迅速崛起的化學(xué)數字化實驗
——遠(yuǎn)大朗威2024.11.01公(gōng)号編者按 兼向中(zhōng)國(guó)化學(xué)教學(xué)界緻敬
筆(bǐ)者的博士論文(wén)研究方向，就是中(zhōng)美數字化實驗的比較。縱觀兩國(guó)數字化實驗的推廣曆程，均體(tǐ)現了物(wù)理(lǐ)為(wèi)先、化學(xué)在後的特征。但在化學(xué)傳感器的性能(néng)逐漸穩定、探頭的壽命得以延長(cháng)之後，兩國(guó)的化學(xué)數字化實驗教學(xué)應用(yòng)都呈現出了後來居上的趨勢。以下由上海市中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)數字化實驗系統研發中(zhōng)心完成的統計數據顯示了20年來我國(guó)不同學(xué)科(kē)數字化實驗教學(xué)文(wén)獻的占比變化情況（文(wén)獻來自知網和萬方）。
分(fēn)析中(zhōng)美兩國(guó)化學(xué)數字化實驗後來居上的原因，可(kě)有(yǒu)三點認識。
首先，相比于物(wù)理(lǐ)實驗教學(xué)界，化學(xué)實驗教學(xué)界其實對于數字化實驗有(yǒu)着同樣強烈的需求。根據畢華林教授關于“宏觀-微觀-符号三重表征理(lǐ)論”，學(xué)生學(xué)習化學(xué)必然經曆從宏觀觀察到微觀理(lǐ)解，進而以符号表述化學(xué)原理(lǐ)的認知過程。在這個過程中(zhōng)，能(néng)夠在微觀層面以量化和圖形化方式反映化學(xué)變化的數字化實驗，必然會起到促進學(xué)生完成從現象到本質(zhì)認知提升的關鍵作(zuò)用(yòng)。
其二，化學(xué)數字化實驗的門檻較低，相比于物(wù)理(lǐ)數字化實驗更為(wèi)簡單易行。物(wù)理(lǐ)數字化實驗通常需要使用(yòng)傳感器從特定的實驗裝(zhuāng)置——物(wù)理(lǐ)模型中(zhōng)采集數據。由于常規實驗裝(zhuāng)置的缺損和老化，與傳感器配套的物(wù)理(lǐ)模型往往需要更新(xīn)改造，或者引進全新(xīn)設計的實驗裝(zhuāng)置，否則會嚴重影響實驗數據的質(zhì)量。化學(xué)數字化實驗則隻需要在常規實驗環境中(zhōng)增加一個探頭，即可(kě)獲得教學(xué)效果的顯著提升。
其三，化學(xué)教學(xué)屆針對數字化實驗的态度開放，各級學(xué)會、教研組織和教學(xué)期刊對教師開展數字化實驗教學(xué)探索的支持力度較大。
千裏之行始于足下。數字化實驗在中(zhōng)國(guó)化學(xué)教學(xué)界已經走過了20多(duō)年的發展曆程。在這裏，我們要向關注和支持化學(xué)數字化實驗的各位專家學(xué)者和廣大一線(xiàn)教師們緻敬！你們的不懈努力，必将推動中(zhōng)國(guó)化學(xué)教學(xué)的改革，促進廣大中(zhōng)學(xué)生更好地學(xué)習化學(xué)、掌握化學(xué)，進而在未來的科(kē)學(xué)事業中(zhōng)結出豐碩的成果！
據中(zhōng)國(guó)教育學(xué)會2024年度課堂教學(xué)展示與觀摩（培訓）系列活動教學(xué)彙總資料（https://download.pep.com.cn/cdfj/2024/2024xh-hx/mobile/index.html）顯示，高中(zhōng)化學(xué)組共有(yǒu)29個省市提交了120份教學(xué)設計。通過研讀其中(zhōng)内容，發現51份教學(xué)設計中(zhōng)引入數字化實驗，占比42.50%。針對51份引入數字化實驗的教學(xué)設計的研究結果如下：
一、教師信息
課堂教學(xué)展示與觀摩(培訓)系列活動共計29個省市參加， 提供120份教學(xué)設計（除廣西提交6份、新(xīn)疆提交8份、山(shān)西和甯夏提交3份教學(xué)設計外，其餘省市均提交4份）。其中(zhōng)26個省市提交的教學(xué)設計中(zhōng)引入數字化實驗（表1），具(jù)體(tǐ)數量如圖1所示，可(kě)見山(shān)東、上海、四川地區(qū)提供的所有(yǒu)教學(xué)設計均引入數字化實驗。
表1 各省市數字化實驗教學(xué)設計教師信息
表1 各省市數字化實驗教學(xué)設計教師信息
二、教學(xué)設計内容
通過分(fēn)析引入數字化實驗的教學(xué)設計内容 ，可(kě)知大部分(fēn)教學(xué)設計通過項目式學(xué)習、問題驅動學(xué)習等方式實施了數字化實驗，例如“培養工(gōng)程思維的大單元教學(xué)設計——以 “項目式學(xué)習“重慶魚洞黃溪口河段長(cháng)江水質(zhì)中(zhōng)氮的測定”、“假如你是化工(gōng)工(gōng)程師——利用(yòng)工(gōng)業廢氣中(zhōng)的二氧化碳制甲醇”等。通過這些主題，教師将數字化實驗融入教學(xué)，促進學(xué)生在真實情境中(zhōng)的探索性學(xué)習。
此外，各地區(qū)的教學(xué)設計普遍以“核心素養”“深度學(xué)習”為(wèi)導向，注重通過實驗探索學(xué)生的工(gōng)程思維和科(kē)學(xué)素養。例如，“橋梁建設中(zhōng)的金屬與金屬材料”、大概念統領下的項目式學(xué)習——探秘新(xīn)能(néng)源“氨”、論證重污染天氣“汽車(chē)限行”的合理(lǐ)性等，幫助學(xué)生從廣泛的化學(xué)概念出發，深入理(lǐ)解各類化學(xué)反應原理(lǐ)；另一些則通過真實情境模拟，使學(xué)生在問題解決中(zhōng)掌握具(jù)體(tǐ)技(jì )能(néng)。
引入數字化實驗的51個教學(xué)設計中(zhōng)，有(yǒu)42個教學(xué)設計内容從教材出發，且多(duō)集中(zhōng)于選擇性必修一。考慮到該冊教材中(zhōng)設計化學(xué)反應的熱效應、化學(xué)反應速率與化學(xué)平衡、水溶液中(zhōng)的離子反應與平衡和化學(xué)反應與電(diàn)能(néng)章節，均有(yǒu)利于教師借助不同類型的傳感器采集反應條件變化下的數據，有(yǒu)助于學(xué)生從微觀和宏觀的角度理(lǐ)解化學(xué)概念。剩餘9個教學(xué)設計多(duō)為(wèi)跨學(xué)科(kē)或實際應用(yòng)導向的項目，教師通過傳感器結合軟件進行探究和分(fēn)析。這些教學(xué)設計展示了各教師在數字化實驗應用(yòng)的多(duō)樣性，為(wèi)學(xué)生在化學(xué)實驗中(zhōng)的深度學(xué)習提供了有(yǒu)力支持。
三、傳感器種類
常用(yòng)的傳感器包括pH傳感器、溫度傳感器、電(diàn)導率傳感器等，這些設備主要用(yòng)于監測實驗中(zhōng)的化學(xué)反應變化，具(jù)體(tǐ)使用(yòng)頻率如表2和圖2所示。其中(zhōng)pH傳感器使用(yòng)頻次最高，例如在“水的電(diàn)離與pH”實驗中(zhōng)，學(xué)生可(kě)以使用(yòng)pH傳感器觀察不同條件下的pH數據。此外，部分(fēn)教學(xué)設計還引入多(duō)種類型的傳感器進行探究活動，如：“基于solo分(fēn)類理(lǐ)論的實驗探究——以探究高鐵酸鉀的性質(zhì)和制備方法為(wèi)例”中(zhōng)引入氧氣、pH、溫度、溶解氧傳感器，多(duō)角度探究高鐵酸鉀的性質(zhì)。
表2 傳感器使用(yòng)頻次
圖2 教學(xué)設計中(zhōng)傳感器使用(yòng)頻次柱狀圖（頻次大于2）
作(zuò)者：石陽 化學(xué)碩士
上海市中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)數字化實驗系統研發中(zhōng)心
山(shān)東遠(yuǎn)大朗威教育科(kē)技(jì )股份有(yǒu)限公(gōng)司
2024年11月1日
