化學(xué)課標(biāo)中指出：改變在實驗中注重動手但缺少思考的現(xiàn)狀，強(qiáng)調(diào)高級思維的過程。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)基于學(xué)科核心概念選擇開展匹配的數(shù)字化實驗，通過清晰直觀的曲線反映實驗過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)變化，為探究實驗本質(zhì)提供強(qiáng)有力的支撐，讓學(xué)生在實踐、觀察、思考的過程中了解化學(xué)實驗宏觀現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì)。本文通過分析高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)與新教材中的數(shù)字化實驗，提出數(shù)字化實驗案例設(shè)計的五個基本環(huán)節(jié)，并結(jié)合《探究電離平衡及其移動》展開實踐，嘗試探討數(shù)字化實驗與高中化學(xué)教學(xué)融合的方法。

一、高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)與新教材中的數(shù)字化實驗分析

我國數(shù)字化實驗與化學(xué)教學(xué)融合研究起源于21世紀(jì)初。2003年，華南師范大學(xué)錢揚(yáng)義教授在國內(nèi)率先撰文建議中學(xué)化學(xué)教育領(lǐng)域應(yīng)用手持?jǐn)?shù)字化實驗，用高溫探頭繪制酒精燈各部分火焰溫度—時間曲線圖，探討酒精燈3層火焰溫度的大小及其關(guān)系。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出：“化學(xué)教材應(yīng)精心設(shè)計學(xué)生必做實驗，適當(dāng)增加微型實驗、家庭小實驗、數(shù)字化實驗、定量實驗和創(chuàng)新實踐活動等，讓學(xué)生在實驗探究活動中學(xué)習(xí)科學(xué)方法，認(rèn)識科學(xué)探究過程，體會、認(rèn)識技術(shù)手段的創(chuàng)新對化學(xué)科學(xué)的重要價值，形成嚴(yán)謹(jǐn)求實、勇于實踐的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展實踐能力。”下面，筆者從實驗來源、實驗內(nèi)容、板塊類別、傳感器類別四個角度簡要分析一下數(shù)字化實驗（見表1）。

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人民教育出版社化學(xué)教材（2019年6月第1版）在“科學(xué)·技術(shù)·社會”板塊和“練習(xí)與應(yīng)用”板塊中出現(xiàn)了數(shù)字化實驗的案例（見表2），這些案例圍繞化學(xué)核心概念展開，利用傳感器對化學(xué)實驗和真實情境進(jìn)行了比較、綜合、分析。

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二、數(shù)字化實驗與高中化學(xué)教學(xué)融合的實踐

1.數(shù)字化實驗案例設(shè)計環(huán)節(jié)

探究、論證是實驗最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。筆者在數(shù)字化實驗研究過程中整理了五個基本設(shè)計環(huán)節(jié)（如圖1所示），供教師在數(shù)字化實驗開發(fā)中參考。

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2.數(shù)字化實驗與高中化學(xué)教學(xué)融合的案例

本文以人教版選擇性必修1化學(xué)反應(yīng)原理第三章第一節(jié)電離平衡為主題，以《探究電離平衡及其移動》為案例進(jìn)行數(shù)字化實驗設(shè)計，具體如下。

環(huán)節(jié)一：確定實驗?zāi)康?/p>

（1）通過實驗研究鹽酸與醋酸的差異，認(rèn)識弱電解質(zhì)存在電離平衡。

（2）研究濃度、溫度改變對醋酸電離平衡的影響，認(rèn)識弱電解質(zhì)電離平衡的移動過程，建構(gòu)弱電解質(zhì)電離平衡移動模型。

環(huán)節(jié)二：研究傳統(tǒng)實驗

水溶液中的離子平衡本身比較抽象，研究對象都是看不見摸不到的微觀分子、離子間的反應(yīng)與平衡。筆者圍繞“探究電離平衡及其移動”這一核心內(nèi)容，讓學(xué)生基于生活經(jīng)驗描述鹽酸和醋酸的差異，自主設(shè)計傳統(tǒng)實驗探究鹽酸與醋酸的差異，感受實驗研究的過程和基本方法。

例如，讓學(xué)生使用pH試紙測量0.1mol/L的鹽酸和醋酸溶液的pH，觀察等體積1mol/L鹽酸和醋酸與等量鎂條反應(yīng)速率的快慢，但學(xué)生對外界條件改變時電離平衡會發(fā)生移動這一動態(tài)過程難以形成直觀的認(rèn)識。針對這一問題，筆者采用數(shù)字化實驗，用不同傳感器檢測傳統(tǒng)實驗無法檢測的物理量，為學(xué)生直觀地呈現(xiàn)了弱電解質(zhì)電離平衡移動過程的數(shù)據(jù)。

環(huán)節(jié)三：確定傳感器種類

本數(shù)字化實驗的核心目標(biāo)是探究溫度、濃度對醋酸電離平衡的影響，教師可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)測量目標(biāo)選擇溫度傳感器和pH傳感器。此外，電導(dǎo)率是用數(shù)字表示溶液傳導(dǎo)電流能力的物理量，常用于間接推測溶液中帶電離子的濃度，在工業(yè)生產(chǎn)和實驗室研究中常用于測量純水、飲用水、污水等各種溶液導(dǎo)電性或整體離子濃度的大小，電導(dǎo)率傳感器是研究離子濃度常用的且數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定的傳感器。根據(jù)實驗?zāi)康募皽y量目標(biāo)，筆者選擇合適的傳感器種類后，設(shè)計了本數(shù)字化實驗方案（如表3所示）。

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環(huán)節(jié)四：采集實驗數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果

根據(jù)實驗方案，筆者帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行了場景搭建和數(shù)據(jù)采集，并分析了實驗結(jié)果（如圖2）。

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環(huán)節(jié)五：分析實驗結(jié)果

弱電解質(zhì)醋酸在水溶液中存在電離平衡：CH3COOH[]CH3COO–+ H+，當(dāng)外界條件改變時電離平衡會發(fā)生移動。在實驗1中，醋酸溶液的pH隨c（CH3COO-）增大而升高，同離子效應(yīng)使得電離平衡逆向移動，c（H+）變小，溶液pH升高。在實驗2中，冰醋酸加水過程電導(dǎo)率先增大后減小，溶液中的離子總濃度先增大后減小，對于同一弱電解質(zhì)，溶液越稀離子相互碰撞結(jié)合生成分子的機(jī)會越小，弱電解質(zhì)的電離程度就大，稀釋溶液會促使弱電解質(zhì)的電離平衡，但隨著溶液體積的增大，溶液中離子濃度會逐漸減小，這就是曲線先升后降的原因。在實驗3中，醋酸溶液的pH隨溫度升高而降低，由于醋酸電離吸熱升溫使得醋酸電離平衡正向移動，c（H+）增大，溶液pH降低。

三、思考與啟示

1.拓展學(xué)生思維深度，發(fā)展核心素養(yǎng)

高中化學(xué)有些概念原理較為抽象，教材中常以定性結(jié)論呈現(xiàn)，高中生受自身認(rèn)知水平所限，對抽象知識的理解存在片面性和表面性。數(shù)字化實驗將宏觀現(xiàn)象與定量數(shù)據(jù)相結(jié)合，是宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)重要的聯(lián)系橋梁，學(xué)生在實驗過程中觀察、思考、討論、歸納、總結(jié)，抽象思維和邏輯思維在真實實驗情境曲線分析中得到了很大的發(fā)展，學(xué)科核心素養(yǎng)得到了很大的提升。

2.促使教師鉆研教材，深化學(xué)科理解

數(shù)字化實驗呈現(xiàn)出的定量化和可視性實驗結(jié)果，能夠促使教師不斷反思、重構(gòu)和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。例如，利用電流傳感器探究原電池原理時，鋅銅稀硫酸單液原電池工作一段時間后電流出現(xiàn)衰減，溶液溫度升高，這是因為鋅與稀硫酸直接接觸發(fā)生了反應(yīng)，有一部分能量轉(zhuǎn)化成了熱能。雙液原電池工作電流雖然穩(wěn)定，但電流較小，這是因為鹽橋中離子運(yùn)動距離長，離子通道窄，產(chǎn)生的電阻較大的緣故。電流傳感器有多量程可供選擇，不僅可以測定微型電池、隔膜電池的電流強(qiáng)度，還可以探究改變條件（如電極材料間距、電極接觸面積、電解質(zhì)溶液濃度）對電流強(qiáng)度的影響。

3.拓寬實驗研究主題，豐富應(yīng)用范圍

傳感器是數(shù)字化實驗的核心組件，其適用范圍非常廣，不僅適用于常規(guī)化學(xué)實驗，還適用于應(yīng)用類和跨學(xué)科類的教學(xué)。例如，筆者利用pH傳感器測定食用醋的總酸度、測定飲料中維生素C的含量、測定電離平衡常數(shù)等。實驗研究主題不僅可以應(yīng)用于必修課程和選擇性必修課程，還可以應(yīng)用于化學(xué)實驗校本課程、STEAM課程的教學(xué)中。因此，教師要在教學(xué)過程中不斷探究，積極拓寬實驗研究主題，促進(jìn)數(shù)字化實驗與高中化學(xué)教學(xué)的融合。

作者單位   陜西省西安中學(xué)

責(zé)任編輯：張言