高中化学新教材中数字化实验的初探 论文

高中化学新教材中数字化实验的初探

摘要：人教版化学新教材中首次引入了数字化实验，数字化实验真正来到了我们身边。基于不少教师对数字化实验比较模糊，本文初步探讨了什么是数字化实验及其原

理，数字化实验相对于传统实验的优点及数字化实验的作用，怎么样合理化使用数字化实验。

关键词：新教材数字化实验传感器数据采集器可视化引言：一种新事物的出现，往往不被人们很快接受或理解。如人教版新教材《化

学》必修第一册在科学，技术，社会栏目中出现了《验证次氯酸光照分解产物的数字化实验》，这是新教材首次引入数字化实验，不少教师尤其是老教师对数字化实验比较模

糊，难以接受，本文初步探讨了数字化实验，其相对于传统实验的优点，数字化实验的作用以及几点思考，以提升教师对数字化实验的理解，更好的促进化学核心素养的发展。

一、什么是数字化实验数字化综合性理科实验室一般可以简单地称作dislab(DigitalInformnation

System,数字化信息系统实验室)。目前，国内关于实施数字化的实验项目的名称主要包括“掌上实验室”、“手持技术”。整个数字化的实验系统主要是由一台电脑及其他相

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关的配套软件、数据采集器、各种传感器构成，如图

1所示。传感器主要是一种首先把“感应”到的被测物质的所有相关化学信息都转变为电信号,再将此类电信号传到数

据采集器中。传感器的形式和种类也就有很多，它们可以同时测量多种不同的变量,例如温度传感器、电导率传感器、pH传感器、色度传感器等。数字化的实验将传感器、数

据采集器和电脑或者计算机依次串联在一起，采集了实验发生的过程中不同物理量（如PH、温度、压强、电导率等）发生变化时的数据并记录和呈现，通过软件对数据进行分

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析，获得实验结论。简单的说，数字化的实验就是一种利用传感器和信息处理终端对实验中大量数据进行采集、分析。

1图1

如：验证次氯酸光照分解产物可以设计成数字化实验。实验步骤如下：(1)将pH传感器、氯离子传感器、氧气传感器分别与数据采集器、计算机连接;(2)将三种传感器分别插入

盛有氯水的广口瓶中;(3)用强光照射氯水，同时开始采集数据。此实验可以测定光照过程中氯水的pH、氯水中氯离子的浓度、广口瓶中氧气的体积分数这三者的变化，并通过

计算机的数据处理功能将这些变化显示在计算机屏幕上，通过对数据进行分析，最终可验证次氯酸光照分解的产物。

二、数字化实验系统的优点人眼在视觉上和图像方面相较于文本、数字而言，可以更加容易地被人们所吸收、

掌握。数字化实验相比传统实验，体现得更加淋漓尽致。第一是数据可以实时显示，避免了滞后的繁琐统计，让学习者能快速识别最新趋势。第二是数字化的数据存放在计算

机，方便分析、绘图。使得枯燥的知识以一种图文并茂的方式在网络上呈现了出来，加强了信息传递的效率，培养了兴趣。第三是一个系统（或软件）理化生通用，避免了重

复学习。第四是数据重复性高，正常操作的结果有一定的保证与理论接近，使规律和概念的发现或验证更具严谨性和可信度。第五是其他功能。如学生实验、老师现场示范（示

范后学生可用同一组数据作分析）、利用已存的数据作示范、配合录像作示范。转变了传统的学习模式，使得学者们拥有了一个更为广泛的自主学习时光。

三、数字化实验的作用1.发现并纠正错误认识，促进科学探究与创新意识的发展

传统的实验中更多地是定性的实验，有些反应不能直观、清晰地观察得到各种反应发生，在进行实验的过程中容易形成误解和错误认识，而这种数字化的实验则凸显了巨

大的优点。例如氢氧化钠的固体与二氧化碳之间能够发生反应吗？下面我们一起来看看基于数字化实验探究NaOH与CO的反应。向收集满CO的250ml三颈烧瓶中加入0.8gNaOH

22固体(过量)测其温度、压强的变化。实验曲线（数据）及现象如图2、图3所示：

2图2

图3从实验数据及现象我们不难看出，NaOH固体可以与CO发生反应，且此反应为放热

2反应。颠覆了我们的认识。建构主义思想强调了我们要建立“最近发展区”，通过“跳

一跳”便能够把苹果摘到。结合了原有的知识经验和自己的进步时光空间，老师引导学生们提出了新的问题，NaOH固体可以与CO发生反应是否与空气中的水蒸气有关系呢？

2激发了教师和学生进一步探索的愿景，学生们通过小组配合，设计了最佳的实验方案后，

利用传感器进一步探索温度和相对湿度变化，分组开展了探索性的实验，最终一起探索得出了问题解决方法，促进了科学探究与创新意识的发展。

2.增进对实验现象和本质的理解，促进科学态度与社会责任核心素养的发展

严谨务实的科学态度和对社会负有责任感的精神是我们进行化学研究时更高境界的价值追求。我们都知道酸雨基准值pH为5.6，那他的确定依据是什么呢？数字化实验

能帮助学生对他的本质理解。a、取纯净水(去除溶解在其中的气体)，测定其PH。b、制备被空气吸附饱和的蒸馏水:将实验a烧杯中的蒸馏水加入到洗净的干燥的家用喷雾器

中，向空气中进行喷雾，用一个体积超过400L的塑料袋吸附并收集一些雾状水。使得水在空气中呈现成雾状的主要目的之一就是为了使得水充分地与空气相互接触，充分地

溶解空气中的二氧化碳气体，如图4所示，必要时我们还可以对其进行二次喷雾，以确保水中地二氧化碳能够溶解到达最高数值。测定被空气饱和的蒸馏水的pH。测定结果pH

大约为5.2-5.4。3图4

图5c、在上述被空气饱和的蒸馏水中继续通入纯净CO气体(工业瓶装压缩CO气体，非实

22验室制得)并进行测定

pH，如图5所示。测定结果:pH在3.9-4.0。

以上三个典型实验真实地呈现纯净地雨水(通过去除已经完全溶解在其中的有机化学气体)、久久放置于空气中的蒸馏水和被二氧化碳饱和的雨水的pH,学生对于确定酸雨这一

基准值pH为5.6的确定实验依据已经有了切身的深刻感受，从而彻底消除了许多学生心中对于酸雨这一基本概念的诸多困扰，也理解了酸雨基准值的意义。

3.实验的过程“可视化”，实验数据的处理和呈现“现代化”[3]，促进宏观辨识

与微观探析核心素养的发展实验活动进行时的过程时段空间长度可视化主要方法包括根据实验活动进行时的

过程时段空间长度可视化和根据实验实施进行过程时间长度可视化。传统的这种实验仪器由于人眼很难准确观察和大量手工操作记录而直接导致其工作具有一定的断续性，确

实很难轻易地得到解决。数字化时间实验室就是通过使用电脑或者其他计算机相互连接的时间传感器可以进行实时地自动采集时间数据，记录了大量的时间数据，实现了对外

在时间上各种细微因素流逝变化过程的自动实验，过程数据中的时间数据可以进行实时自动记录，相当于通过使用时间传感器和使用电脑或者其他计算机连接来自动代替使用

人眼、手、纸和各种电子笔自动记录的时间数据，实现了对时间数据自动记录的准确和内在时间上的连贯性，实现了瞬间万变“可视化”。实验中对于海量数据处理和分析呈

现“现代化”的主要表现设计方式之一是那就是“自动化”。该采集系统数据设置器具有连续采样、单点自动采样、阈限数值实时触发自动采样等多种仪器数据采集处理模型,

软件可使用户在此可以随时随地选择需要采集到在仪器和应用设备上的任何各种采集参数,实现对仪器数据采集的实时自动化。功能强大的实验数据采集器系统能够自动把

整个化学实验数据通过高速的采样率完整地自动记录了处理下来,存储整理到实验数据处理档案中。并且由于流程数据采集器为我们直接提供了一个基于反馈的流程输出,可

以直接通过另外流程增添一些化学器材,通过一个返回流程控制器即使整个化学实验过4程操作中的流程也可以能够直接实现全部的流程自动化。该实验系统的连续器和取样器

的频率都应该是同样可以根据进行实验所要必需的实际要求频率来进行设置。最高高频信号同时采集到的频率一般最高可达5000-10000hz,采集的高频信号读取速度高的信号

可以同时达到每秒一万个一条信号,低的则甚至可以同时达到几分钟甚至几个小时的一条信号,因而它们几乎可以完全满足各种类型的科学实验。其中一个表现就是“实时

化”。由于本课题采用了计算机的自动控制,系统可以在很短的一段时间内对各种实验中所采集、分析和处理的大量数据,并且充分地利用了计算机强大的数据处理和操纵作

图等功能,将这些数据准确地反映为真实的图像,使得实验结果更为直观。

DIS

实验室对数据的采集迅速,数据信息传输迅速,数据信息存储迅速,数据处理迅速,数据信息显

示迅速,从而基本实现了对数据信息变化的过程和实验工作的同步,实现了对数据进行实时采集和数据的实时处理。其中最有表现之三的也就是“并行多任务化”。数据采集

器系统可以多功能同时地自动接入多只相同的传感器或多个不同的传感器,能够同时地自动采集多个相同或不同数据,实现对数据的实时同步和数据并行性的采集与数据分

析。如验证次氯酸光照分解产物数据分析如图6所示,就是最好的佐证。图6光照过程中氯水的pH、氯水中氯离子的浓度，广口瓶中氧气的体积分数的变化

让当时人们肉眼看不见摸不着的各种微观反应已经通过宏观图像显示出来了，促进了对宏观的正确辨识和其对微观的探析，变化观念与平衡思想的化学核心素养的发展。

4.激发学习兴趣，促进自主、合作、探究性学习。

兴趣心理是在泛指一个人更加多的倾向于自己进行自我认识，研究自己所希望获取的某种科学知识时候所产生的一种心理学文化特点，它其实是一种促进一个人们自我发

展求知的内在前进动力。孔子就曾经这样说过“知之者不如好之者,好之者不如乐之者”。兴趣是最好的老师,而实验是科学探究的重要载体,能激发学生的学习兴趣,尤其

是数字化实验能将微观可视化,更能激发学生的求知欲望。现代科学已经充分证明,人脑本身其实就是一个高度耗散的信息系统,我们只要对自己的学习研究产生了浓厚的兴趣,

就有效的促进我们大脑这个高度耗散的信息系统继续保持在一个开放性的状态,我们对5于自己学习的研究兴趣也就越浓,教学信息在数据传递的传输过程中所需要遭遇到的有

序信息系统干扰也就会随之变得越小,信息的实际输入量也就越大,人脑这个高度耗散的信息系统中其熵就是也会随之减少得也越多,有序信息化的复杂程度就是也会随之变

得愈来越高。四、合理化使用数字化实验

数字化实验充分体现了我国高等院校中学化工课程实验由静态走向动式,由定性走向量化,由传统课程走向现代。在中学数字化实验课程的教学中引进了数字化的实验,意

义重大,但也仍然存在着一些局限性:第一个问题是建立数字化的实验系统设备和仪器价格昂贵,建设一个数字化的实验室需要具有一定的技术和经济能力,这对于农村薄弱

学校有一定的困难。第二是数字化实验仪器使用寿命短。例如普通t-ph电压传感器的平均使用寿命仅为3年左右,且随着每年单次使用量的频率和更换次数的日益提高而不

断推移,仪器的精确度会有所降低,数字化实验仪器维修成本高。第三个问题是数字化的实验依赖于电子计算机引导结果,不利于培养和训练学生的可操作性和体验能力,给人

一种虚拟化的感受,难以培养学生的动手、动脑等综合能力,忽略了教师和学生在进行实验时的体验性,无法感受科学家在探索过程中的艰辛与执着。传统的实验在这一点上做

得好一些,数