《数字化实验在中学化学教学教学中的应用研究》7800字

数字化实验在中学化学教学教学中的应用研究—以化学反应原理专题为例摘要数字化实验相较于传统实验具有显著优势：分辨率高、精确度高、采集与处理速度快、实验现象更加具体、形象。尤其是与化学原理有关的实验，传统的化学实验过程中学生很难直观且准确地感受化学变化的过程。为了加深学生对于化学反应原理的理解，本文通过对“化学反应原理”专题中四类化学实验进行了数字化实验探究，通过观察实验过程中曲线的变化，分析每一阶段数据的变化原因，从而能够让学生更加高效地理解并掌握相关实验原理。同时通过比较传统化学实验和数字化实验在教学中的应用情况，可以发现数字化实验不仅可以提高课堂效率，而且能够达到提高学生学习兴趣的效果。关键词：数字化实验；中学化学；应用目录TOC\o"1-2"\h\u23898摘要 I16631.研究背景 1138841.1选题的缘由 1291021.2研究的目的和意义 1326471.3研究方法 22.29913理论研究基础 3230372.1数字化实验的简介 3138762.2数字化实验的特点 3117362.3数字化实验研究发展现状 4216323.实验探究 5247053.1化学反应中能量的变化 56433.2化学反应速率的影响因素—以温度对反应速率的影响为例 8144923.3盐类水解的影响因素—以CH3COONa溶液水解受酸碱度影响为例 10141813.4铁的电化学腐蚀 12142054.结论与展望 1525291参考文献 16研究背景1.1选题的缘由笔者所在学校在大二下学期设置了数字化实验课程，笔者刚接触数字化实验的时候很感兴趣，在课前做好了实验的预习准备工作，课上认真完成实验。在实验结束时老师还会设置一些在教学中可能遇到的问题来询问我们，旨在培养我们走上教学岗位之后在数字化实验教学方面可以做到游刃有余。2021年3月-6月，笔者在合肥第四十八中学望湖校区进行实习，在一次公开课的教学中再次接触到了数字化实验。笔者的带教老师马俊老师，在运用数字化实验进行公开课教学时，笔者从学生的听课反应来看，发现数字化实验极大地激发了学生的学习热情和探究兴趣。也正是这样一次真正见证了数字化实验用于教学实验的经历，更加肯定了笔者想要更深入研究数字化实验在中学化学教学中的意义。本课题探究了四类有关化学反应原理专题的数字化实验，并对其应用于实践教学的意义进行了分析。1.2研究的目的和意义在高中化学的学习中，化学反应原理这部分内容相对比较抽象、晦涩难懂，学生在学习时对于反应原理的理解往往会遇到很大的阻力。在教学过程中经常会出现“只要记住就行了”这样类似的观点，不利于学生化学学习兴趣的养成，甚至可能产生厌恶的心理。因此，该研究具有以下意义：1.2.1是教师实施教学的需要作为新时代的教师应与时俱进，自觉树立学无止境的信念，不断更新自己的教育方式和教学手段。在课堂教学中，由于受仪器、微观原理反应自身的复杂性等因素的制约，使得化学实验教学中会出现一些模糊的观点[1]。随着数字化实验在教学中应用的展开，各种精密的传感器可以将之前模糊的问题加以纠正，然后以更加清晰明了的方式呈现给学生。1.2.2是提高化学课堂效率的需要随着科学技术的不断进步，传统的实验方法似乎已不能满足现代化学教学的要求。而数字化实验凭借其准确灵敏、实时记录等优点，很好地弥补了传统实验中所存在的缺陷[1]。在课堂上，不可避免地会遇到一些抽象的、难以用常规化学实验来解释的复杂现象，如果只是靠简单的讲解，大部分学生不仅不能理解，而且还会耗费大量时间，学生甚至会感到疲倦，从而影响到课堂学习效果。数字化实验可以通过展示直观形象的曲线变化，帮助学生突破认知障碍，深入分析实验现象以及深刻理解反应原理的本质，从而提高课堂教学效果。1.2.3是提高学生化学学习兴趣的需要通过数字化实验进行教学，利用现代科技手段，以动静结合、图文并茂的方式，使学生对化学的抽象原理、概念有了更为清晰、深入的认识。在教学中，教师要鼓励学生多感官的参与学习，让学生对知识的理解从感性层面上升到理性认知。同时，有利于学生将所学知识应用到实践当中去，并能更好地解决日常问题，提升学生应用知识的成就感，从而激发学习热情，增强学生的求知欲[2]。1.3研究方法文献搜集法:通过中国知网查询搜集文献以及以新人教版高中化学教材选择性必修一为基础，结合数字化实验发展现状、中学化学实验教学实际情况，确定此研究课题。实验观察法：通过进行四个数字化实验，发现问题，改进问题，从而归纳出适合数字化实验教学的最佳步骤。讨论法：在和同学、导师的讨论中发现问题、提出具有建设性的问题，保证实验数据的真实可靠性以及论文的条理性。理论研究基础2.1数字化实验的简介数字化实验设备主要组成为：传感器、数据采集器、计算机、相关数据处理软件。首先是把各种信号经传感器转化为电信号，再由采集器转换编码数字信号，并传送给计算机，计算机软件对数据信息进行分析和处理，把相关的信息以图表等可视化的形式呈现出来。常用的传感器有，温度传感器、pH传感器、电导率传感器、浊度传感器等（如图2-1）。该传感器可以对温度、电导率等物理量进行实时测量，而且在同一实验中可使用多个传感器。特别是对于一些比较复杂的实验，可在同一时间内获得多组数据并进行分析处理，从而提高实验效率。图2-1部分常用的数字传感器图2-1部分常用的数字传感器

2.2数字化实验的特点数字实验较之传统化学实验有下列显著特征：（1）数据采集“智能化”：采用传感器、数据采集系统取代手工读取数据，计算机软件代替纸张和笔进行数据存储，能够迅速地收集和处理大量的实验数据，不仅增强了实验结果的可信度，而且提高了实验工作的效率。（2）实验过程“可视化”：实验过程可视化划分为空间可视化与时间可视化，如可以探测到对信号的微小变化和瞬时变化、通过“被测量的物理量-时间”图象可以直观地看出物理量间的变化，极大拓宽了实验的研究领域[3]。（3）教学过程“现代化”：传感器具有种类多、反应快、性能可靠等特点，优于常规的实验设备。在中学实验教学中使用数据采集器，可以让学生尽早地了解和熟悉数据采集设备，并能更好地适应时代的需要。在数字化实验教学中注重发展学生的创造性思维能力，鼓励学生敢于挑战传统、勇于创新，从而不断提高学生的创造能力。2.3数字化实验研究发展现状随着基础教育课程改革的推进，以及数字化技术的逐渐成熟，数字化实验辅助教学的教学方式得到了普遍应用。何翔[4]以“化学能转化为电能”的教学案例为线索，通过数字化实验获得了原本难以量化的信息，并指导学生进行了开放式地自主探索，加深对原电池概念、原理和形成条件等方面的认识，从而在培养学生高阶思维的同时，发展学科核心素养。余亮[5]等人以“探究化学反应速率的影响因素”为例，运用数字化实验重现课本经典实验，将传统实验与数字化实验有机结合，学生通过亲自绘图和运用数字化实验进行验证，不仅更新了认知结构，而且提高了图像分析能力和思考问题的能力。邓晓莉[6]通过数字化实验，探讨了影响盐类水解作用的各种因素，并利用浊度传感器和pH传感器，研究温度、浓度、外加离子等因素对硫酸铝溶液水解的影响。利用数字传感技术可以探测微小信号变化的特点，把微观的现象转化为宏观的可视化现象，让学生体验到“微观变化”的平衡运动，进而了解盐的水解机理。陈云[7]对铁的吸氧腐蚀实验，进行了新的设计，运用“暖贴”、玻璃仪器和手持技术对常规实验进行了改良。利用常规实验方法，呈现铁的吸氧腐蚀过程中的宏观变化，并通过电子传感器捕捉反应的微观变化。有效地将传统实验和数字化实验进行结合，得出钢铁的吸氧腐蚀是一个氧气参与的放热反应过程的结论。在对比中发现并解决问题，对于教学实践具有积极意义。数字化实验辅助课堂教学，既是教学手段的革新，也是教育技术上的进步。然而，目前我国高校数字实验的发展仍存在着一些问题，如应用不广泛，师生对数字实验的认识与研究不够深入[8]。实验探究化学反应中能量的变化3.1.1问题的提出本实验以稀盐酸与镁条反应、八水合氢氧化钡与氯化铵反应为实例，探讨了化学反应过程中能量的改变。在传统实验中经常以温度计测量，和手触摸的方式来感受反应体系的温度变化，但是这两种方法的灵敏度都比较低。特别是有些化学反应由于能量变化不大或反应速度太慢，光靠手摸或常规的测定，很难观测到吸收或放出热量[9]。为此，我们提出使用温度传感器来测量反应中的能量，既可以提高灵敏度，又可以直观地观察和分析实验结果，有利于学生正确掌握反应过程中能量的变化情况，提高学生科学思考问题的能力。3.1.2实验探究过程（1）实验原理在化学反应的过程中，当生成物释放的总能量大于反应物所吸收的总能量时，为放热反应；相反，是吸热反应。反应的化学方程式如下:Mg+2HCl=MgCl2+H2↑Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl=BaCl2+2NH3↑+10H2O（2）实验用品温度传感器、数据采集器、计算机、试管、锥形瓶、镁条、1.50mol/L盐酸、八水合氢氧化钡晶体、氯化铵晶体、托盘天平、砂纸、玻璃片、量筒。（3）实验步骤按顺序连接好实验装置。用量筒量取2mL1.50mol/L的盐酸，然后加入试管中，把温度传感器放进盐酸溶液中，开始进行数据采集。待读数稳定后，向试管中加入打磨好的镁条，观察温度变化情况和实验现象，直至温度不再变化，停止数据采集，保存数据和图像。向锥形瓶中加入20.0g已研成粉末的八水合氢氧化钡晶体，插入温度传感器，开始数据采集，待读数稳定后，将锥形瓶放在滴有几滴蒸馏水的玻璃片上，把10.0g氯化铵晶体迅速倒入锥形瓶里，快速搅拌，观察温度变化和实验现象，保存数据和图像。（4）实验结论图3-图3-1镁条与稀盐酸反应的温度-时间曲线图3-2八水合氢氧化钡与氯化铵反应的温度-时间曲线图3-2八水合氢氧化钡与氯化铵反应的温度-时间曲线由图3-1可知，镁条和盐酸反应过程中快速升温，说明Mg和HCl反应过程放热。由图3-2可知，Ba(OH)2晶体与NH4Cl晶体混合过程中，其温度迅速降低，当用手手触摸锥形瓶外壁时，会明显感到变凉，玻璃片与锥形瓶底凝固在一起，说明Ba(OH)2晶体与NH4Cl晶体反应过程为吸热反应。相比较传统的温度计测量和用手触摸的方式感知温度变化，以上数字化实验所展示的时间-温度变化曲线更直观、更有说服力，学生根据曲线的变化情况可以精确地得出反应的发生与停止，让学生从理性层面感知化学反应中能量的变化趋势。3.2化学反应速率的影响因素—以温度对反应速率的影响为例3.2.1问题的提出本实验通过稀H2SO4溶液和Na2S2O3溶液的反应，探究温度对反应速率的影响。在进行此部分内容教学时，教师普遍会引导学生观察在不同温度下，溶液变浑浊的速度从而得出实验结果。然而在实践中，由于溶液浓度低、操作步骤不同步等原因，常常难以体现实验效果，从而导致学生对此部分的内容理解不深刻。笔者利用数字化实验中的控制变量法，对实验过程进行了曲线表征，增强了实验的精确度以及可视化程度，对于提高学生的认知水平具有一定的推动作用。3.2.2实验探究过程实验原理H2SO4+Na2S2O3=Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O随着反应的进行，溶液体系中会有淡黄色的硫沉淀生成，借助浊度传感器可以实时地测量出系统在不同温度下的浑浊程度，从而得出“浊度-时间”曲线[10]。实验用品浊度传感器、数据采集器、计算机、温度计、烧杯、移液管、容量瓶、洗瓶、5mL0.15mol/L的H2SO4溶液、5mL0.15mol/L的Na2S2O3溶液、蒸馏水。实验步骤在室温下，配制0.15mol/L的H2SO4溶液和Na2S2O3溶液备用，将数据采集器、浊度传感器、计算机相连接。用移液管分别量取5mL0.15mol/L的H2SO4和Na2S2O3溶液，将其分别置于30℃、40℃、50℃的水中，用温度计对水温进行持续监控，并使其维持在一定的温度范围内。等温度稳定后，将两溶液迅速混合，快速倒入比色皿中，然后放入浊度传感器，迅速盖好盖子，开始采集数据直至反应结束。实验结论图3-3不同温度下稀图3-3不同温度下稀H2SO4和Na2S2O3溶液反应浊度变化曲线根据图3-3可知：当其他条件相同的情况下，同种浓度的稀H2SO4与Na2S2O3反应，在50℃时，反应体系浊度显著提高，反应速率较快；40℃时，体系浊度升高幅度略小于50℃所对应的溶液体系；30℃时，反应体系浊度上升比较缓慢，最后到达反应终点。实验结果表明，当其他条件不变时，反应速度随着温度的升高而增大。通过以上实验，很好的避免了传统实验中因各种因素所造成的实验现象不明显给教学所带来的困扰。学生可以通过观察不同温度下的图像表征，从而快速准确的得出化学反应速率随着温度的升高而加快的结论。此外，利用数字化实验可以在一张坐标图中对不同温度下的反应速率进行比较，直观，形象，便于分析，从而可以提高课堂教学效率。3.3盐类水解的影响因素—以CH3COONa溶液水解受酸碱度影响为例3.3.1问题的提出由于学生对盐类水解反应过程看不见摸不着，从而对其反应实质出现认知困难。而对于其影响因素的教学，教师大多都是从理论上进行分析，学生难以切实理解。利用数字化实验来监控盐溶液的pH随外界环境的变化，其作用是常规实验手段不能取代的[11]。本实验探究了CH3COONa溶液在常温下水解时，受酸碱度影响的情况，并引导学生观察分析pH随外界环境因素变化的曲线图，以提高学生的逻辑思维能力，从而深刻认识酸碱度的不同对盐类水解的影响情况。3.3.2实验探究过程（1）实验原理CH3COO-+H2O⇌CH3COOH+OH-，溶液酸碱度的改变会影响水解程度，使水解平衡发生偏移，进而改变溶液的pH值。（2）实验用品pH传感器、数据采集器、计算机、0.15mol/LCH3COONa溶液、0.20mol/L氢氧化钠溶液、0.20mol/L盐酸溶液、量筒、蒸馏水。（3）实验步骤在室温下，配制0.15mol/L的CH3COONa溶液备用，将数据采集器、pH传感器和计算机三者相连接。取30mL0.15mol/L的CH3COONa溶液倒入烧杯内，打开数据采集器测定溶液的pH，再滴入三滴0.20mol/L氢氧化钠溶液，观察并保存pH变化曲线（图3-3）。另取30mL0.15mol/L的CH3COONa溶液倒入烧杯中，打开数据采集器测定溶液的pH，再滴入三滴0.20mol/L盐酸溶液，保存并分析pH变化曲线（图3-4）。（4）实验结论图3-3向0.15mol/LCH3图3-3向0.15mol/LCH3COONa溶液中滴加NaOH后溶液pH变化曲线图3-4向0.15mol/LCH3图3-4向0.15mol/LCH3COONa溶液中滴加盐酸后溶液pH变化曲线由图3-3可以看出，加入NaOH溶液，OH-浓度增加,溶液的pH值立即增加，图像瞬间上升；随后曲线缓慢下降，这是由于水解平衡逆向移动，导致OH-的浓度下降。由此可以看出，NaOH溶液对CH3COONa的水解有一定的抑制作用，使平衡逆向移动。如图3-4所示，在加入盐酸之后，随着H+浓度的增加，pH立即下降，随后pH逐渐升高，说明平衡正向移动，从而促进了CH3COONa的水解。因此，可以得出结论：碱能够促进CH3COONa溶液水解，而酸对CH3COONa溶液的水解具有抑制作用。通过pH传感器监测溶液pH变化，比较酸碱度对CH3COONa溶液水解的影响，其可视化的曲线表征代替了老师“苦口婆心”地依据理论分析规律的教学模式，从而有利于学生切实理解酸碱度对盐类水解的影响规律。另外，利用现代技术，可以让学生能够在观察现象时，同时注意到实验数据的变化，进而对其所表现出的物理意义进行分析，理解数据背后所蕴含的化学原理，有助于学生更好地了解和应用化学知识[12]。3.4铁的电化学腐蚀3.4.1问题的提出在当前高中化学所使用的的选择性必修教材《化学反应原理》中，金属的电化学腐蚀知识是其中的一项重要内容。课本中以铁为例，阐述了金属的电化学腐蚀原理，但是学生对于其原理的理解只停留在机械记忆层面，对其反应发生的本质无从了解[13]。而本实验将利用压强传感器监测，铁在不同电解质溶液中发生电化学腐蚀时的压强变化，以帮助学生更好的掌握金属的电化学腐蚀原理。3.4.2实验探究过程实验原理酸性条件下，发生析氢腐蚀，反应如下：负极：Fe-2e-=Fe2+正极：2H++2e-=H2↑总反应：Fe+2H+=Fe2++H2↑中性或弱酸条件且溶有一定量的氧气时，发生吸氧腐蚀，反应如下：负极：2Fe-4e-=2Fe2+正极：2H2O+O2+4e-=4OH-总反应：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2Fe(OH)2与空气中氧气继续反应：4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3；2Fe(OH)3=Fe2O3·xH2O+（3-x)H2O。由以上理论可知，在析氢腐蚀过程中，体系压强增加；在吸氧腐蚀过程中，消耗氧气，系统的压力下降。实验用品压强传感器、数据采集器、计算机、铁粉、碳粉、HCl溶液、CH3COOH溶液、NaCl溶液。实验过程实验方案设计：实验编号铁粉质量/g碳粉质量/g电解质溶液实验条件122.54mL2mol/L盐酸强酸性222.54mL2mol/L醋酸弱酸性322.54mL2mol/L氯化钠溶液中性b.实验步骤：在室温下，配制2mol/L的HCl、CH3COOH和NaCl溶液，备用。将压强传感器、数据采集器和计算机相连接，分别利用不同的电解质溶液润湿滤纸，而后将铁粉和碳粉充分混合，均匀地附着在滤纸上，然后把它放入锥形瓶中，再把压力传感器快速塞进锥形瓶里。开启数据采集器，观察并保存压强随时间变化的曲线。（4）实验结论图3-5体系压强与时间的变化曲线图图3-5体系压强与时间的变化曲线图盐酸溶液中：在反应初期，反应物主要是H+，反应速率很快，压强急剧升高。随着反应的继续，尽管温度有所上升，但反应物浓度下降，速率减慢，反应结束。醋酸溶液中：反应开始时，因反应物主要是H+浓度较小（远小于盐酸中H+浓度），反应主要是消耗氧气的过程，反应速率很慢，压强平缓下降，反应接近结束，曲线趋于平缓下走的趋势最后接近水平线。氯化钠溶液中：在这个过程中，反应主要是消耗氧气的过程，故曲线的走势趋于平缓下走的趋势，最后接近水平线。对于金属的电化学腐蚀原理的学习，教师在日常教学中多是借助相关图像引导学生以理论记忆的方式来掌握此部分内容，而学生的记忆水平也多是停留在“有氢气生成的是析氢腐蚀，消耗氧气的是吸氧腐蚀”，因而并没有真正地理解电化学腐蚀反应发生的本质。同时，利用压力传感器对不同环境下系统压力的变化进行研究，学生能够从压力变化的角度把握反应的本质，从而摒弃“死记硬背”的学习模式，感受化学学习的乐趣。结论与展望数字实验在教学中的运用，并非是否定了传统的化学实验，而是相对于传统的实验教学方式的革新。在教学中将两者有机结合起来，既能让学生增长见识，又能培养学生科学的创造性思维，有助于学生化学学科的核心素质的发展。本文针对高中化学《化学反应原理》中的四项专题知识，进行了数字化实验教学研究，有效解决了传统实验教学中所遇到的一些问题，充分体现了数字化实验的优势。四个实验过程充分显示了其“智能化”、“可视化”和“现代化”等特色，充分展示了其在提高课堂教学效率，以及提升学生学习兴趣方面的显著作用。但在高中化学的实验教学中也不能盲目地使用数字化实验，而是要结合学生对传统的实验理论与基本实验操作的掌握程度，进一步合理地指导学生进行数字化实验探究。这就要求教师要全面了解学生的认知结构，深入挖掘数字化实验背后的原理，从而设置符合学生认识水平的实验探究模式。数字化实验是时代进步的产物，它的出现既丰富了传统实验，也使得传统实验的教学思路有了新的进展。数字化实验应用于教学，是对传统实验教学的“二次开发”，一方面可以提高课堂效率，另一方面也给教师带来了机遇和挑战。但是我认为，每个一线老师都会尽力挖掘数字仪器的潜在教育功能和价值，并将其与传统的实验教学有机地结合起来，以弥补传统实验的缺陷，为中学化学教育工作者提供更好的服务。总之，在当今社会的发展中，数字化实验技术的发展，不仅仅是教育的手段、学习方法的革新，而且深刻地影响着当今的教育思想和教育观念。利用