关于在高中化学中展开学生数字化实验的研究.docx
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关于在高中化学中展开学生数字化实验的研究
数字化实验案例
相关化学理论
传感器
1.
溶质在溶解过程中的能量变化现象
化学变化中的
能量变化
温度传感器
2.
中和反应中的热效应
温度传感器
3.
溶液酸碱度测定
电解质溶液、强弱
电解质、盐类水解
pH 传感器
关于在高中化学中展开学生数字化实验的研究
上海市浦光中学徐琤雅 张玲 杨宇翔
目前数字化实验已深入到社会生产和生活的各个领域，对数字化实验的核
心设备——各种传感器及微电极的研究为我国分析化学领域优先资助的前沿课
题。
在中学化学教育中引入数字化实验教学，一方面弥补了传统实验工具的缺
陷，使实验的方法更加先进，实验的数据更加准确，实验的步骤更加清晰；另
一方面革新了化学实验仪器与方法，拓展了化学实验的内容。
我校有非常有利的硬件条件——专属数字化教学的实验室。
为了有效地利
用学校现有资源，为了将数字实验与教学实践更好的结合，通过对几个典型的
中学化学实验的研究与改进，将其传统的实验操作方法改进为数字化操作，定
位于可广为推广的学生实验，应用于日常教学与学生的研究型学习。
同时对中
学化学教学中合理应用数字实验提供一定的教学参考，进一步推进数字实验在
教学中的优势发挥应用，从而有效地提高高中化学的教学质量。
本研究在高中化学新教材的教学中积累相关案例，从实践中研究与改进几
个典型的中学化学实验，将其传统的实验操作方法改进为数字化实验，应用于
日常教学与学生的研究型学习。
对中学化学教学中合理应用数字实验提供一定
的教学参考，发挥数字实验在教学中的优势，使之与课堂教学更为合理、紧密
地整合。
课题研究内容：
（1）研究能广泛适用于高中化学教学的学生数字化实验案例。
（2）研究学生数字化实验方案及其实验报告的设计。
（3）研究比较学生数字化实验与传统学生实验的教学效果。
（4）研究学生数字化实验对高中化学教学的实践价值。
（5）研究学生数字化实验对于提高学生能力的意义。
（6）研究在实践过程中所遇到的问题。
研究结果：
（一）能广泛适用于高中化学教学的学生数字化实验案例。
在高中学段化学理论体系中，理论上有不少可用数字化实验实现的实验。
1
4.
各种溶液导电性的测定
电导率传感器
5.
强弱电解质的鉴别
pH 传感器、
电导率传感器
6.
酸碱中和滴定
pH 传感器、
滴数传感器
7.
温度对弱电解质电离的影响
pH 传感器、
温度传感器
8.
活泼金属与酸反应的速率
化学反应速率、化
学平衡理论
气压传感器
9.
固体表面积对化学反应速率的影响
气压传感器
此外，将若干传感器很好的组合，更可实现大型的、户外或与实际生活相
关的学生探究性实验，比如水质测定、饮料成分测定、碘盐中含碘量的测定等
等。
（二）学生数字化实验方案及其实验报告的设计。
在传统实验方案及实验报告的基础上，突出对于实验数据的研究与分析，
强化学生对于实验结果数形结合认知、分析、归纳、总结的能力，相对简化具
体的实验操作步骤，偏重学生对实验方案的自行设计，在实验中渗透学生主观
能动设计实验的能力。
初步拟定实验方案及实验报告有以下几个部分组成：
实验探究目的、实验
设计依据原理、实验器材及药品选用、实验操作步骤、实验结果输出、实验数
据分析、实验误差讨论等。
在此，笔者选取呈现一个案例。
浓度对化学反应速率的影响
实验原理：
除参加反应各物质本身化学性质以外，还有许多因素均可能会对化学反应
速率产生一定影响，这些因素包括反应物的浓度、物理条件例如反应物表面面
积、温度、催化剂的存在与否、压力（如果反应包含气体）、以及光等等。
化
学反应速率可以通过研究单位时间内产物或反应物的数量（或浓度）的改变率来
检测。
在这个实验中, CO2 是其中一个形成的产物。
通过使用气体压力传感器, 这个反
应的变化率可以由在一个附上的反应容器的压力的增加被测试。
通过改变反应
物的浓度, 我们可以研究浓度对反应速率的效应。
实验目的：
一、使用计算机来测量来自反应物形成的气体压力的变化
2
二、研究反应物浓度对反应速率的影响
实验仪器及药品：
计算机、气体压力传感器及专用试管、50 mL 量筒、0.5 mol / L 盐酸、0.25 mol /
L 盐酸
实验步骤：
一、使用沙皮纸将镁带表面的氧化膜去除，取等长约 2 厘米长的镁带，分别装
入两支干燥的专用试管中。
二、用两只 10 mL 量筒分别量取 5 mL 0.5 mol / L 盐酸及 5 mL 0.25 mol / L 盐酸，放
在一旁备用。
三、预备气体压力传感器来采集数据，将开始采集的条件定为压力在 104kPa
以上。
四、将 5 mL 0.5 mol / L 盐酸倒入一支装有镁条的专用试管，开始采集数据。
五、重覆步骤四，这次使用 0.25 mol / L 盐酸。
实验数据
（以图表形式输出）
问题与讨论
一、描述你的图表中出现的两条曲线。
评论两条曲线的形状。
二、在反应的速率上，你可以总结关于反应物浓度的效果吗?
三、在这反应中哪一种反应物是过量的，是镁还是盐酸?
请解释原因。
知识扩展
请在你的图标中大略地描绘出 0.5 mol / L 的硫酸与镁条的反应曲线。
（三）比较学生数字化实验与传统学生实验的教学效果。
传统实验教学效果显著，但数字化实验作为与传统实验相辅相成的教学手
段，更具有不可比拟的优越性。
数字化手段可以极大地扩展实验的可视性和可
重复性。
在采集数据的环节上，计算机和传感器等数字手段的介入可以更快更
准确地得到实验数据，从而节省宝贵的教学时间，把更多的时间用于学生讨论
问题、解决问题上，让学生在课堂上产生更多的兴趣点，提升学习的主动性，
加强学习能力的培养。
例如，电导率，中学化学教材中一般不出现这个概念，
在研究强弱电解质时，传统实验仅限于用小电珠光亮程度来检验溶液的导电能
力，操作繁琐且现象欠佳，若借用数字实验的图像呈现，用数字说话的形式，
让学生直观地体会出溶液中离子“量”的问题，若干条简单的工作曲线就能比
较直观地说明此较为抽象的知识点即溶液的导电能力与离子浓度有关。
因此，
在一年的课题研究过程中小组成员累积类似案例，研究比较学生数字化实验与
传统学生实验的教学效果，以实现数字化实验在传统实验基础上的突破、数字
化实验对传统实验的进一步延伸、数字化实验与传统化学实验的整合。
在此，笔者选取两个案例加以详细说明。
3
案例一：
催化剂间的竞争（拓展型课程）
传统实验
数字化实验
实验目的
探究双氧水分解催化剂的效果
实验原理
给定质量的反应物转变成产物的时间是通过反应速率来描述的。
许多因素可能影响这个速率。
这些可能包括反应物的浓度、物理条
件例如反应物表面面积、温度、催化剂的存在与否、压力（如果反应
包含气体）、以及光等等。
反应速率可以通过研究产物或反应物的数
量（或浓度）的改变率来检测。
一个反应通常有其相配的催化剂，催化
剂能极有效地增加反应的速率。
不同于反应剂，催化剂在反应结束
时不会 （作化学上的） 改变。
有一类非常重要的催化剂，叫做酵素，
在生物中有举足轻重的重要性。
药品
3%双氧水、二氧化锰固体、碘化钾、溴化钾、三氯化铁，胡萝卜泥
等
实验器材
试管、胶头滴管
计算机、气体压力传感器及专用
试管、50 mL 量筒、移液管
实验操作
以双氧水自然情况下分解为参照，
分别在同浓度同体积的双氧水中
加入少量二氧化锰固体、碘化钾、
溴化钾、三氯化铁，胡萝卜泥等，
观察气泡产生情况
以双氧水自然情况下分解为参照，
使用气压传感器测定在同浓度同
体积的双氧水中加入少量二氧化
锰固体、碘化钾、溴化钾、三氯
化铁，胡萝卜泥等时产生气体的
情况
实验数据
学生主观判断，用“快”或“慢”
描述实验现象
以 P-t 图表形式
案例分析：
《催化剂间的竞争》作为一节拓展性课，教师指导学生围绕“催化剂”的
概念，设计实验方案，验证假设，经过多次实验探究，学生成功地发现了双氧
水分解的新催化剂—— KI 、 Fe2O3 ，进而又发现新问题：
为什么作为双氧水分
解的催化剂均含有氧元素？
是否因为反应过程中它们所含氧元素转化为氧气？
通过多次实验比较，学生得出更多可以用来促进双氧水分解的催化剂。
整堂课的反复重复双氧水分解的实验，不同之处就在于所添加的试剂不同。
按照传统实验的做法，在不同的试管中加入适量的同浓度的双氧水，然后分别
加入不同的催化剂，观察气泡产生的速率，判断催化剂效率的高低，总结记录
实验结果。
引入数字实验教学，基本步骤相同，但是对于不同催化剂的效率不
再是根据学生主观视觉判断，而是根据气泡产生的同时在试管内会造成一系列
压强，连接的气压传感器可以感受到这些细微压强的变化，在个人电脑的屏幕
上以 P-t 的图形出现。
4
案例二：
探究验证醋酸是弱电解质的实验方案（研究型课程）
三维目标
知识与技能：
通过实验的研究，对电离平衡、化学反应速率、盐类水解等相
关知识点有进一步的认识和巩固，并能运用于实践。
过程与方法：
一、运用传统实验与数字化实验手段对同一课题进行较为全面的探
究。
二、将弱电解质醋酸的某些性质与强电解质盐酸作比较，揭示强弱
电解质的本质区别。
三、学生发现问题，小组讨论，设计试验方案。
情感态度与价值观：
一、实验方案设计，学生多角度思维方式训练。
二、学生自己发现问题，提出问题，设计试验方案，并进行实践操
作，在提高学生解决化学问题能力的同时也锻炼了动手能力。
三、运用数字化实验解决实际问题，引导学生透过现象揭示事物变
化本质。
教学流程
提出问题：
0.1 mol / L 的盐酸
与醋酸的 pH 值分别为多少？
强电解质盐酸与弱电解
质醋酸电离的本质区别
提出问题：
如何用实验验
证醋酸是一种弱电解质
学生讨论
测定已 测定已 比较同 比较同 比较同浓 比较醋
知浓度 知 pH 值 浓度醋 度醋酸、 酸盐与
醋酸的 pH 值 醋酸与 酸与盐 盐酸与镁 盐酸盐
pH 值 醋酸的 盐酸的 酸的 条反应的 的
浓度 浓度 pH 值 起始速率 pH 值
比较这两种教学实验的效果，统实验对于学生的动手能力更有帮助，在通
过对于实验现象本身的观察中，找出效率较高的催化剂，但是往往靠个人感官
的判断有时难以得到精确的结果，再加上由于学生主观判断的差异性、不同催
化剂催化效果前后靠肉眼观察对比并不明显，最后可能无法实现最初设定的教
学目标。
而使用数字实验教学，则可以更好地提高学生对于实验结果的精确把
握，数字传感器可以感受到压强的细微变化，从而提高了学生分析数据，解析
图形的能力。
5
醋酸盐对
醋酸电离
等量水
等量水 的影响
电离平衡
比较同 比较同 稀释对 稀释对 的进一步
电导率 浓度醋 醋酸与 醋酸与 温度对醋
探究
醋酸与 酸与盐 盐酸 盐酸电 酸电离的
盐酸的 酸的电 pH 值 导率的 影响
浓度 导率 的影响 影响
盐酸、
醋酸滴
实验验证 定曲线
或
推论
小结
实验器材
及药品
酸碱度传感器、滴数传感器、电导率传感器、气压传感器、试管架、干燥大试
管若干、小试管若干、50 mL 小烧杯、500 mL 大烧杯、10 mL 量筒、50 mL 量
筒、玻璃棒、表面皿、砂纸、蒸馏水瓶、水槽、镊子、 pH 试纸、0.1 mol /
L 盐酸、0.1 mol / L 醋酸、0.05 mol / L 盐酸、0.05 mol / L
醋酸钠晶体、氯化钠溶液、醋酸钠溶液、镁条
用于探究推论的传统实验
用于探究推论的数字化实验
探究验证
推论的具
体实验
A. 使用 pH 试纸比较同浓度醋酸与
盐酸溶液的 pH 值
B. 用酚酞试剂或 pH 试纸测定醋酸
盐与盐酸盐的酸碱性
C. 用甲基橙试剂测定醋酸盐对醋酸
电离的影响
A. 使用气压传感器比较同浓度醋酸、
盐酸分别与镁条反应的起始速率
B. 使用酸碱度传感器、滴数传感器
比较等量水稀释对醋酸与盐酸
pH 值的影响
C. 使用电导率传感器、滴数传感器
比较等量水稀释对醋酸与盐酸电
导率的影响
D. 使用温度传感器、酸碱度传感器
测定温度对醋酸电离的影响
醋酸、酚酞、甲基橙、
案例分析：
此案例属于研究性课程。
研究性学习是一门课程，没有一定的模式，是在
教师的指导下，由学生自己选择和确定研究的课题或项目的设计，自己收集、
选择、分析信息资料，应用知识去解决实际问题的一种课程。
它的学习内容极
具综合性和开放性，因为对于一个实际问题，学生必须运用多个知识解决。
比
如此案例中验证醋酸是弱电解质的实验方案理论上不下十种，学生可以从电离
平衡、盐类水解、化学反应速率等角度验证了醋酸是弱电解质这一观点，如果
完全依靠传统实验，某些实验根本无法实现，而且在短时间内也无法实现所有
6
推论的验证，这样留给学生思考问题从而解决问题的时间就所剩无多了。
据数
字化实验与传统实验比较，由于学生在数据处理上的时间大大缩短，这就给学
生创造了多余空间，使他们在探索研究的投入的时间与精力都上大幅度增加，
而这正是符合二期课改研究性课程理念的。
图一 数字化实验与传统实验的比较图
但在整个研究性学习过程中，我们并没有完全依赖于数字化实验，而是采
用了传统实验与数字化实验相结合的方法。
传统实验经过多年的实践，也有其必然存在的经典价值，有些实验使用数
字化手段反而化简为繁，比较同 pH 值醋酸与盐酸的浓度、测定已知浓度醋酸
的 pH 值、比较同浓度醋酸与盐酸溶液的 pH 值、比较醋酸盐与盐酸盐的
pH 值等等这几种方案使用传统实验器材比如 pH 试纸、 pH 计甚至是酸碱指
示剂即可快捷地得出结论，使用数字化实验反而华而不实、欲速则不达。
但凡涉及到定量线形变化或电导率的实验，比如比较同浓度醋酸与盐酸的
电导率、比较同浓度醋酸、盐酸分别与镁条反应的起始速率、等量水稀释对醋
酸与盐酸 pH 值的影响、等量水稀释对醋酸与盐酸电导率的影响、用同浓度氢
氧化钠分别中和等浓度等体积盐酸与醋酸的滴定曲线、醋酸盐对醋酸电离的影
响、温度对醋酸电离的影响等等这些写实验方案我们就不得不借助于数字化实
验。
图二 同浓度盐酸、醋酸分别与镁条反应的起始速率
7
图三 同浓度同体积盐酸和醋酸同倍稀释后电导率变化曲线
图四 同浓度氢氧化钠分别中和等浓度等体积盐酸、醋酸的滴定曲线
8
传统实验
数字实验
联系
传统实验和数字实验在教学中是互补的角色，数字实验是某些
传统实验的补充和改进，起到的是共同促进课堂教学的作用。
区别
实验器材上的巨大不同以及实验课题选材的侧重点
实验器具
传统的实验器材，改进后新
颖的实验器材
电脑、数据提存器、各种可供选择的
传感器
实验效果
经典实验不可替代，但其它
一些实验方法陈旧、延续时
间长、数据处理繁琐、可信
度差
可以完成原有实验手段不可能完成的
实验。
极大地扩展了实验的可视性和
可重复性，以往肉眼看不见的实验现
象，可以借助数字视频技术在时间和
空间上的扩展可以清楚地采集下来反
复观察。
在采集数据上，数字实验可
以更快更准确地得到实验数据，提高
课堂效率。
实验带来
的思维方
式
大多实验步骤预先设置，学
生只能“按图施工”，缺乏
独立思考和创造性活动，好
多仅仅是技能的训练，对于
学生的质疑没有起到一个很
好的铺垫作用。
因为没有可参照的案例，所以给学生
提供了很大的思考空间，学生可以在
有理论知识的基础上选择器材设计实
验，特别是实验得出的数据、实验图
像会给学生以思维的刺激，激发学生
去思考、去讨论，培养了学生自主探
究的精神。
对学生能
力的培养
动手能力、观察能力、数据
分析能力
在培养学生动手能力的基础上，尤其
质疑能力
课堂效果
缺乏一定的互动性
教师可以通过屏幕监控及时地了解学
生的接受知识的情况，实验的完成情
能够比较准确地把握课堂的动态，使
师生的交流更为充分，大大提高了授
课效果。
综上所述，因此数字化实验只是互补于传统实验的一种手段，我们应将两
者很好的整合，
通过将近一年具体操作实践过程中的积累，小组成员就数字化实验与传统
学生实验的教学比较结果如下：
培养的是学生的读图能力、分析能力、
况，学生参与讨论的积极性情况等等，
9
案例一：
固体表面积对化学反应速率的影响（基础型课程）
传统实验
数字化实验
实验目的
研究固体表面积对反应速率的影响
实验原理
除参加反应各物质本身化学性质以外，还有许多因素均可能会对化学反应
速率产生一定影响，这些因素包括反应物的浓度、物理条件例如反应物表面面
积、温度、催化剂的存在与否、压力（如果反应包含气体）、以及光等等。
化
学反应速率可以通过研究单位时间内产物或反应物的数量（或浓度）的改变率
来检测。
在这个实验中, 大理石与盐酸反应生成二氧化碳，通过使用气体压力传感
器, 这个反应的变化率可以由在一个附上的反应容器的压力的增加被测试。
通
过改变反应物的颗粒大小, 我们可以研究浓度对反应速率的效应。
药品
0.5 mol / L 盐酸、碳酸钙粉末、块状碳酸钙固体
实验器材
试管、100 mL 针筒、计时工具、钻孔
橡皮塞、50 mL 量筒
计算机、气体压力传感器及专用试管、
50 mL 量筒
实验步骤
1. 将 4g 碳酸钙粉末装入干燥的专用试管中。
2. 用 50 mL 量筒量取 25 mL 0.5 mol / L 盐酸，放在一旁备用。
3. 将 25 mL 0.5 mol / L 盐酸倒入专
3. 预备气体压力传感器采集数据，
（四）学生数字化实验对高中化学教学的实践价值。
在高中化学教学中开展学生数字化实验必将对传统的教学理念、教学手段、
教学模式带来很大的冲击与革新。
教学理念：
学生数字化实验的引入凸显二期课改的教学理念——以学生为
本，学生自助设计、操作实验的机会多了，注重学生为主体的实践过程，培养
学生创新思维、发现问题、提出问题和解决问题以及搜集处理数据等各方面的
能力，改变传统教学忽视科学探究过程只求死记硬背的学习方式，在学生切身
体会科学探究的过程中，让其体会到学习的乐趣以及对科学探究的精神的领悟，
增强科学方法意识，更可实现学科内以及学科间的整合，甚至是与实际社会生
活的融和。
教学手段：
数字实验的出现，也随之带来教学手段的革新，更有了多的教
学手段的组合，比如数字实验、传统实验整合教学；单一的数字实验演示教学；
学生数字实验教学，包括学生改进、自行设计实验等等。
教学模式：
新的教学途径的介入，必将引发更多教学模式的产生，比如以
“实验的数形”作为引入，整堂课以“学生讨论、分析、深入、总结”的模式；
比如由传统实验和数字实验的共同辅佐，以“比较法”渗入教学，进一步强化
知识点的掌握；比如实验探索模式，某些课题有了数字实验的介入，可以使探
究的过程更加完整，毕竟数字实验在某些层面还有着拾漏补缺的作用，学习的
完整性得以很好的体现。
在此，笔者选取两个案例加以说明。
10
用试管，插上连接 100 mL 针筒
的橡皮塞。
4.每隔十秒记录针筒内气体体积。
5.用 4g 块状碳酸钙重复上述实验。
将开始采集的条件定为压力在
135kPa 以上。
4. 将 25 mL 0.5 mol / L 盐酸倒入专
用试管，开始采集数据。
5.用 4g 块状碳酸钙重复上述实验。
实验数据以 V-t 表格形式以 P-t 图表形式
案例分析：
在该案例中，数字化实验与传统实验在三方面有比较明显的区别。
第一，从实验器材角度，传统实验前期准备较数字实验略显繁琐。
1234
图五 固体表面积对化学反应速率的影响数字化实验装
置图
统实验通过人工采集几个特殊时间点产生的气体体积数据，由于时间与目测针
筒显示气体体积这一环节需要较为精密的配合，很容易出现失误。
此外，药品
的取量也个非常关键的问题，倘若药品取少了，针筒内气体体积前后变化不明
显，不利于观察记录，而药品取多了又可能造成起始阶段变化过于迅速，在选
择时间点上难以掌握或者说容易错失最佳数据的采集点。
而数字实验的这一环
节全由电脑掌控，数据采集器不仅能采集某个时间段的实验数据，更可精确到 0.1
秒乃至更为精细的时间单位，这样所采集的数据较为全面，更为客观科学，整
个实验变化过程中，学生的注意重心更多的是放在由电脑屏幕呈现出的 P-t 曲线
变化，而不是忙于记录各种数据，数字实验更可反复多次，最终得到最为理想
的实验数据。
第三，实验数据的记录输出方式的不同对于学生观察现象、考虑问题的角
度、研究问题的方式方法以及最后对整个知识点的掌握均产生不同的影响。
传统实验以表格形式呈现：
t（s）10203040
V（ CO2 ）
11
案例二：
强弱电解质的鉴别（基础性课程）
传统教学
渗入数字实验的教学
教学目标
1、 借助常规实验手段，通过
实验现象的直观表现，鉴
别强弱电解质理解透彻强
弱电解质的本质区别
2、 理解透彻强弱电解质的本
质区别后，设计出各种可
知识与技能：
1、掌握借助常规实验和数字实验鉴别盐酸
和醋酸的方法
2、学会根据数字实验的结果分析问题，最
终归纳到强弱电解质的本质问题。
过程与方法
学生从该表中了解某一时间点的化
学反应速率，通过计算求得平均反
应速率，但由于给定的时间点并不
全是采集数据的最佳时间点，再加
上具体实验操作过程中出现的失误，
最后得出的结论偏差会很明显。
数字实验以电脑输出图
升级会员 