在化学教学中优化整合传统实验与数字化实验
陆大勇
（南京市建邺高级中学，江苏南京210019）
摘要：当前，数字化实验研究成果众多，但在高中实际教学中应用率不高。数字化实验与传统实验各有优缺点，教师在教学实践中要根据教学目标采用取代、保持、融合等方式来优化整合传统实验和数字化实验，使其发挥各自的作用，体现实验的科学价值和教育价值。
关键词：传统实验；数字化实验；优化整合
文章编号：1004-2326（2018）12-0003-02
随着信息技术在科学研究和日常生活中的广泛应用，实验的数字化研究也在各层面上走向深入，在中国知网上以“数字化实验”为关键词检索，可检索出近19万篇论文。2007年至今，每年均有万篇以上论文在进行这方面的研究。
但是，笔者在实践中观察到，数字化实验存在研究和应用两层皮的情况，即相关研究层出不穷，但各地的数字化实验室应用率却不高，教师更倾向于通过传统实验来完成教学。这一方面是由于对新生事物的接受需要一段时间，另一方面，不应忽视的是传统实验依然有着鲜活的生命力。化学科学在近代发展以来的三百多年的历史中，传统实验发挥了重要作用，即使在现代化的化学实验室中，研究人员使用的实验方法也离不开高中化学传统实验的基本原理和方法。在高中化学学习的起始阶段，传统化学实验依然具有实践价值和教育意义。因此，在高中阶段，教师需要优化整合传统实验和数字化实验，发挥其各自的作用，体现实验的科学价值和教育价值。根据吴俊明教授的分类，根据实验目的，化学实验可分为科研化学实验和教学化学实验[1]。笔者下面重点研究教学化学实验。
1.传统实验与数字化实验比较
实验是教学系统中的要素之一，要整合传统实验和数字化实验，必须要对这两种实验的特点进行了解。表1从物、人、实验方案、呈现方式等角度对传统实验与数字化实验进行比较。
2.优化整合的实践
根据系统论观点，系统最优化是指系统整体功能最优化，其整体功能一定大于几个要素功能的综合。同时，一个要素在系统中的价值，不应以其本身的好坏作为评价标准，而应视其究竟能否优化整体作为标准。
巴班斯基提出教学过程最优化原则，这条原则要求从教学过程可能有的一些方案里，有意识地选择一种方案，只要师生能够合理付出时间和精力，在相应条件下，这个方案就能保证教养、教育和学生发展三项任务的完成，收到可能取得的最大效果[2]。根据上述原则，将数字化实验和传统实验整合可以有以下几种方式。
2.1原理探究型实验，使用数字化实验替代传统实验
以量化为基础的实验以及数字化实验测量的数据，能引发学生的思考，更具思维价值和教育价值，此类实验可用数字化实验替代传统实验。
例如，铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的对比，传统实验现象不清晰，通过数字化实验测量pH和压强，可以很好地理解析氢腐蚀和吸氧腐蚀的区别。庞玉玺等人对此有专门论述[3]。
又如，长久以来，学生对于CO32-与H+反应的分步进行不了解，记不住。2016年江苏省学业水平测试（必修）科目卷的26题，就对SO2通入Na2CO3溶液中每阶段溶液中离子成份进行了考查，区分度很高。笔者设计了一个数字化实验装置（图1），学生通过观察数据变化，较好地理解了这个问题。
本实验使用了pH传感器和CO2传感器，pH传感器插入有通入SO2的Na2CO3溶液中，CO2传感器插入空试管中。
学生观察前的认识是溶液pH减少，持续生成CO2。学生通过对图2观察，看出虽然开始时溶液的pH下降，但并没有CO2气体生成，原因是CO32-和H+反应有阶段性。
2.2典型实验现象类，保持使用传统实验
高中有很多实验的实验现象非常明显，如Na和H2O反应、Fe3+和KSCN反应、AlCl3和NaOH反应、Al2(SO4)3和氨水反应、铝热反应、黑面包实验等。
这类实验速度快、现象明显，其教学价值很明显。此类实验没有必要使用数字化实验替代，应该保持使用传统实验。
2.3基本实验技能类，保持使用传统实验
化学实验能力由多种要素组成，在高中阶段，实验操作能力和使用仪器的能力需要实践培训。因此，有实验技能要求的，如蒸发、蒸馏、萃取、一定物质的量浓度溶液的配制等，要继续使用传统实验来锻炼学生的实验基本技能。
2.4使用数字化设备探究传统实验的最优条件
在部分传统教学实验中，由于在现行研究水平下实验过程不清晰，实验机理不明确，导致对于实验现象的解释出现争议。
例如，在Cu和浓H2SO4的演示实验中，不可避免地会出现黑色物体，关于黑色物体成分的探究已经超出高中教学的范畴。对演示实验中的这种现象，如果教师解释，就会对受时间和空间限制的课堂节奏和教学主题造成冲击。
笔者用数字化设备温度传感器和光度传感器对Cu和浓H2SO4反应进行持续观察，通过对光度传感器和温度传感器数值变化的对照，发现黑色物质主要出现在温度140℃～240℃时。根据观察结果，笔者设计实验，先将浓硫酸加热至240℃，再加入少量Cu片，基本无黑色物质生成。
2.5在研究性学习中，使用数字化实验培养学生的设计实验能力
通过对数字化实验设备的初步学习和使用，培养了学生设计实验、处理实验数据的能力。
例如，笔者指导的研究性学习小组对于教室通风状况的研究。在冬天和夏天，学生喜欢门窗紧闭，享受空调带来的温暖和凉爽，但同时也造成室内空气质量的恶化，有些学生上课时昏昏欲睡。研究性学习小组的学生通过对教室内空气中O2含量和CO2含量的持续观测，设计了对照实验，进行不同时间点、不同通风方式的测试，最终得出结论并形成调查报告。研究性学习小组的学生还通过制作展板的形式进行宣传。不少班级的学生都采纳了他们的建议，改善了教室的空气质量。
在此过程中，学生自主设计实验方案，收集、处理实验数据，锻炼了实验能力。
3.结论与反思
3.1数字化实验是对传统实验的必要补充
数字化实验以其直观、精准、多样的数据采集技术，弥补了在传统实验过程中，读取数据不方便、不准确的短板。数字化实验能完成很多传统实验无法完成的任务，特别是在由定性走向定量研究的过程中，数字化实验更是不可或缺。
3.2数字化实验技能是教师、学生必须掌握的专业技能
现代信息技术高速发展，实验的数字化潮流是大势所趋。随着传感器价格的不断降低，物联网技术的持续发展，数字化实验必然逐渐普及。作为文明传承的责任者教师和未来社会建设的主力军学生都应掌握数字化实验的相关技能。
3.3数字化实验需要有阶段、有规划地纳入教材体系
要更好地使用数字化实验，除加强深度融合外，还需要行政力量的推动。据问卷调查，上海89%的教师对数字化实验系统各模块和功能的熟悉程度高于60%[4]，这项指标远超过笔者所在的南京地区。这与上海自2002二期课改规划以来，不断推进数字化实验进入学校分不开，也与上海地方教材和高考试题中出现数字化实验的相关内容分不开。
因此，将数字化实验有阶段、有规划地纳入教材体系是推动数字化实验发展的关键。
3.4针对不同教学目标，制订不同方案，发挥数字化
实验和传统实验各自的优势传统实验和数字化实验各有优缺点，在实际教学中应该根据教学目标，灵活应用，使用替代、保持、融合三种策略，以期发挥数字化实验和传统实验的各自优势，实现教育教学效果的最优化。
参考文献
[1]吴俊明.中学化学实验研究导论[M].南京：江苏教育出版社，1997：7～8.
[2]巴班斯基.教学教育过程最优化——方法论原理[M].赵维贤，译.北京：人民教育出版社，1985.
[3]庞玉玺，汪嵘，唐其生.运用手持技术探究铁的吸氧腐蚀——初高中衔接之金属腐蚀[J].化学教与学，2016（5）：95～97.
[4]薛耀锋，祝智庭，陈汉军，陆李杨，王美.上海市中学数字化实验教学现状抽样调查与分析[J].中国电化教育，2013（1）：88～93.
