以实验为载体的微观思维可视化的探究

一、问题提出化学是一门研究物质的组成、结构和性质，以实验为载体的基础自然科学。实验教学在化学教学中起着举足轻重的作用，它能够很好地激发学生的求知欲，促进学生掌握知识、运用知识，培养学生严谨求实的科学态度，增强“宏观辨识与微观探析”的学科素养。但是，传统的化学实验教学由于时间关系和实验条件的落后，往往只能先给出已有的定理、结论，然后安排实验去验证。新课标提倡全面发挥学生的主动性，使学生深入地学习化学实验的有关理论、方法和技能，进一步提高学生的实验素养。手持技术，又称数字化实验（DIS），是由数据采集器、传感器和配套软件组成的定量采集数据并能与计算机连接的实验技术系统。将手持技术引入课堂，将知识的发现过程真实地展现在学生面前，还原科学实验的本来面目，使学生微观思维可视化，并从中体会到“做科学”的乐趣，有利于提高学生独立思考、发现问题的能力。二、探究过程（一）前期准备学校于2020年配备了高中化学标准数字化实验室，为高中化学数字化实验教学的系统探索提供了技术平台保障，为探索数字化实验在高中化学教学领域的应用前景和建立高中化学数字化实验教学体系提供了可能。通过观察、访谈、问卷调查等方法，了解教师和学生对数字化实验的看法、设想与需求，对目前师生的总体信息化水平及数字技术使用的能力做出大致的评估，了解在数字化实验和信息技术使用中存在的普遍性问题。运用文献研究法，收集与“结构教学法”相关的理论资料和当前的探究现状，制定出基于手持技术在高中化学实验教学中的应用的探究内容和探究策略。探究内容探究策略运用案例探究法，教师根据课程目标、学情，利用数字化实验设计探究课并进行分析，写出高中阶段系列化的实验教学案例。通过案例探究寻找和积累经验，提出具有典型性的范例。数字化实验仪器有许多优于传统仪器的地方，如传感器，它比传统测量工具更准确、迅捷、直观；再如温度传感器，它可将测得的温度数据直接呈现在电脑的表格里，还可以同步显示坐标曲线。（二）案例探究根据课程内容，将手持技术应用于各种类型的实验教学（课堂演示实验、学生分组实验、边学边实验和课外实验）中。例如，“影响化学平衡移动因素的探究”，酸、碱、盐的溶解过程和溶液的pH变化，弱电解质的稀释过程与电离程度和离子浓度的大小变化等。因为借助了手持技术强大的函数图象处理功能，所以实验数据与结果的输出多数以函数图象或数字表格的形式输出，学生可以清晰、直观地看到实验结果，从而将教学重难点各个击破，使那些晦涩难懂的概念和原理变得容易，实验的准确、实时可以快速地突破教学中的重点和难点。★案例一：“化学反应速率与化学平衡”中压强对平衡移动的影响1.设计背景选择人教版（2019）第二章“化学反应速率与化学平衡”第二节“化学平衡”。对“在其他条件不变的情况下增加压强，平衡向气体体积缩小的方向移动，降低压强，平衡向气体体积变大的方向移动”这一结论的理解存在困难。解决的方法可以有多种，但我们是以反应“2NO2（红棕色）？葑N2O4（无色）”为例建立“宏微结合”的架构模型，通过增减压强，观察容器中混合气体颜色的变化来建立起平衡向生成气体较小或较多方向移动的微观感知。2.设计思路利用色度传感器分别测量不同压强下反应颜色变化，使透光率升高或降低的现象，反映压强对平衡移动的影响。【仪器与药品】计算机（PC），苏威尔牌（Swr）数据采集器以及色度传感器，二氧化碳气体。3.实验步骤★案例二：用微电流传感器探究冰醋酸稀释过程中的电离情况1.设计背景纯净的冰醋酸不电离，随着加水稀释，电离程度增大，当稀释达到一定程度时，再加水稀释，虽电离程度增大，但导电能力却呈减弱趋势，直至导电能力降到某一数值而不再发生明显的变化。对于诸如醋酸这样的弱电解质电离，理论表述其电离过程溶液中离子浓度的变化，一直缺少实验数据的支撑。2.设计思路利用微电流传感器，可以探究冰醋酸稀释过程中弱电解质的电离情况和变化规律。【仪器与药品】计算机（PC），苏威尔牌（Swr）数据采集器以及电导率传感器，磁力加热搅拌器，石墨碳棒，导线、滴数计、水槽等，冰醋酸、蒸馏水。3.实验步骤（1）将两支石墨碳棒固定后平行插入盛有20mL冰醋酸的大烧杯中，插入两支石墨碳棒，将电极与电导率传感器相连（注意微电流传感器的正负极），在烧杯中再插入分液漏斗（下端伸入烧杯中下部）或滴数计，加入搅拌磁子。（2）开启磁力加热搅拌器均匀搅拌，采集室温下“电导率—时间”数据；待“电导率”的示值稳定后开始用分液漏斗或滴数计加水（均匀滴加）稀释冰醋酸，继续采集“电导率—时间”数据直至“微电流”的示值不再升高并出现下降为止。（注意：本实验对搭建的装置、实验数据及曲线等要拍照、截屏将数据保存。）实验数据与实验结果讨论：从实验结果可以看出，冰醋酸开始时电导率为0，因为分子态的冰醋酸没有离子；当加水时，冰醋酸逐渐电离，溶液中离子浓度从无到有、从小到大，所以电导率逐渐增大，当达到最大时，再加水稀释，电离程度仍然增大，但由于水量的增多，溶液中离子的浓度逐渐变小，导致电导率逐渐下降，如果无限稀释，溶液的导电能力趋近于纯水的导电能力，电导率会小到与纯水的电导率相近，接近0，而这一过程从以下电导率图可以得到很好的解释。说明：（1）由于时间的关系，加之如果无限稀释，可能会加太多的水，所以我们选择加有限量的水；待出现最大值后，再加一定量的水，使其电导率出现下降趋势，就能说明问题。（2）在1200秒之前的一段时间内，由于更换容器，出现一小段时间无数据可以采集，所以出现图5中有一小段“缺口”，但更换完容器后，继续加水，图示的变化趋势依然能够吻合。三、探究反思数字化实验是教育技术发展的最新成果，从根本上改变了以前几十年不变的实验教学模式，为教学改革的创新提供了舞台，促进常规教学的创新、传统实验的改进和科学探究的深入，也是时代发展的需要。但是高中阶段数字化实验教学的开展还存在不少困难和局限。1.信息化技术更新速度快，探究成果时效性短近几年的数字化实验系统的硬件和软件更新非常快，已经出现无线传输数据技术和Pad配套的电子教室，且各种传感器也集成一体，为实验的操作和课堂的教学手段提供了新的可能，相较而言，我校的数字化实验室比较陈旧，目前探究成果可以期待以后继续跟进更新。2.受升学压力的影响，学习交流和深化的机会少尽管配备数字化实验室的高中学校越来越多，但是真正能把数字化实验室用起来的还是很少，大多数学校依旧停留在用来参观摆设。在高考的各种压力下，教师没有足够的精力和积极性进行学习和探究，学生也没有机会进行实践和探索。3.缺乏上级部门政策的指导和