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摘 要：从数字化实验在中学化学教学中的必要性、优越性及可操作性等三个方面提出中学化学课程教学的一些改革建议，为教师更好地将数字化实验系统运用于化学教学，并为提高学生自主思考能力和高考解题水平提供帮助。
关键词： 数字化实验；化学实验探究；传感器；中学化学教学
数字化实验系统（DIS）是由传感器、数据采集器和配套软件组成，能与计算机连接并进行定量采集和处理数据的实验技术系统 [1 ]。中学化学教学中引入数字化实验室，不仅能弥补传统实验工具的缺陷，还能促进学生了解先进的科学技术，获得科学的学习方法，培养思维能力，提高探究水平。
多数省市已将数字化探究实验室列入基础教育装备标准，但存在利用率低的问题，究其原因主要存在三个方面问题：首先，任课教师对数字化实验在提高中学化学教学水平上认识不足，高考考纲上没有传感器的使用要求，教师便认为数字化实验与高考无关，开展数字化实验会挤占传统化学实验的有限课时，弱化常规实验过程的操作规范及实验现象的细致观察，影响高考的卷面成绩；其次，数字化实验室资源不足，多数学校也刚装备起来，成熟的操作方案、教学案例不多；最后，教师操作数字化实验仪器的技能较差，有畏难的情绪，也影响了数字化实验的开展。本文针对存在的这些问题，从数字化实验在中学化学教学中的必要性、对提高中学化学教学效率的优势、可操作性以及存在的困难等4个方面提出一些改革措施，供同行参考。
一、数字化实验在中学化学教学中的必要性
在中学化学新课程改革中，特别强调的“研究性学习”大多都与实验密切相关。但是，很多实验随着研究的深入，会显得“力不从心”，例如，有关定量、微观现象的实验操作，大都难以开展。而DIS传感器可以为研究性学习提供工具支持，借助DIS传感器，可以使在中学阶段难以开展的实验变得直观、简单且容易被认知，DIS传感器会自动显示清晰的实验结果。另一方面，数字化实验教室的分组设置，同时具有互联网、多媒体功能，为探究性学习提供了很好的平台。有些探究实验必须引入DIS，才可以精确地完成实验。
在传统的中学化学教学中，一些难理解的科学概念和原理，通过传统实验不容易让学生理解，也需借助于数字化传感技术的直观演示、准确的数据分析和图表展示，达到快速突破教学难点、优化教学过程及提高教学效率的目的。例如，讲解离子反应、离子浓度时，通过电导率DIS实验，引入DIS技术后，就能实现微观“可视化”，很好地反映溶液中的离子浓度变化情况。
近年高考，呈现出“对化学知识的考查难度降低，读图能力要求提高”的趋势。如图1，2012福建理综12题，涉及的化学知识点和计算不难，但要能从图像中读出pH=2时，曲线下降越快，说明溶液的酸性越强，降解速率越大。要注意到纵坐标的数量级，pH=2、pH=7曲线最后重叠，到最后为零说明是完全降解，正确解读这些信息是解题的关键。2013福建理综12题（图2），涉及的原理和计算也不难。但此题挑战性强、区分度高，即使拔尖考生也未必知其所以然。关键就在这个曲线图上：b、c两点对应的反应时间都是65s，有些考生就认为b、c两点对应反应速率相等；曲线在40℃时向上折，相信将绝大多数考生难住了，这里呈现负增长，考生要从中得出淀粉不再适合做指示剂这个信息。我们常规实验很难涉及到这些方面。数字化实验结果，是由某些自变量（如：浓度、温度、压强、催化剂、表面积等）变化引起的因变量（如：pH数值、导电率、反应速度、转化率、体积分数、沉淀量等）变化，以坐标图表示的曲线 [2 ]，正好对应现在高考题中的“曲线表征题”。这是基于这类题型能够定量和全面地考查考生学习、分析和应用能力而设置的，能客观地评价学生认知水平、思维能力。今年高考的12题也一如既往的考出曲线图表题（如图3），如果能从表中所给数据得出：单位时间内c（N2O）的变化量是定值。认真分析不同坐标所表示的曲线变化，很容易得出正确的答案。这些高考题都能在平时数字化实验教学所得的曲线中找到影子 [3 ]。所以，重视数字化实验，加强培养学生的数据图表分析能力，将会大大提高学生这方面的解题能力，适应这一高考命题趋势。
二、数字化实验在中学化学教学中的优越性
数字化实验技术可以提高中学化学教学的效率。以往我们在讲解影响电离平衡、水解平衡因素这类问题时，花的课时不少，实验也没少做，但效果不好。现在采用数字化实验教学，应用DIS传感器，改变平衡的影响因素，在电脑屏幕上能很直观地反映出平衡移动及各离子浓度情况，使抽象知识可视化。
牵涉到微观粒子的知识、平衡等问题，对学生来讲，都是难以理解的 [4 ]。数字化实验技术可以有效突破许多化学教学的难点。例如：利用稀硫酸与氢氧化钡溶液的反应，设计数字化实验。利用pH传感器，得到pH变化曲线（图4）。学生的注意点集中在随着稀硫酸不断地滴加，刚开始pH变化不大，中间有一个突变。定量地展现了酸碱中和滴定过程中的pH变化，帮助学生理解滴定中“突跃”这个概念。利用电导率传感器，得到电导率的变化曲线（图5），实时体现溶液中离子的导电情况，直接反映溶液离子情况，学生直观地体会出溶液中离子“量”的问题。简单的工作曲线就能比较直观地说明抽象的知识点，即溶液的导电能力与离子浓度有关。这样就能有效突破这个教学难点。同时再将这两个曲线联系起来，比较pH=7时，与电导率最低处的关系。强调pH曲线，反映的是氢离子浓度，电导率反映的是所有导电离子总的离子浓度情况。通过对这些曲线的讲解、分析，使学生从不同层次、不同角度来理解溶液离子反应。如果增加温度传感器，还能很好地同时体现出酸碱反应是热效应。数字化实验的“自动化”、 “实时化”、 “并行化”、 “定量化”是传统常规实验无法比拟的。
还有，利用各种传感器很容易获取常规实验无法得到的结果。如：酒精灯内外焰不同的温度，气体中氧气、二氧化碳的浓度，溶液温度、离子浓度的实时变化数据等等，从而让学生体会科学实验探究的乐趣。同时数字化探究实验室为我们提供了多媒体教学系统、交互式电子白板、小组合作学习环境、网络化信息查询和丰富的学习资源等优越的条件，不仅极大地丰富与方便了教师的教学活动，也为学生的合作、交流和展示提供了许多有利条件。DIS为探究实验的开展提供了优越的工具和环境。 三、数字化实验在中学化学教学中的可操作性
在进行数字化探究实验中，课前先将各种仪器装好、校好，上课时由班上化学兴趣小组成员协助完成。整个过程占用课时不多，学生有时间思考每种因素是如何影响的，影响的后果是怎样的。平时授课中，数字化实验室不但提供了各种数字传感器，同时还是一个多媒体、网络化的教学载体，很容易实现教学的录制、转播，实时的互动。为了缩短实验时间，可采用教师演示前半部分，后面播放事先录好的内容。同时利用教师机的转播功能，将事先存储的实验数据、图像转播到学生机上。克服了传统实验中，老师演示，多数学生看不清楚；学生分组实验，不好控制，出现较多干扰因素，过多时间花在操作上，造成实验过程中的问题得不到充分探索和讨论。
特别是学生在专题复习课上，充分利用多媒体技术、信息通信技术，在电脑中清晰看到过程和结果，既简化了传统实验的操作，又提高了课堂效率。这次高三有些专题课中采用了这种办法，效果很好，从几次的质检结果来看，识图能力有较大提高，曲线题得分率明显提高。
四、数字化实验开展初期存在的困难及对策
数字化探究实验对于多数老教师来说是陌生的。我们在高一、高二开展化学研究性学习，主要吸收化学科特长生，全体化学老师都参与。从每个传感器的使用开始，师生互动，教学相长。学生不多，又不象正规的上课，每个教师参与度都很高。全体化学教师数字化实验操作能力有了很大的提高。在实验室建设初期的半年，利用开展化学兴趣小组活动的方式，完成了老师、化学特长学生数字化探究实验的熟练运用。
由于数字化实验设备数据的采集是采用了很多光电原理来转换，在其他学科不一定都跟进时，在化学课上花较多的时间解释这些原理，本身是不实际，也没有必要。特别是在数字化实验建设初期，学生仪器总共使用14套，各仪器的安装、校准、清洗，就不一定要全体学生参与，充分利用班上化学兴趣小组成员课前先将各仪器装好、校好，并协助完成实验。这样可以减少部分学生对技术的恐惧，同时减少学生在实验中过度关注技术和设备，学生关注的焦点应该是通过屏幕反映出来的数据的变化原因，思考图形变化的背后有什么规律。克服了多数学生不熟悉数字化实验设备，和占用课时多的缺点。
综上所述，数字化实验开创了一种崭新的实验教学模式，学生对这些仪器充满新鲜感，而实验过程的新颖、独特，也有极大的吸引力，很大程度激发了学生的探究欲望。相信依托传感技术、信息技术、多媒体技术、网络技术，高效、灵活的数字化实验。将会越来越受到重视，并将与传统实验有机结合在一起，两者互相补充，将共同在化学教学中发挥良好的作用。
参考文献：
[1]田长明.寻求突破——让传感技术改变化学课堂[J].中学化学教学参考，2013（9）：361.
[2]洪杰. “曲线表征”类化学试题的命制特点与解析[J].化学教学，2012（8）：304.
[3]赵宇.浅谈2011年高考涉及手持技术的化学试题[J].化学教学，2012（2）：298.
[4]彭豪.基于POE策略的高中化学“四重表征”概念教学研究[J].化学教学，2011（10）：294.
关键词： 数字化实验；化学实验探究；传感器；中学化学教学
数字化实验系统（DIS）是由传感器、数据采集器和配套软件组成，能与计算机连接并进行定量采集和处理数据的实验技术系统 [1 ]。中学化学教学中引入数字化实验室，不仅能弥补传统实验工具的缺陷，还能促进学生了解先进的科学技术，获得科学的学习方法，培养思维能力，提高探究水平。
多数省市已将数字化探究实验室列入基础教育装备标准，但存在利用率低的问题，究其原因主要存在三个方面问题：首先，任课教师对数字化实验在提高中学化学教学水平上认识不足，高考考纲上没有传感器的使用要求，教师便认为数字化实验与高考无关，开展数字化实验会挤占传统化学实验的有限课时，弱化常规实验过程的操作规范及实验现象的细致观察，影响高考的卷面成绩；其次，数字化实验室资源不足，多数学校也刚装备起来，成熟的操作方案、教学案例不多；最后，教师操作数字化实验仪器的技能较差，有畏难的情绪，也影响了数字化实验的开展。本文针对存在的这些问题，从数字化实验在中学化学教学中的必要性、对提高中学化学教学效率的优势、可操作性以及存在的困难等4个方面提出一些改革措施，供同行参考。
一、数字化实验在中学化学教学中的必要性
在中学化学新课程改革中，特别强调的“研究性学习”大多都与实验密切相关。但是，很多实验随着研究的深入，会显得“力不从心”，例如，有关定量、微观现象的实验操作，大都难以开展。而DIS传感器可以为研究性学习提供工具支持，借助DIS传感器，可以使在中学阶段难以开展的实验变得直观、简单且容易被认知，DIS传感器会自动显示清晰的实验结果。另一方面，数字化实验教室的分组设置，同时具有互联网、多媒体功能，为探究性学习提供了很好的平台。有些探究实验必须引入DIS，才可以精确地完成实验。
在传统的中学化学教学中，一些难理解的科学概念和原理，通过传统实验不容易让学生理解，也需借助于数字化传感技术的直观演示、准确的数据分析和图表展示，达到快速突破教学难点、优化教学过程及提高教学效率的目的。例如，讲解离子反应、离子浓度时，通过电导率DIS实验，引入DIS技术后，就能实现微观“可视化”，很好地反映溶液中的离子浓度变化情况。
近年高考，呈现出“对化学知识的考查难度降低，读图能力要求提高”的趋势。如图1，2012福建理综12题，涉及的化学知识点和计算不难，但要能从图像中读出pH=2时，曲线下降越快，说明溶液的酸性越强，降解速率越大。要注意到纵坐标的数量级，pH=2、pH=7曲线最后重叠，到最后为零说明是完全降解，正确解读这些信息是解题的关键。2013福建理综12题（图2），涉及的原理和计算也不难。但此题挑战性强、区分度高，即使拔尖考生也未必知其所以然。关键就在这个曲线图上：b、c两点对应的反应时间都是65s，有些考生就认为b、c两点对应反应速率相等；曲线在40℃时向上折，相信将绝大多数考生难住了，这里呈现负增长，考生要从中得出淀粉不再适合做指示剂这个信息。我们常规实验很难涉及到这些方面。数字化实验结果，是由某些自变量（如：浓度、温度、压强、催化剂、表面积等）变化引起的因变量（如：pH数值、导电率、反应速度、转化率、体积分数、沉淀量等）变化，以坐标图表示的曲线 [2 ]，正好对应现在高考题中的“曲线表征题”。这是基于这类题型能够定量和全面地考查考生学习、分析和应用能力而设置的，能客观地评价学生认知水平、思维能力。今年高考的12题也一如既往的考出曲线图表题（如图3），如果能从表中所给数据得出：单位时间内c（N2O）的变化量是定值。认真分析不同坐标所表示的曲线变化，很容易得出正确的答案。这些高考题都能在平时数字化实验教学所得的曲线中找到影子 [3 ]。所以，重视数字化实验，加强培养学生的数据图表分析能力，将会大大提高学生这方面的解题能力，适应这一高考命题趋势。
二、数字化实验在中学化学教学中的优越性
数字化实验技术可以提高中学化学教学的效率。以往我们在讲解影响电离平衡、水解平衡因素这类问题时，花的课时不少，实验也没少做，但效果不好。现在采用数字化实验教学，应用DIS传感器，改变平衡的影响因素，在电脑屏幕上能很直观地反映出平衡移动及各离子浓度情况，使抽象知识可视化。
牵涉到微观粒子的知识、平衡等问题，对学生来讲，都是难以理解的 [4 ]。数字化实验技术可以有效突破许多化学教学的难点。例如：利用稀硫酸与氢氧化钡溶液的反应，设计数字化实验。利用pH传感器，得到pH变化曲线（图4）。学生的注意点集中在随着稀硫酸不断地滴加，刚开始pH变化不大，中间有一个突变。定量地展现了酸碱中和滴定过程中的pH变化，帮助学生理解滴定中“突跃”这个概念。利用电导率传感器，得到电导率的变化曲线（图5），实时体现溶液中离子的导电情况，直接反映溶液离子情况，学生直观地体会出溶液中离子“量”的问题。简单的工作曲线就能比较直观地说明抽象的知识点，即溶液的导电能力与离子浓度有关。这样就能有效突破这个教学难点。同时再将这两个曲线联系起来，比较pH=7时，与电导率最低处的关系。强调pH曲线，反映的是氢离子浓度，电导率反映的是所有导电离子总的离子浓度情况。通过对这些曲线的讲解、分析，使学生从不同层次、不同角度来理解溶液离子反应。如果增加温度传感器，还能很好地同时体现出酸碱反应是热效应。数字化实验的“自动化”、 “实时化”、 “并行化”、 “定量化”是传统常规实验无法比拟的。
还有，利用各种传感器很容易获取常规实验无法得到的结果。如：酒精灯内外焰不同的温度，气体中氧气、二氧化碳的浓度，溶液温度、离子浓度的实时变化数据等等，从而让学生体会科学实验探究的乐趣。同时数字化探究实验室为我们提供了多媒体教学系统、交互式电子白板、小组合作学习环境、网络化信息查询和丰富的学习资源等优越的条件，不仅极大地丰富与方便了教师的教学活动，也为学生的合作、交流和展示提供了许多有利条件。DIS为探究实验的开展提供了优越的工具和环境。 三、数字化实验在中学化学教学中的可操作性
在进行数字化探究实验中，课前先将各种仪器装好、校好，上课时由班上化学兴趣小组成员协助完成。整个过程占用课时不多，学生有时间思考每种因素是如何影响的，影响的后果是怎样的。平时授课中，数字化实验室不但提供了各种数字传感器，同时还是一个多媒体、网络化的教学载体，很容易实现教学的录制、转播，实时的互动。为了缩短实验时间，可采用教师演示前半部分，后面播放事先录好的内容。同时利用教师机的转播功能，将事先存储的实验数据、图像转播到学生机上。克服了传统实验中，老师演示，多数学生看不清楚；学生分组实验，不好控制，出现较多干扰因素，过多时间花在操作上，造成实验过程中的问题得不到充分探索和讨论。
特别是学生在专题复习课上，充分利用多媒体技术、信息通信技术，在电脑中清晰看到过程和结果，既简化了传统实验的操作，又提高了课堂效率。这次高三有些专题课中采用了这种办法，效果很好，从几次的质检结果来看，识图能力有较大提高，曲线题得分率明显提高。
四、数字化实验开展初期存在的困难及对策
数字化探究实验对于多数老教师来说是陌生的。我们在高一、高二开展化学研究性学习，主要吸收化学科特长生，全体化学老师都参与。从每个传感器的使用开始，师生互动，教学相长。学生不多，又不象正规的上课，每个教师参与度都很高。全体化学教师数字化实验操作能力有了很大的提高。在实验室建设初期的半年，利用开展化学兴趣小组活动的方式，完成了老师、化学特长学生数字化探究实验的熟练运用。
由于数字化实验设备数据的采集是采用了很多光电原理来转换，在其他学科不一定都跟进时，在化学课上花较多的时间解释这些原理，本身是不实际，也没有必要。特别是在数字化实验建设初期，学生仪器总共使用14套，各仪器的安装、校准、清洗，就不一定要全体学生参与，充分利用班上化学兴趣小组成员课前先将各仪器装好、校好，并协助完成实验。这样可以减少部分学生对技术的恐惧，同时减少学生在实验中过度关注技术和设备，学生关注的焦点应该是通过屏幕反映出来的数据的变化原因，思考图形变化的背后有什么规律。克服了多数学生不熟悉数字化实验设备，和占用课时多的缺点。
综上所述，数字化实验开创了一种崭新的实验教学模式，学生对这些仪器充满新鲜感，而实验过程的新颖、独特，也有极大的吸引力，很大程度激发了学生的探究欲望。相信依托传感技术、信息技术、多媒体技术、网络技术，高效、灵活的数字化实验。将会越来越受到重视，并将与传统实验有机结合在一起，两者互相补充，将共同在化学教学中发挥良好的作用。
参考文献：
[1]田长明.寻求突破——让传感技术改变化学课堂[J].中学化学教学参考，2013（9）：361.
[2]洪杰. “曲线表征”类化学试题的命制特点与解析[J].化学教学，2012（8）：304.
[3]赵宇.浅谈2011年高考涉及手持技术的化学试题[J].化学教学，2012（2）：298.
[4]彭豪.基于POE策略的高中化学“四重表征”概念教学研究[J].化学教学，2011（10）：294.