验的影响

1数字化实验设备对高中化学实验探究活动的影响广州市天河中学汪明微(510630)摘要：数字化实验设备引入高中化学实验探究教学将提升了问题探究的深度和广度，丰富了探究方案设计，方便了证据的收集，形成了科学的解释与结论，清晰、明了的交流、客观有效的反思与评价。关键字：数字化实验设备化学实验探究教学化学是一门以实验为基础的自然科学，可以说化学实验是化学赖以生存并不断发展的基础。从一定意义上说，实验就是化学学科的生命线。抓住“以实验为基础”这一基础特征，不仅能使学生加深理解，巩固化学基础知识，更重要的意义在于可以培养学生形成科学的思维方式，掌握科学的研究方法。高中新课程化学教材把相当多的验证性实验改为探究性实验，更有利于激发学生的学习兴趣，有利于提高学生分析问题和解决问题的能力，有利于培养学生实事求是，严肃认真地科学态度，有利于培养学生的创新欲望和创新能力，也有利于使学生将所学的知识和技能应用于科学技术的创新和日常生活等方面。在新一轮的课程改革中，科学探究不仅被作为重要的理念强调、作为教学建议提出，而且被列入了课程目标和内容标准之中。但在中学开展探究性实验教学多年来，特别是在实行高中新课程这一年来，一直存在以下几个困难：一是探究活动需要时间的与紧张课时的矛盾；二是探究实验设备特别是较高精度的数字化实验设备的需要与实际设备不足的矛盾；三是课本上验证性实验过多而探究性实验不足的矛盾；四是定性实验过多，定量实验过少的矛盾；五是探究实验的过程的体验与严谨的实验操作要求的矛盾。PASCO数字化实验设备的引入解决了缺少探究设备的问题；同时由于它的快速直观也缓解了课堂教学时间紧张问题；它的灵活、方便、易用性改变了解决了部分传统实验过度要求规范操作导致的重细节忽视整体实验过程体验的问题。从此在中学化学大量的定性实验引入了定量要素，从原有关注实验现象转变成关注实验过程与原理，再结合其它科学探究的要素，从而使中学化学实验由此进入了准科学探究的阶段。下面我们就分析下数字设备的引入对化学探究活动各环节带来的影响：1、拓展了探究问题的深度和广度：问题是探究活动的核心，但是枯燥、平淡的问题味同嚼蜡，不仅无法引起学生的兴趣和注意，反而会使学生感到厌烦。数字化设备拓展问题探究的广度，借助数字化实验设备，把很多原来只能意会的问题数字化、外显化，他的可携带性使实验可直接应用于真实情境，更容易解决生活中的实际问题，如用数字化实验设备测定酸雨、水质污染等环境污染问题。数字化设备对探究问题的深度提出了更高的挑战，如在原电池实验中，利用简单的实验，电极、溶液的相互组合判断原电池的形成条件及相应的正负极，让学生在复习交叉分类法的同时又参与了探究活动，实际上测得Al—Cu的电压还不如Zn—Cu的高（如图1），提供了我们继续思考的情境，把原电池电极选择的全国化学最优课题成果交流材料2问题继续深化。学生分析实验现象与图象可得出：①无论从成本还是电压值方面，都是Zn—C电极作电池更合适；②电解质溶液的选择的探究也得出了“为何干电池用完后，可注入少量食盐水，又可以放电”的化学原因；③同学根据图像也可以发现了电解质溶液浓度和电池的电压值有关的结论。图1原电池2、预测和假说更具方向性和指导性预测与假说是学生根据初步的资料与事实材料，运用已知的科学原理,充分发挥想象力和创造力，对所研究的化学物质的本质和规律提出的一种初步设想。假设是一种带方向性的、有待验证的思想，又是一种组织研究的过程，确定研究逻辑、制定研究途径的方法。在数字化设备的支持下，通过初步方向性探究，提供了大量的有用的数据提示，使我们可以缩小预测范围，有效控制预测和假说的变量，让对问题的预测和假说更具方向性和指导性。3、丰富了探究方案的选择数字化设备的引入，扩大了学生的参与面，降低了实验操作水平的要求，同时也降低了分析难度，由原来的演示实验变成了可让每个学生都能参与探究的实验。数字化设备的引入，使很多原本传统中学阶段化学教学中无法实施的实验方案变得可能，给了我们更多的选择空间。如提供了用pH探头和氯离子探实测定卤代烃水解中微小的pH变化和检验卤素离子的方案（如图2）；用比色法测定铜离子浓度的方案（如图3）；用称量法测定碳酸钙与盐酸反应溶液质量的变化，并以此来确定反应速度的方案；还有用已知浓度强酸滴定未知浓度弱碱等实验方案。数字化设备作为一项工具必定带来实验手段和方案设计上巨大的改进：以前测摩尔质量是用油膜法进行测量，现利用压力传感器、温度传感器等，利用理想气体状态方程的原理可测得的丙酮的摩尔质量，此方案实测得数据（58.336g/mol）与理论数值（58.04g/mol）的误差在1%范围内，为测定摩尔质量提供了一种更准确的方法（图4、图5）。如测定氯离子浓度，以前只能用沉淀法测定沉淀的氯化银的质量，由于操作中环节过多，会引起较大的误差，特别是对低浓度无能为力，引入氯离子电极可方便快速的测定溶液中氯离子浓缩变化。此方法用在离子反应和氯水中各成份的测定非常有效（图2）。比色计的引入又为我们提供了一3种测定离子浓度的新方法（图3）图5丙酮摩尔质量测定的数据曲线4、方便了证据的收集数字化实验设备含：传感器——数据采集器——计算机——应用软件，计算机和传感器的介入更快更准确的获得可连续的监测和采集实验数据，从而节省了教学时间，使精力投入更有创造性的方面。实践证明，过分要求操作的实验，让学生的精力主要集中在实验操作上，不利于学生探究思维的培养。利用探究实验设备测出来的数据和证据以数字、图表为主，更客观、真实地展现实验过程和收集到的证据。作为实验数据的记录，传统实验是采样的方法来记录，容易有疏漏，在数字化实验设备中如实记录了每一个实给过程的数据。特别是对那些现在没法解释的数据，记录下来在以后的学生中尤为重要。如在比较碳酸钠与碳酸氢钠的实验探究中，比较二者的分解温度时，教材设计的实验是用套管实验，加热后利用石灰水变浑浊来检测二氧化碳的产生，CO2从试管进入导管进入石灰水溶液，再和氢氧化钙反应而变浑浊，当看到现象时温度已经远超过了分解温度了。而借助数字化实验设备，利用温度探头和CO2探头组合同步测定，在图像上CO2浓度增多的一刻就是碳酸氢钠开始分解的温度图2氯离子电极和pH计组合进行离子反应探究图3比色法测铜离子溶液浓度图4利用压力传感器和温度传感器测定丙酮摩尔质量4（如图6）。图6碳酸氢钠的分解温度测定的图像5、解释与结论更加真实有效借助数字化设备和相关的数学工具进行的数据分析，利用已有的原理和方法，充分利用各种科学探究中的统计方法，让我们能透过反应现象看反应本质，使我们的结论更加科学，使我们对问题的解释更加客观，真实、有效。学生间相互讨论各自对问题的解释，能够引发新的问题，有助于学生将实验证据、已有的科学知识和他们所提出的解释这三者之间更紧密地联系起来。最终，学生能解决彼此观点中的矛盾，巩固以实验为基础的论证。如对离子反应的问题的探究，借助离子选择性电极我们可以清楚的测量离子在实验过程中的变化，哪些减少了，哪些没变化一目了然，离子反应方程式的书写就变是简单易得了。6、反思与评价更加客观有效的数字化实验设备的引入让探究活动反思更细致，借助设备可记录整个实验过程，如在实验中存在一些数据异常，给了我们分析、质疑、反思、评价时更客观的依据。特别是对实验结果和预测不同的分析，通过同学们相互质疑和讨论分析是导致了数据结果有误的原因。如在油脂的水解这一案例中，设计方案中为了让水解产生的酸多点，更方便测定，我们用了较多的植物油，但结果却发现pH测定数值不变。通过分析和讨论发现原来是油脂过多，粘在pH探头上，阻止了pH探头与溶液的接触，后将油脂用量减少到1mL，数据效果较符合预测现象；后在溶液中加入少量乙醇增大油脂在水中的溶解程度，数据图象良好。类似这种在过程中的有效反思贯穿于整个探究活动中。数字化实验设备的引入使评价更客观，更具备发展性，有利于学生的成长。如在配制一定物质的量浓度的溶液时，由于课堂教学中教师不可能一一观察到所有学生的实验操作是否规范，只凭最后定容是否准确而不是根据溶液浓度是否准确来判断，这种做法当然有失偏颇。借助离子电极或电导率仪或密度计可以立即测定出氯化钠溶液浓度是否与要求相符，也给了学生反思的空间，学会误差分析，学会如何在实验中有效的控制误差。这种误差分析和控制也是新课标对学生提出5的能力要求。7、表达和交流更加清晰、明了的数字化实验设备让学生分享探究心得的体会时的表达与交流更清晰、明了，特别是DaTaStadio中活页簿的使用，利用实验数据图像与实验录像的同步回放，可分析每一实验不同时间段的情况，更方便的再现实验当时的真实情境，在这种回放情境中相互的表达和交流是更加容易让人理解，产生共鸣（如图7）。同样的功能若用在高考实验复习阶段，复习效率将会大大提高。图7用活页簿真实记录和再现实验场景PASCO数字化实验设备的引入也给我们带来了较大的挑战，我们需要解决好以下几个问题：1、观念问题，PASCO数字化设备是化学探究活动的最好载体，但也可能是应试的最佳方式，在实验设计中教师可能存在穿新鞋走老路的问题，不利于探究活动的开展。2、由于数字化实验在国内是较新的概念，仪器的使用虽然方便，但毕竟和我们传统实验手段有较大差异，仍需要加大使用的培训和辅导力度。3、教师长期适应了教教材，对教材的加工能力不足，对教材重组和开发能力较低。而数字化实验设备的引入将要重组课本上的探究实验，教师需要有力支持，特别是在使用初级阶段，需要有相应的教材引领。4、教师长期接受了传统的实验设备，在实验设计时存在对探究实验设备的6利用不足问题，不利于探究活动的开展。5、数字化设备对学生的科学探究方法、学习能力、创新能力、数字处理能力有较高的要求。数字化设备引入的数据，最终是需要通过分析才能产生解释与结论。但如何进行数据的取舍，如何进行数据的校正，如何进行数据的计算等等如中和滴定求中和点时要用到原来大学才能用到的求导的概念，这些也是我们面临的重大挑战，需要教师和学生的共同努力、共同学习来克服。总之，数字化实验设备的应用，给我们的教学活动带来新的翅膀，为探究活动提供了最佳的手段。当然，由于各种因素的制约，我国的中学化学教材中的实验手段只相当于十九世纪中叶水平，数字化实验设备在我国的推广和完全应用也将是个比较长的过程。参考文献：1、《高中化学课程标准》人民教育出版社2、《高中化学课程标准解读》王祖浩、王磊湖北教育出版社3、《数字时代课程标准理念下的物理实验教学模式》吴江滨物理通报2004年第10期4、《基础教育迎接数字化的挑战》桑新民