数字化实验与化学教学研究

一、课题的提出

新的基础教育课程体系倡导学生主动参与,交流、合作、探究等多种学习活动,改进学习方式,使学生真正成为学习的主人;强调培养学生的创新精神、实践能力,收集、处理、使用信息的能力;发现、分析和解决实际问题的能力,形成科学态度,学会科学方法;具有独立思考、自主探究的精神与求实创新的意识。

我校始终坚持科研带动、课业改革推动、信息技术拉动的“三动战略”,致力提高学生的学习能力、思维能力、实践能力、创新能力,大力培养学习型、研究型、创新型学生。我校累计投资近千万元,建成了国家一类标准物理实验室8个,化学实验室8个,生物实验室6个。2006年投资17万元,建成了数字化实验室3个。我校在落实传统实验教学的基础上,大胆探索数字化实验教学,课堂教学模式和学生学习方式实现了较大转变,教学质量全面提升。

二、数字化实验室简介

数字化实验室由计算机、计算机网络、数字化实验系统、多媒体设备等组成。

数字化实验系统是根据高中新课程改革而开放的新的实验设备,主要由传感器、数据采集器、计算机和数字化实验系统软件构成。不同的传感器检测到的不同实验过程中产生的数据,经数据采集器采集到的数据,经过A/D转换后输入计算机,再由计算机经过相应的软件平台进行数据和图形的分析、处理、给出物质运动的规律。用传感器和计算机代替人工处理,简化了实验数据的处理过程,能生动、形象地反映物理规律,使学生的精力更集中于对数据背后隐藏的科学规律的探究,提高实验效率。

三、案例分析

酸碱中和滴定

(一)实验目的

1.通过实验,获得强度不同的酸碱中和时的滴定曲线;

2.学习使用pH传感器和相关数字化设备;

3.让学生了解中和时的pH与酸碱强弱的关系,并对普通滴定实验中指示剂的选用有一个正确的理解。

(二)实验原理

我们通常用酸碱中和时pH变化曲线图,分析酸碱中和滴定时的pH变化,通常有4种不同的滴定曲线:强酸滴定强碱曲线、弱酸滴定强碱曲线、弱碱滴定强酸曲线及弱碱滴定弱酸曲线。实验开始时我们首先正确联接实验装置,并把pH传感器放入酸中,当碱从滴定管中缓慢下滴时,我们会在计算机屏幕上发现pH的变化。当酸碱物质的量相等时,我们把这一点称为酸碱中和反应等当点。在等当点附近,会出现pH突跃。在此实验中,计算机实际纪录的是pH相对时间的变化,但由于滴定速度前后变化不大,我们在此假定滴定速度一致,这样我们就能通过计算,获得每个单位时间消耗的碱的体积。

(三)实验设备及试剂

计算机及相关软件、pH传感器、数据采集器、电磁搅拌器(或用玻璃棒搅拌代替)、烧杯(250mL)、50mL酸式滴定管、50mL碱式滴定管、铁架台、铁夹(2个)、洗瓶。0.1mol/L氢氧化钠、0.1mol/L氨水、0.1mol/L盐酸、0.1mol/L乙酸。

(四)实验过程

1.根据设备要求连接好设备。

2.用0.1mol/L的NaOH清洗完碱式滴定管后装满液体,然后用酸式滴定管放25mL盐酸于250mL烧杯中。

3.按照要求在酸中放入pH传感器。

4.开启设备,记录pH变化。

5.重复上述步骤1―4,进行实验2―4,NaOH滴定乙酸溶液实验,盐酸滴定氨水实验,乙酸滴定氨水实验。

(五)实验数据采集及其处理

经过实验,学生可以获得一连串的pH变化相对时间的数据(测试时间间隔可由实验者自行设置)。

然后,我们把这些数据用计算机处理,并用图像表示出来。应用同一实验装置,我们再分别进行实验2至实验4,分别为氢氧化钠滴定乙酸、盐酸滴定氨水、乙酸滴定氨水的实验,对应的图像,这些图像无疑生动地表示出了4个实验的相同点和不同点。学生经过对比可获得一个理性的认识,加深书本上获得的已有知识。

四、数字化实验的反思

传统实验所呈现的往往是单一的,而数字化实验的引入,则给我们的实验带来了生动和具体,增加了探究性,因为它所呈现的是多维的,数据和图像可以同时动态地表现,更快更好地完成化学实验。

(一)数字化实验对实验过程的影响

在观察环节,数字化手段可以极大地扩展实验的可视性和可重复性,以往用肉眼观察非常困难的化学现象,现在可以借助数字技术在时间和空间上的扩展可以清楚地采集下来。

在数据采集环节上,利用计算机和传感器数字手段,可以更快更准地得到实验数据。从而节省宝贵的教学时间,把更多的时间用于讨论问题之中。

在数据分析环节上,利用计算机的强大数据处理能力,可将学生从简单、机械、繁琐的数据处理过程中解脱出来,让他们的时间和精力用在更有创造力的方面。

(二)数字化实验对化学实验教学产生的影响

从总体上讲,数字化实验是以计算机及传感器为核心器件的实验体系,而与传统实验有较大区别,从而使实验教学的设计思想、学生的操作过程和实验中间环节将发生很大变化。

在这种情况下,实验教学将使一些层面相对简化,而使另一些层面更深入。比如,在数据处理上,有明确的处理形式的机械性工作,可以交给计算机来自动完成,使处理数据层面上工作简单化;这样做的目的是否意味我们对数据的关注可以减少呢?答案是否定的。因为我们要求学生转而关注数据之间的化学原理和数据背后更深入层次上的分析,就是说可以引导学生把精力从简单层面上转移到较深入的地方。

数字化实验功能全面增强,为化学实验教学在实验内容上调整带来机遇。很多在传统中学化学实验中不能做或没有条件做的实验,在数字化设备下就可以成功地完成。这样,我们可以设计出各种探究型实验,以适应高中化学课程标准中“化学实验专题”选修模块的需要。

数字化实验将打破传统实验教学的固有模式,使中学化学实验具有高度的自主性、开放性和探索性。一方面,学生可以比较方便地根据不同的目的设计实验,如可以设计某个实验专门为了仔细深入地观察某一过程,研究一些物理量之间的关系,等等。另一方面,对于同一个实验,不同学生之间在学习目的上可以互不相同。实验既可以探究性的,又可以是验证性的,由于数字化实验设备具有便于使用的模块,学生可以更自由设计某个实验来验证他们的想法,为学生大胆创造提供实验平台。

(三)数字化实验对学生的影响

数字化实验设备在很大程度上提高了学生学习的积极性,他们自觉地利用课余时间做化学实验。由于数字化设备操作方便,一些原本对化学不感兴趣的学生也积极参加进来,例如,在酸碱中和滴定中,当获得了一个很漂亮的曲线时,他们就显得很兴奋。