高中化学数字化实验教学探讨

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【摘要】时代发展为学科教学的直观性、实践性的提高提供了多种可能，数字化设备在教育领域备受宠爱，“数字化”向传统教育教学模式提出了新的挑战。以高中化学为例，在吸热放热反应的数字化实验中，通过温度传感器能直观呈现物体热能的变化，通过电压传感器能准确看出电流电压的变化数据，避免人为感测引起的触电风险，通过压强传感器能分析酸性条件下，钢铁的吸氧和析氢现象等等，分析数字化实验应用于高中化学教学的优势与弊端，从实验目标、数据采集和处理等方面提出了建议。

【关键词】高中化学；实验教学；数字化；信息处理

化学是一门自然学科，也是与生活联系极其紧密的一个学科分支。在日常生活中，我们无时无刻不在享受化学研究的成果。高中化学作为中学学科构成的重要组成部分，在提高学生学以致用的实践锻炼能力方面发挥了重要作用[1]。实验教学作为高中化学的主要教学形式，也凸显了实践性在化学学习中举足轻重的地位，但由于场地、设备等各类教学资源的不完备，使得传统课堂中的实验教学不尽如人意。对此，数字化实验教学作为传统教学模式的必要补充，利用传感器对实验进行仿真模拟，能很好地解决这一传统教学所面临的难题。

一、数字化化学实验教学概述

（一）化学实验数字化教学的优势

高中阶段的化学实验教学普遍采用的是在专业实验室进行的传统实验教学，相对于传统化学实验教学而言，数字化的化学实验具备一定条件下的优势，能促进学生方便快捷地操作化学实验。首先，数字化的化学实验教学普遍采用的是更为形象且直观的操作步骤。数字化的化学实验教学在过程中所采用的是基于数字技术的教学方式，而对于长期接受传统实验教学的高中生而言，新颖的实验教学能够有效地激发学生的学习兴趣。受当前的技术环境影响，学生对于数字化的实验教学方式的接受度较高，并且学生也比较倾向于利用数字化技术进行实验教学。其次，对于高中化学实验教学而言，需要学生在做实验时，能够充分结合教材知识。但是化学知识中的大部分原理对学生而言，在学习时比较抽象，进入到实验教学环节时，不能够很好地把控相关的步骤，从而无法有效地验证自己的理解。而数字化实验教学更加直观易懂，教师在教学时，也能够利用数字化技术将一些抽象的化学知识融入实验教学中，学生也能更为高效地对知识形成自己的理解。最后，学生在数字化实验教学中，不再需要将关注点放到实验仪器的具体操作上。学生的关注点将从实验仪器转变为数字化实验用的传感器。对于实验教学而言，学生会拥有更多的时间去理解实验过程中的化学原理。在化学实验课上，学生的主体地位也会更加地突出。

（二）化学实验数字化教学的弊端

相对而言，化学实验数字化教学优势虽然较为明显，但是在某些环境下其弊端也较为突出。高中阶段化学课程采用数字化实验教学，必然要面对实验设备的问题。目前主流的数字化化学实验设备相对而言价格偏高，且后期需要花费大量时间进行维护。对于高中学校而言，不同地区的经济发展水平不同，一部分学校便不愿采购相关的实验设备，并且后期的维护成本对于学校而言，也是相对较大的支出。其次，数字化的化学实验教具更多的是采用的是数字化的传感技术，学生在进行实验操作的过程中，所有的实验数据都能够直接上传到电脑上。学生的整个实验过程将不再需要对相关的数值进行计算。对于学生而言，这一过程并不利于学生计算能力的提升。高中阶段学生所学习的化学知识为基础知识，有相当一部分的理论知识需要学生结合化学公式计算，才能让学生对知识的理解更加透彻。而数字化实验教学忽视了这一点，后期学生的数据处理与计算能力得不到提升，也会对学生整体的未来发展产生不利影响。最后，数字化的实验教学虽然更加直观，但是在实验的过程中与生活的联系将会大大减少，学生的实验结果转化也将变得不再具有一定的真实感受。所以对于高中化学教师而言，数字化的实验教学要更加注重学生的能力培养，尽可能地排除掉一部分不利因素。

二、数字化实验应该以“可视性”为目标

“可视性”在最大程度上将实验场景以直观的方式呈现在学生面前，是高中化学实验课应该主动迎合的新方向。化学实验在一定程度上而言，将学生所学知识与动手能力集中在一起，在实验中考量知识的应用准确度，在知识学习中检验实验的可行性与施行方向。例如，在探索外焰温度的化学实验中，传统实验方法是让学生自己去用触觉感知，然而抛开传统实验的危险性（可能会有烫伤现象并导致自燃的严重后果），由于个体差异性的存在，学生的感知觉也各有不同，对温度的把控因人而异，因此，教学效果较差。数字化实验模式引进之后就解决了这一难题，学生可以通过温度传感器，直观地观察到内外焰温度全程的变化，从而得出外焰温度高于内焰的定论。再如，在做溶液pH酸碱度中和滴定测验时，pH传感器可以感知测定过程中溶液酸碱度的变化，并在电脑端生成pH的变化曲线，确定溶液浓度，并合理判断滴定终点，大大提高了实验的可操作性、过程的可视性和结果的客观性、精准度。而传统试验模式是由操作者将指示剂滴入不同溶液中，以操作者目测数据判断滴定重点，一次操作后，还要将数据记录下来，中断性操作会影响观察的准确性，操作误差很大，实验效果受主观因素的干扰比较大，实验结果的精准度不稳定。数字化实验通过传感器使数据采集更加便捷、易操作，最大程度上避免了人为因素的干扰。然而，试纸测量的有效性与温度、受测环境、器皿材质等都有千丝万缕的联系，这种传统的测量方式势必会影响测量的准确性，也无法达到直观的目的。数字化实验则能很好地呈现酸碱度高低变化的曲线过程，将变化以精准的数据展现出来，既增加了知识的趣味性，又锻炼了学生的观察和思考、记录能力[2]。

三、数字化实验要突出实验重点

数字化实验对教学设备的要求相对于传统的实验室实验而言要高出许多。计算机、传感器、数据终端、录播/导播系统、图像分析、板书定位系统等都是搭建数字化实验室所需要的。教师的实操能力、学校的办学投入等主客观因素都会影响数字化实验室的建立与使用进程。因此，教师作为数字化实验室启动的发起者要先综合分析教学现状，针对有需要的化学实验环节进行数字化剖析，在给定的教学投入下，不断提高自己的设备实操能力，使数字化实验投入对学校、教师、学生这三方的实效性都能实现最优化。例如，武汉某高中化学教师就根据本学科教学的情况及学生掌握知识的程度，进行了数字化实验室拟建立的必要性探究实验。针对仪器、试纸、有毒药品（包括易燃易爆物品）、过滤、蒸发、升华、萃取和透析等高中化学教学主线进行了系统剖析，指出哪些是学生希望掌握但又因实验室条件局限无法展开的，哪些是实验室教学虽然可以展开但是精准度无法控制的，哪些是当前社会形势下高中生必须具有的化学实操能力等等。针对急需解决的实操问题进行数字化实验教学模拟，既增长了学生见识，也为他们更好地参与社会实践提供了坚实的物质基础。

四、数字化实验要注意教学过程“现代化”

数字化实验室的建设不是一项小工程，学校需要投入大量人力、物力、财力，而教师也需要不断提升数字化设备的操作能力，学习某些实验项目的风险管理等相关知识，这样才能在实际操作中临危不乱。数字化实验室如果能与微课或录播课等网络形式相结合，将会取得意想不到的效果，也能真正实现教学资源全球化，给偏远地区不具备数字化教学资源的学校带来福音[3]。江苏省南京市某数字化实验试点高中曾教师的做法就很好地践行了这一点。曾教师所在的高中是南京市政府政策扶持的重点高中，作为一名化学骨干教师，曾教师在认识到传统实验室教学的瓶颈后，大力倡导数字化实验室的应用。作为试点单位的发起人，曾教师把引进过程中的点滴心得、工程进度、待办事项等都一一记录在案，在数字化实验室投入使用之前，自己反复演练实验的各个阶段确保万无一失。此外，曾教师还准备了录制设备，他觉得这么好的课堂，一定要让不具备数字化实验教学条件的学校也能通过视频去感受、共享他们的学习成果。在实验室正式运行之后，曾教师作为第一批使用数字实验室的化学教师，有针对性地制定了实验室的规则和注意事项，并提出哪些板块可以利用数字化实验室，如何利用等细节问题，为学校以及化学课程数字化实验工作的展开奠定了坚实的基础。

五、数字化实验要注重数据采集和处理的“准确化”和“智能化”

数据分析是数字化实验的核心特征，也是数字化实验在分析层面优于传统实验室实验的主要原因。要发挥并保持这一优势，数字化实验必须进行持续的自我优化和更新。如同手机软件也要不断地进行升级修复漏洞一样，数字化实验室中的软件和设备也要进行系统升级，确保数据采集的准确性和智能性、即时性，客观性，并且作为仪器设备进行有效管理，建立并完善制度台账。湖南省长沙市某高中就针对化学数字化实验室进行定期维护升级管控，由信息科负责人带领，每月一次对实验室中的软硬件设施进行检查，确保数据产出的有效性和时效性。

六、加强教师之间、学校之间、社会之间的交流学习

综上所述，数字化实验在直观性、现代化和实验效果上都比传统实验室实验更胜一筹，它不但践行了新课改背景下将理论与实践结合起来的学习观，还能有效地发挥了学生的主观能动性，增加了实验趣味性，提高了学生动手操作能力，更好地促进理论知识的吸收消化。但是由于不同学校经济预算及规模控制，并不是每个学校都有可用的数字化实验配置，受之局限，并不是每位化学教师都能使用数字化实验设备，并不是每位学生都能受益于数字化实验。对此，加强教师之间、学校之间、社会之间的交流，实现“互通有无”，在提高整体化学教学成果上就尤为重要。首先，教师之间——同校教师和非同校教师。同校教师之间由学校进行调控，由精通数字化实验的教师定期对其他化学教师进行集中培训，培训的方式可以是讲座，也可以是微课或网课，培训内容分为理论和实践并定期由校方检验培训成果，确保教师“人人能用，人人会用”，提升数字化实验的普惠范围。非同校教师之间，由教育部门或学校领导牵头开展互动学习，由设备持有学校教师对其他学校教师进行集中培训，辅以网课形式，最大程度上避免因时间、地点原因导致的不能到场现象，切实提升教师的实操能力。其次，学校之间——由教育部门统筹。由于各学校的实际情况存在差异，不同学校引进的数字化实验设备可能存在很大的不同，可能存在A学校拥有温度传感器设备，B学校拥有电压设备。教育部门通过统筹安排，使没有配置设备的学校能亲临有设备的学校中，进行深入学习实践，无疑能在实现资源最大化的同时实现实验教学效果的最优化。最后，社会之间——主要包括学校与各大社会团体之间。在社会范围内通过学校与团体的交流合作，扩大数字化实验的影响范围并不断汲取新的养分，使数字化实验不断博采众长，在不断优化中提升实验效果的新高度。例如，2019年，为推广数字化实验及提高运用水平，中国教育学会和《化学教与学》杂志社联袂举办了化学数字化成果交流与培训会，吸引全国共计近900名中学化学教师前来学习交流。会上，威尼尔公司余国涛博士作了精彩演讲，向教师传授了数字化设备使用的技术经验，展出了从全国160多件数字化实验作品中选出的26件作品，并由专家现场讲解评价，针对作品的优缺点逐一论述。以此在全国范围内加大了数字化实验的影响力，同时也通过现场沟通提升了广大教师的实操水平，引起了广大化学教师的广泛关注。

七、结语

现代化进程的不断推进对新时期的高中化学教学提出了新的挑战，数字化已成为时代的标志性特征。化学教学要积极发挥教师、学校和社会团体的影响力，实现资源最大化，为传统的实验室化学模式增添新的色彩。作为新时代的高中化学教师，要充分利用数字化实验教学带来的新契机，引导学生积极参与实验，主动思考，让学生在实践中巩固知识，在运用中深化知识，提高观察能力和实验操作能力，引导学生以务实的心态积极投身社会实践。

【参考文献】

[1]王寿红，何彩霞，贾晓春.中学化学教师数字化实验教学培训实践与思考[J].中国现代教育装备，2020（2）：6-8.

[2]贾文静.关于高中化学数字化实验教学的思考[J].试题与研究，2020（7）：195.

[3]裴传友，马善恒，杨芹.中学化学数字化实验的发展与应用[J].化学教学，2020（2）：56-60.

作者：徐凤 单位：江苏省徐州市第一中学