中学化学数字化实验与传统实验
四川省泸化中学唐吉川
摘要:本文在介绍中学化学数字化实验系统的基础上，对它的应用及与传统化学实验相比而显示的出优势进行了四个方面的论述：可使实验从定性升华到定量；有利于突破教学难点；有利于师学生进行探究式学习；可为研究性学习提供技术支持。中学化学数字化实验不能完全代替传统化学实验，它与传统化学实验可优势互补、相得益彰。
关键词: 化学数字化实验定量
中学化学数字化实验系统由系统软件、数据采集器、传感器组成，将数字温度计、pH计、电导率计、分光光度计等整合为一体。该系统软件能够实现试验数据的即时处理、编辑，可存储实验数据文件。该数据采集器可实现采集器与电脑的连接，又可以进行独立的数据采集，具有内置内存，可以保存实验文件，可自动识别各种传感器和自定义传感器功能。配备的传感器可以检测温度、压强、电流、电压、pH、电导率等物理量，支持对相关化学反应的监测。
中学数字化实验系统可以将化学反应和现象的本质转化为可监测的信号，从而帮助人们更深入地研究化学现象和反应的本质和规律，具有先进、便捷、实时、准确、综合、直观等显著特点。使用化学数字化实验系统可以优化部分常规实验，降低教学难度；可以帮助解决一些常规实验手段不能解决的问题，为中学化学引入一批定量实验，是对常规实验手段的重要补充。该系统尤其对化学概念原理的课堂教学、研究性学习、探究学习起到有效的辅助作用，丰富了研究性学习和综合实践活动的实验手段，对新课程教学内容改革和教学方式改革具有明显的支持作用，是对化学教学与现代教育技术整合的有益探索。
中学化学数字化实验系统对学生的发展能够起到积极作用，增进学生对化学现象和原理本质的认识，提高学生分析问题、解决问题的方法和能力，有利于发展学生的创新精神和实践能力。在教学中使用中学化学数字化实验系统，对提高中学化学教学的现代化水平和教师专业素质发展都具有积极的作用。由数字化采集设备、局域网、计算机终端、计算机辅助教学系统及多媒体技术组成的中学化学数字化实验室，促使产生新的课堂教学模式，使课堂实验的“教”与“学”合二为一，是一种以学生为“主体”，教师为“主导”的新型教学方式。
一、中学化学数字化实验可使实验从定性升华到定量 在传统化学实验操作过程中，虽能观察到实验过程出现的现象，但很难进行定量化处理。使用数字化传感技术，可以采集到实验整个过程的完整数据，通过数据的分析，可以感受到实验全程的变化，从而可以得出更加准确、科学的结论。将计算机与手持技术仪器联用时，传感器可以精确地测量与传递实验中所测定的各种实验参数，所得实验数据将通过数据采集器转到计算机中，计算机经由配套软件将数据以表格和图像的形式呈现，并进行分析处理。
使用中学化学数字化仪器，培养学生获取数据的能力。中学化学数字化实验，有不同于传统的实验仪器的信息工具仪器，如传感器和数据采集器和计算机。传统的实验仪器难以测量和储存随时间变化的大量的各种物理量以及随其它方面变化的数据，实验数据也不能快速的可视化。信息工具仪器能解决这个问题，并且当实验时间很长或很短，或者需要同时获得多种数据时，传感器和数据收集器起到很好的效用。适当组合地使用传感器和数据收集器来采集数据和利用实时图像来呈现数据，有利于培养学生获取数据的能力，空出更多的时间让学生对数据进行分析和评价，培养学生的思考能力。
使用中学化学数字化实验专业软件，培养学生分析化学数据的能力。电子数据表是广泛使用用来分析数据的软件。数据可以通过键盘收到输入或从文件夹中输出。电子数据表一个重要的用处就是数据可以以图像的形式分析。两组或多组相关的数据可以用柱状图或简单的线形图表示。例如，学生利用电子数据表按原子序号显示物质的性质。这便于学生形象化的看到各主族，各周期在周期表中的变化趋势。同时电子数据表可以帮助学生形象化的研究反应产物浓度对反应速度的影响。简单的化学系统模型，如化学平衡可以用到电子数据表。学生可以探究在“假设” 情况下的分析。
在《碱溶解与碱溶液的pH变化》实验中，将pH温度传感器与pH传感器置于盛有少量水的烧杯中，随着固体氢氧化钠固体的加入，计算机屏幕上将分别出现两条逐渐上升的实验曲线，并且在表格中实时显示温度与pH值的变化数据。可见，化学数字化实验，可将传统教学中的定性实验进行定量化验证。
在《化学反应与能量变化》实验中，教师先让学生在大试管中进行镁条与盐酸的反应，学生通过手触摸试管底部的外壁，感觉到管壁发热，感性地认识到此反应放出了热量。对于酸碱中和反应，教师通过温度传感器测量盐酸和氢氧化钠溶液反应前的温度，经过连接在电脑上的数据采集器的处理，以平行线的形式在投影上动态显示；再将二者混合，温度在小范围内不断升高，最后维持不变。从直接感知，到通过仪器定量测量，实现了学习层次的飞跃。教师告述学生：人的感官是有局限的，小范围的温度变化，就超出了人的感知范围，借助科学仪器有助于科学规律的发现。
在《外界条件对化学反应速率的影响》实验中，分别用块状的大理石和粉状的大理石与同浓度的盐酸溶液反应时，学生可以从产生的气体的速度观察到反应的快慢情况，而同时使用绝对压力传感器来做时，学生不但可以观察到上述现象，还能通过数据分析得出，随时间的推移，二者反应的速率并不是稳定不变，既不是持续增大，也不是持续减小，而是有时增大有时减小，这就是反应全过程的真实情况，仅仅通过传统定性实验是不可能观察到这样的现象的。
二、中学化学数字化实验有利于突破教学难点
优化教学过程,提高教学效率。一些难理解的科学概念和原理，通过传统实验还不足以让学生容易理解，借助于数字化传感技术的直观演示和准确的数据分析，将变得容易认知，可达到快速突破教学难点的目的。中学化学数字化实验通过各种表现手法抛开某些表面的、次要的、非本质的因素,将内在的、重要的、本质的东西表现出来,进行实验处理和图像输出,在屏幕上实施微观放大,宏观缩小,动静结合,图文并茂。在短时间内调动学生多种感官参与活动,学生获取动态信息,从而形成鲜明的感官认识，为进一步上升为理性认识奠定了基础，有利于激发了学生的学习兴趣，调动学生的积极性，优化了教学过程，提高课堂效率。
弱电解质的不完全电离是区别于强电解质的一个重要特征，是中学化学教学中的一个难点。对于弱电解质的电离度，教材中只是纸上谈兵，而对于影响电离度的因素，也缺少直观的实验验证。应用数字化技术，设计一个实验，通过pH 传感器监测不同浓度乙酸溶液的 pH 值变化，再利用数据采集器收集数据加上 Excel 进行数据处理，方便地计算出不同浓度乙酸的电离度。由实验得出结论，能帮助学生更好地理解和掌握浓度对于弱电解质电离度的影响。从实验的数据可以直观看出，随着浓度减小（稀释过程），弱电解质的电离度相应地增大，溶液浓度越小，越有利于弱电解质电离。
三、中学化学数字化实验有利于师学生进行探究式学习
将传统实验和数字化传感技术相结合做出的实验结果，往往和只通过传统实验得出的结果有不一致之处，这就需要运用掌握的知识进行全面的分析，是实验操作上有不当之处，还是实验与理论的差距？在实验过程中，哪些因素会导致结果与预期的不一样？在《外界条件对化学反应速率的影响》实验中，为什么得到的数据会反映出速率时而增大时而减小呢？让学生展开讨论，老师进行引导、综合、归纳，原来在这个反应过程中，是几个外界条件发生了变化：反应过程要放热，会使反应体系温度升高，从而会使反应速率加快；同时，反应物盐酸的浓度会逐渐减小，从而会使反应速率减小；还有固体颗粒物的大小也在不断地发生变化，这些因素都从不同程度上影响着反应速率，因此要看它们对速率影响的综合结果。如果能把一个实验处理到了这种程度，就有利于学生真正掌握知识，培养学生综合运用知识的技能；通过讨论、分析、交流，能有效培养学生的表达、沟通、实践等能力，从而更好地体现新课标的理念，落实新课标的目标。
四、中学化学数字化实验可为研究性学习提供技术支持
研究性学习是新课标的一项重要的学习内容，是为了培养学生科学探究的方法和意识，体会科学家研究未知领域的过程，增强热爱钻研的精神。研究性学习没有固定的教材内容和模式，给师生提供了更广阔的思维空间。将数字化实验技术较多的应用于第二课堂和学生的研究性学习，可以培养学生的探究思维和激发学习兴趣。
中学化学传统实验手段，对于研究性学习课题难以完成，而中学化学数字化传感技术就大显身手了。手持技术仪器主要用于采集并储存实验数据，传感器可根据探究需要测定的参数（如温度、湿度、光强、pH值、溶解氧浓度、电导率、气压、电流、电压等）而自行选择；这些轻巧与便携仪器的还为学生进行户外探究提供了方便，学生可以带上溶解氧传感器、pH传感器和电导率传感器与数据采集器，在野外进实时定量测定水样的有关常数和进行水质分析。
学生在学习酸碱中和滴定的过程中，有些学生产生了其他相关的一些联想和疑问：下面的三种情况是不是都能利用“酸碱指示剂指示溶液pH 的变化从而确定终点”的实验方法来测定电解质的浓度呢？（1）强碱滴定强酸；（2）强碱滴定弱酸；（3）强碱滴定强酸和弱酸的混合液。学生们在教师的适当引导下，通过查阅资料和思考讨论，找到了他们从未接触过的电导滴定法，教师引导学生课后自学电导率的相关知识，到实验室设计实验，利用电导率传感器并连接数据采集器进行采集反应过程的电导率变化，数据利用相关软件进行处理，就能得出较准确的实验结论了。
五、因“实”制宜，优势互补
中学化学数字化实验应与传统实验进行合理统筹安排。中学化学数字化实验主要是从具体实验数据分析归纳实验结论，侧重于实验过程中的探究过程和思维能力的培养，而传统实验往往只是对结果作定性分析，侧重于实验过程的具体操作、常用仪器的使用规范和用途、实验现象的细致观察以及从现象分析结论，应该说各有优势。把数字化实验和传统实验有机的结合在一起，将是最理想的教学状态。中学化学数字化实验完全取代化学传统实验手段并不是可取的好方法,而应根据教学实验内容的实际将两者有机地结合起来。有两种模式可供参考(1)以传统化学实验为主，以恰当中学化学数字化实验为辅；(2)以中学化学数字化实验为主，以传统化学实验为辅。只有将中学化学数字化实验与传统中学化学实验配合使用,才能充分发挥各自的优势,取长补短、相得益彰。
要处理好传统化实验和师生互动教学的关系。传统化学实验必然与传统的教学方法相配套，以教师讲述、演示为主的传统教学方法,是以教师为中心、学生被动接受为特征的。而中学化学数字化实验的课堂教学的特征则是以学生为主体，教师为主导，它突出表现为师生互动。学生的积极参与不仅活跃了课堂气氛，更重要的是能加强对分析问题和解决问题能力的培养。
中学化学数字化实验是社会进步的需要，是化学实验教学现代化的一种体现形式，它能有效地提高化学实验教学的质量，培养中学生学习和应用数字化技术的兴趣和意识，培养学生利用数字化技术获取信息、分析信息和处理信息的能力，让学生获得适应未来信息社会需要的创新能力、动手操作能力和思维想象能力。作为一项先进的技术引入课堂教学中至在课堂教学中的广泛应用，必然是个长期的过程，需要研究和解决的问题还很多。现在，作为对传统实验的有效补充和引领的探究性实验更需要中学化学数字化实验引入带来方法上的更新和转变。中学化学数字化实验不能完全代替传统化学实验，它与传统化学实验可优势互补、相得益彰。
