主持人語

《普通高中化學課程標準（2017版2020年修訂）》指出，“化學教材應精心設計學生必做實驗，適當增加微型實驗、家庭小實驗、數字化實驗、定量實驗和創新實踐活動等，讓學生在實驗探究活動中學習科學方法，認識科學探究過程，體會、認識技術手段的創新對化學科學的重要價值，形成嚴謹求實、勇于實踐的科學態度，發展實踐能力。”為了落實課標要求，解決一線教師教學中的難點和堵點問題，推動數字化實驗技術在課堂教學中的常態化使用，本期策劃從數字化實驗平臺的搭建、數字化演示實驗具體操作方法、數字化實驗教學設計、教師和學生數字化實驗能力評價要求（試題）等方面進行了分析，以供一線教師借鑒。

——欄目主持人   田蓓

數字化實驗是指以真實實驗為基礎，通過各種傳感器替代部分傳統的儀表，將采集的實驗數據交給計算機處理，能夠更加清晰、明確地呈現實驗現象，揭示實驗規律的實驗手段。應用數字化實驗技術可以幫助教師解決一些現象不明顯、不直觀、操作難度較大或計算復雜的一些實驗，但大部分教師只是將其用于公開課和賽教中，數字化實驗技術還處于“展示”和“應景”狀態。其實，導致數字化實驗研究熱而應用冷的因素有很多，主要原因是教師對傳感器測量操作不熟練，覺得傳感器使用不方便所致。為了推進數字化實驗技術在化學課堂教學中的運用，筆者從整合裝備搭建兩個好用的數字化實驗平臺、根據教學目的選擇適合運用數字化技術的實驗兩個方面進行了分析，并分享了一些成功的數字化實驗技術運用案例，供一線教師借鑒。

一、整合裝備搭建兩個好用的數字化實驗平臺

在中學化學教學過程中應用數字化實驗技術時，教師應積極整合現有的教學裝備，搭建兩個好用的實驗平臺（如圖1所示）。

以朗威品牌為例，如果師生使用的是8.0以下版本的傳感器，安裝對應軟件后要再安裝一個補丁才能正常使用。我校于2015年購買了朗威6.5版本的傳感器，現在還能正常使用。如果使用中遇到了問題，師生只需關注所購數字化實驗裝備品牌微信公眾號，進入官網下載補丁就可以在電子白板上正常使用了，不會操作的還可以在官網上觀看相關視頻，也可以與售后聯系請求幫助。

二、根據教學目的選擇適合運用數字化實驗技術的實驗

筆者對義務教育人教版九年級化學上冊、下冊，人教版高中化學必修第一冊、第二冊，選擇性必修1《化學反應原理》這五本中學化學教材中的實驗進行了梳理，發現其中適合運用數字化實驗技術的實驗約有33個。因此，教師在確定采用數字化實驗技術手段完成實驗時要注意以下幾點。

1.全面理解實驗設計的意圖、原理

在化學教學過程中，教師要明確實驗研究的方法，根據課標要求結合實驗的科學性、直觀性、簡約性和安全性等基本原則，圍繞教學目標和學生的學習選擇并設計實驗。

2.避免復雜的實驗組合裝置

如果教師選用復雜的實驗裝置，安裝占時較長，就會影響教學任務的完成，不利于學生仔細觀察實驗過程和結果，導致學生難以確定觀察重點，從而弱化教材實驗原本的作用。

3.符合學生的認知規律

作為信息技術與實驗教學整合的產物，在中學化學教學過程中，教師在應用數字化實驗技術時應注意梯度，逐漸推進，從定性實驗逐步進階到定量實驗，即測定目標物質有沒有—具體有多少—指定條件下的變化趨勢及圖像等。

三、數字化實驗技術運用案例分享

1.運用傳感器的入門實驗案例

演示實驗是教師在課堂上進行示范操作和講解，并指導學生觀察和思考的實驗。教材中的定性實驗對傳感器的使用技術要求不高，操作簡單，非常適合讓學生體驗數字化實驗技術在化學研究中的應用過程。

案例1.酒精燈火焰溫度的探究（陜西省2022年和2023年普通高中學業水平考試化學實驗操作考試數字化實驗試題）。

實驗目的：探究酒精燈焰心、內焰、外焰的溫度。

實驗原理：酒精燈燃燒時，由于酒精蒸汽與空氣接觸面不同，燃燒程度不同，火焰不同位置的溫度也不同。

實驗用品：朗威數據采集器（V8.0版本）和朗威8.0版本軟件、高溫傳感器、酒精燈。

入門方案A：學會使用高溫傳感器測量火焰溫度。

實驗操作步驟：

（1）連接交互式電子白板、數據采集器和高溫傳感器，雙擊朗威軟件進入朗威V8.0軟件界面，點擊“通用軟件”電子白板頁面自動顯示溫度數據。

（2）點燃酒精燈。操作者手持高溫傳感器，肘部放在桌面上，通過調整肘部與桌面的夾角調整傳感器的高度（不用夾子固定），分別測量燈芯、內焰、外焰的溫度。

進階方案B：初步學會測量和運用軟件繪制時間—溫度曲線。

實驗操作步驟：

（1）點擊通用軟件。電子白板頁面自動顯示溫度數據—在組合曲線中添加“時間—溫度”曲線—點擊平鋪（上面為數據，下為曲線圖）—點“開始”。

（2）點燃酒精燈。操作者手持高溫傳感器，肘部放在桌子上，通過調整肘部與桌子的夾角調整傳感器的高度，測量燈芯、內焰、外焰的溫度—點擊結束—點擊保存，曲線就可以保存在電腦了。

實驗結論：

焰心溫度＜內焰溫度＜外焰溫度（如圖2所示）。

注意事項：

（1）實驗時盡量減少空氣流動，穩定酒精燈火焰。在教室里做所得到的曲線肯定是不光滑的，這恰恰反映了真實所在，教師不要糾結于此。

（2）通過實驗，學生學會了測量酒精燈火焰不同位置溫度的方法，知道為什么外焰的溫度最高，今后用酒精燈什么位置給試管加熱等知識。

（3）通過實驗，學生知道了酒精燈內焰和外焰交界處的溫度最高。

案例2.空氣中氧氣體積分數的測定。

實驗目的：探究空氣中氧氣的百分含量。

實驗原理：通過氧氣傳感器測量空氣中氧氣的百分含量。

實驗用品：朗威數據采集器（V8.0版本）和朗威8.0版本軟件、氧氣傳感器、電腦或交互式電子白板或手機等。

實驗操作步驟：

（1）連接“交互式電子白板+數據采集器+氧氣傳感器”—雙擊朗威軟件—進入朗威8.0版本軟件界面—點通用軟件—電子白板頁面自動顯示氧氣體積分數，教師講解測量方法，讀取數據，實驗結束。

（2）讓一個學生現場吹氣，用塑料袋收集學生呼出的氣體，用氧氣傳感器測量氧氣體積分數（也可增加一個CO2傳感器），可以看出人體呼出氣體中氧氣體積分數在降低。

實驗結論：

空氣中氧氣約占21％（如圖3所示）。

案例3.碳酸鈉、碳酸氫鈉性質比較（高中化學必修第一冊第38頁實驗2-4）。

實驗目的：

以碳酸鈉和碳酸氫鈉為例，指導學生認真觀察化學物質，讓學生學會運用控制變量、定性與定量結合的方式研究二者的相同點和不同點。

實驗原理：

（1）通過測量溶液前后溫度變化，驗證碳酸鈉溶于水是放熱過程、碳酸氫鈉溶于水是吸熱過程。

（2）通過測量溶液的pH和滴加酚酞試液，證明碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液都顯堿性。

實驗用品：

朗威V8.0數據采集器、溫度傳感器2支、pH傳感器2支、試管架、250ml燒杯、18×180規格試管、滴管、蒸餾水、無水碳酸鈉和碳酸氫鈉粉末各1克、酚酞試液等。

實驗操作步驟：

（1）連接交互式電子白板、數據采集器和溫度傳感器，點開朗威軟件進入8.0界面—點通用軟件—電子白板頁面自動顯示溫度數據—點擊平鋪。

（2）將1g碳酸鈉和1g的碳酸氫鈉放入不同試管中，分別加入一滴管蒸餾水，振蕩，用溫度傳感器測量溫度變化（可以讓2個學生進行示范，教師指導、評價），讓學生讀取溫度度數，對比后得出結論（如圖4所示），傳感器用完都要沖洗、拭干。

（3）繼續向兩個試管分別加入5ml水，振蕩后滴加2滴酚酞試液，觀察并記錄顏色變化，用pH傳感器測量兩種溶液的pH、記錄、得出結論（如圖5、表1所示）。

實驗結論：

該實驗用課本上的方法可視性差，如果改用溫度傳感器和pH傳感器就能直觀清晰地比較出二者的差異。通過這個實驗，學生不僅學會了科學研究的一般方法和步驟，還學會了兩種傳感器的使用方法，感受到了技術手段的創新對化學研究的影響。

2.運用傳感器做定量測量進階演示實驗案例

定量實驗一直是高中化學實驗的難點，費時長，誤差大，數據處理麻煩。在實際教學中，教師在一節課內如果完成不了實驗操作和數據處理就會放棄演示，而是改用課件+視頻的方式講解實驗，這樣在一節課內完成測定和計算、分析和討論都是沒有問題的。

案例4.強酸與強堿的中和滴定（選擇性必修一必做實驗）。

酸堿中和滴定難點：

（1）滴定終點的確定；（2）滴定過程中微觀粒子濃度變化的不可視；（3）pH-V變化圖像繪制。

實驗原理：

（1）強酸與強堿發生中和反應，通過測定加入滴定液后的pH可以準確繪制酸堿中和滴定曲線，并確定滴定終點（常溫下強酸強堿完全中和pH為7）。

（2）根據H＋＋OH－=H2O，用已知濃度的酸（堿）溶液滴定一定體積未知濃度的堿（酸）溶液，測出已知濃度酸（堿）溶液的體積就可以算出待測物質的濃度。

實驗用品：朗威V8.0數據采集器，pH傳感器，25ml酸式、堿式滴定管各1個，10ml移液管1根，100ml燒杯2個，膠頭滴管2個，鐵架臺，滴定管夾，洗耳球一個，0.10mol/L鹽酸，0.10mol/L氫氧化鈉，蒸餾水，濾紙等。

實驗步驟：

（1）連接電子白板、數據采集器和pH傳感器，點開朗威軟件—進入V8.0專用軟件—選中“酸堿中和滴定”—電子白板頁面自動進入中和滴定頁面。

（2）提前將裝好25ml0.1mol/L鹽酸的酸式滴定管固定，學生A用移液管量取10ml未知濃度的氫氧化鈉溶液放入100ml燒杯中，加入蒸餾水至溶液沒過pH傳感器，教師在一旁講解移液管的使用方法，并評價矯正。

（3）學生A負責滴定操作和讀數；學生B負責在電子白板上輸入讀數，并點擊“記錄數據”。

（4）學生A開啟“磁力攪拌器”滴加稀鹽酸，讀數，直至溶液呈堿性；學生B在電子白板上點擊“開始實驗”，每輸入體積讀數后點擊“記錄數據”直至溶液顯堿性，點擊停止實驗—繪圖—圖線分析圖線自動標注出pH=7時消耗V標準的數值—數據計算系統自動計算出待測液的濃度（如圖6所示）。

實驗數據及結論：

（1）根據NaOH+ HCl=NaCl + H2O 和C（NaOH）×V（NaOH）= C（HCl）×V（HCl） ， 測出 C（NaOH）=        mol/L。

（2）向氫氧化鈉溶液滴加鹽酸，開始時由于氫氧化鈉濃度較大，滴入少量鹽酸對pH的影響不大，當接近滴定終點時，滴加一滴鹽酸就會引起pH突變。

注意事項：

（1）配制溶液濃度要準確。

（2）控制滴定滴速和磁力攪拌器轉速（開始快接近終點要慢）。

（3）如果沒有特殊要求可以用堿滴定酸，因為堿式滴定管比酸式滴定管好操作。

教師指導學生代表在講臺滴定操作，讓其他學生觀摩和講解操作要點、在電子白板上讀取溶液離子濃度變化數值、pH-V圖像如何形成等。這種全員參與的教學方式，學生從中學會了中和滴定測定溶液濃度的方法，并結合課本習題，鞏固了定量實驗數據處理方法。這樣一來，教師用一個課時完成教學目標就沒有問題。

《普通高中化學課程標準（2017版2020年修訂）》指出：“化學教材應精心設計學生必做實驗，適當增加微型實驗、家庭小實驗、數字化實驗、定量實驗和創新實踐活動等，讓學生在實驗探究活動中學習科學方法，認識科學探究過程，體會、認識技術手段的創新對化學科學的重要價值，形成嚴謹求實、勇于實踐的科學態度，發展實踐能力。”數字化實驗技術是現代信息技術與理科實驗教學整合的產物，是一種功能強大的實驗工具，對教師的教學和學生的學習有著很大的幫助。學生數字化實驗技能的形成和熟練離不開動手訓練，實驗中隱含問題的發現離不開學生的操作與仔細觀察。因此，教師要圍繞“發展學生化學學科核心素養”這一主旨組織和實施實驗探究教學，激發學生的學習興趣，培養學生的探究能力，落實立德樹人根本任務。

附：歷屆陜西省理化生教師實驗操作技能大賽數字化實驗化學試題（僅供參考，在練習中要注意：①相關軟件的熟練使用②測量操作動作的規范性）

1.酒精燈火焰溫度的探究。

2.冰醋酸稀釋過程中離子濃度的變化。

3.中和熱的測定。

4.強酸和強堿的中和滴定。

5.指定溶液電導率的測定。

6.指定溶液pH的測定。

作者單位  西安市第三十中學