浅谈通过数字化实验对学生的能力培养

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　　关键词：实验传感器 据采集器 单机运行平台 电导率 磁力搅拌器 传感器或探头 定量实验 实验结果数字化 酸碱中和滴定 电离 手持技术仪器。
　　摘 要：数字化学实验 能力 培养
　　
　　随着信息技术的发展，计算机作为一种教学技术越来越受到人们的重视。在课堂中可充分利用计算机等技术工具，为教师与学生开展科学探究与更好地理解科学的本质提供机会。 又随着课改的进一步深化，化学定量实验内容占据一定比重，实验教学的功能不仅仅在于能够培养学生的观察能力，还能够深化学生对事物变化中量变到质变的认识，培养严谨的科学态度，理解化学变化的本质。高中阶段常见的许多化学定量实验，而受实验条件限制，造成学生会做题但是解决实际问题的能力不足。基于办学条件的逐步改善，数字实验室已经走进高中校园。利用传感器技术将实验结果数字化，这样可以引入大量的定量实验，把一些抽象的理论数字化，从而不仅能从量的角度说明传统定性实验的结论，还能更好地培养学生分析问题和解决问题的能力。本人与本组几个老师和部分学生就“醋酸的稀释过程中导电性变化”为案例进行说明。
　　在教学中我们知道，冰醋酸在熔化时主要是以分子的形式存在，此时导电性最弱，往醋酸中逐渐加水开始电离，随着水量的增加电离的程度不断增大，导电能力也不断地增强，随着水量的不断加入，导电的能力又不断的减弱。然而在实际的教学中我们只能从理认上告诉学生道理，但很难从实验上进行说明 ，在这方面我带了部分学生做了如下实验。首先对学生进行仪器做功能介绍，让学生能初步了解仪器的功能，方案案如下。
　　实验目的：观察醋酸的电导率和醋酸溶液浓度的关系
　　实验原理：醋酸溶液的电性随浓度变化而变化
　　实验器材：GQY数据采集器，电导率传感器，烧杯，量筒，连接线，USB连接线，计算机。
　　步骤：指导学生连接好各仪器，运行GQY数字化学实验室单机运行平台，打开“冰醋酸稀释过程中导电导率的变化”实验模板，单击设备连接，进行传感器连接，显示设备连接成功。
　　开始实验
　　1．将电导率传感器，接入数据采集器并用试管夹固定在铁架台上。
　　2．进入“冰醋酸稀释过程中导电导率的变化” 实验
　　3．取一烧杯，将其水平放置，并大约取5ml冰醋酸盛放其内。
　　4．调节试管夹高度，使电导率传感器的探头浸入冰醋酸中
　　5．点击：“开始”实验，在电导率框内会显示出当前溶液的电导率。， 时在下面和溶液浓度实时数据坐标上显示数据点
　　6．点击“结束”完成第一次数据采集。
　　7．加入一定量的水，打开磁力搅拌器，把溶液搅拌均匀后，关闭搅拌器， 在累加水框内，输入加水的量。
　　8．重复上面5，6完成数字采集
　　9．反复7，8完成全部数据采集。
　　实验结果计算机显示如下（从参加的学生中任先两组学生的结果）
　　
　　
　　从实验结果显示，冰醋酸导电性随加水量增加由弱到强，然后又由强到弱的结论。经过对结果的分析，学生知道冰醋酸主要以分子的形式存在，在溶液中以分子，离子形式共存。对于学生方面，在传统化学实验教学中，学生较多时候处于被动状态，而数字化探究实验室要求学生改变以往过多依赖教师的学习方式，如学生应能在新的学习环境中，大胆借助手持技术与计算机技术从多渠道获得所需信息，敢于对书本质疑，乐于动手探究等等。当然，学生利用信息技术进行自主学习，需要具备一定条件的：学生必须具有独立自主学习的精神、具有善于获取知识的能力和能掌握适合自己特点和学习要求的学习策略。此外，手持技术仪器能快速测定并以数据和图表的形式呈现整个探究过程，有助于学生通过对图像变化趋势的观察与理解及时对实验条件做出适当的调整或建立新的实验假设，并在每一次修订实验方案或控制探究变量的过程中不断思考自己的预测与实验事实不吻合的具体原因，从而导致更深层次的学习。
　　数字化化学探究实验室如何培养探究能力呢？
　　（1）在化学课堂上培养学生解决困难的能力
　　化学教师可根据教学的实际需要，将课堂引到数字化化学探究实验室，让学生在其良好的软件环境中学习教材中内容，加强对化学知识和原理的理解。以“酸碱中和滴定”为例，传统教材采用通过指示剂的变色来确定测定终点，由于不同指示剂均存在一定的实验误差，致使学生很难准确判断中和反应何时终止。如果通过数字化学实验，就能将实验结果直接显示出来。
　　（2）在化学研究性学习中培养能力
　　研究表明，将数字化技术与研究性学习有机地结合运用，有利于提高学生探究的积极性，增强其探究能力。因此，将数字化化学探究实验室应用于化学研究性学习培养学生的探究能力与问题解决能力，可从以下三个方面着手：
　　①解决传统实验难点的方面。传统实验虽为教科书一直沿用，但部分实验是有待改进的，如有些则由于传统实验仪器的限制，不能进行定量的比较与分析等等。然而，将数字化化学探究实验室应用于其中，可在一定程度上解决上述实验难点。如，可利用手持技术探究影响过氧化氢分解速率的因素――通过测定密封容器中气压的变化以表征过氧化氢的分解速率。我们也从学生入手，带领学生做了探究影响过氧化氢分解速率在不同物质做催化剂催化作用下分解如用（二氧化锰，三氯化铁，土豆小颗粒）催化结果任取二组学生所做结果如下：
　　
　　学生能直观地看到不同催化剂对过氧化氢催化效果的差异。且学生还在无意中发现，不同浓度的过氧化氢，几种物质的催效果也不一样，二氧化锰催化效果比较稳定，氯化铁催化效果，受浓度的影响比较大，浓度越大，反应变得越快，培养了学生的实验探究能力。
　　②探究社会热点的方面。化学新课程标准的基本理念之一是：“从学生已有的经验和将要经历的社会生活实际出发，帮助学生认识化学与人类生活的密切关系，关注人类面临的与化学相关的化学问题，培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力。由于利用手持技术进行的实验能在室外方便地进行，故可让学生对他们感兴趣的许多社会热点现象设计实验并进行探究，如利用二氧化碳传感器探究公共交通工具车厢内二氧化碳的含量对乘客健康的影响；等等。
　　③研究变量关系的方面。对变量关系的研究即在单一数据测量的基础上，进一步探究不同变量数据之间的相关或因果关系。它需要学生确定所要研究的变量，设定不变的量，对变量的关系进行假设并设计实验验证，因而对学生逻辑思维能力和设计、控制实验的能力要求更高，也是一种能较好训练学生探究能力的方法。传统的实验由于过分强调基本操作而忽略了学生上述能力的培养；然而借助数字化化学探究实验室，可较大程度上弥补这些不足，换言之，它向学生提供不同类型的传感器或探头，帮助学生迅速采集准确的测量数据，有助于学生能有更多的精力进行实验的设计与控制，探究变量之间的关系，如可利用电导率传感器与温度传感器探究物质溶解度与温度的关系等。
　　当然数字化实验，在学生能力方面的培养也存在着多方面的不足，首先是设备不够多，不能让大面积的学生参与，其次老师在这方面也存在经经验不足，多数学校还没有这种设备，老师交流不够多，阻碍这方面的发展。
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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