初中化学数字化实验教学的实践与思考

李婷婷

［摘 要］数字化实验可填补教材实验教学空白，同时揭示相关化学原理，在一定程度上改变学生的学习方式，有利于实验探究教学的深层次发展。文章以江苏省初中化学实验说课比赛一等奖“二氧化碳和二氧化硫对雨水pH的影响”一课为例，探究数字化实验在初中化学实验教学中的应用。

［关键词］数字化实验；初中化学；雨水pH

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）23-0064-03

《义务教育化学课程标准（2022年版）》中强调化学课程要培养学生“科学思维”和“科学探究与实践”的核心素养，使学生学会通过一定的技术手段完成综合实践活动和解决真实情境问题。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010－2020年）》中指出：信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视。近年一些版本的化学教材和南京市中考化学试卷中均出现了数字化实验的内容。为了让学生尽快适应，笔者潜心研究，试图用数字化实验来填补教材中一些实验的教学空白。借着江苏省初中化学实验说课比赛的机会，笔者用数字化实验方式对影响雨水pH的因素进行了研究。教学实践表明， 数字化实验具有面向全体学生、结果立现、表征新颖、数据可以保留和可以重复使用等优点，可使学生更关注实验，学习更主动，交流讨论更活跃，观察和分析图表的能力有所提高，营造了使学生乐于探究、敢于质疑、勇于创新的课堂教学氛围。

一、数字化实验设计缘由

“二氧化碳和二氧化硫对雨水pH的影响”探究实验出自人教版化学教材九年级下册第十单元课题2第三部分内容“溶液酸碱度的表示法——pH”。在分析2020年南京市高淳区二模试卷时，有学生对其中的一道数字化图像题提出了疑问：把二氧化碳不断通入水中，最后溶液的pH大约是5.6吗？学生之所以会有此猜测，是因为教材中把pH=5.6作为划分正常雨水和酸雨的临界值，且教师讲解过雨水呈酸性的原因主要是空气中的二氧化碳溶于水所致。基于此，笔者意识到这是个用数字化实验填补教材实验教学空白的大好契机。

笔者仔细翻阅教材发现，“调查与研究”栏目要求学生测定最近一段时间本地区雨水的pH，并绘制时间-pH关系图，以判断本地区是否已经出现酸雨。该课后调查与研究旨在让学生通过科学探究，学会根据雨水的pH判断雨水是正常雨水还是酸雨，从而实现深度学习。但教材中对酸雨的判断依据没有具体解释，易使学生产生认知困难。于是，笔者开始尝试带领学生采用数字化实验的方式进行相关探究，并把二氧化硫对雨水pH的影响一同设计进去，以加深学生对此知识的理解。

二、数字化实验设计与实施

数字化实验要解决两个问题：1.把二氧化碳不断通入水中，当溶液pH不再发生变化时，此时pH为5.6吗？2.不同浓度的二氧化碳和二氧化硫对雨水pH的影响程度如何？这两个问题的提出明确了接下来探究的方向，为学生的自主探究、广泛体验、合作与交流提供了机会。

（一）实验原理与方案

为解决上述两个问题，根据实验原理进行以下方案设计：利用自制实验用品和pH传感器，将不同浓度的二氧化碳和二氧化硫通入水中，得到时间-pH变化曲线，分析曲线上的数据信息，对比、总结得出二氧化碳和二氧化硫对雨水pH的影响。具体可分为两个数字化实验。

实验一：向水中不断通入二氧化碳，用pH传感器测量溶液pH的变化，得到pH-时间的变化曲线，读取pH。

实验二：向等量水中分别通入30 mL二氧化碳和二氧化硫，待充分反应后，再通入30 mL二氧化碳和二氧化硫，用pH传感器测量溶液pH的变化，最终得到pH-时间的变化曲线。

（二）实验药品

根据实验原理，需要制取二氧化碳和二氧化硫。实验室制取二氧化碳一般使用大理石和稀盐酸，然而学生通过讨论得出采用该方法得到的二氧化碳气体中容易混入氯化氢，会影响pH的测定，所以改用稀硫酸。但是用稀硫酸和大理石块反应，不易快速收集到足够的二氧化碳，这引发学生再度思考，最后通过讨论得出用大理石粉末和稀硫酸来制取二氧化碳，这样既排除了氯化氢的影响，又解决了反应速率的问题。二氧化硫气体的制取则选用的是稀硫酸和亚硫酸钠。

（三）实验装置

气体发生装置由反应药品的性质来决定，收集装置则由气体的性质来决定。二氧化碳和二氧化硫气体都可以用向上排空气法来收集，但考虑到气体的纯度问题，用排水法可能更好。但二氧化碳和二氧化硫都溶于水，怎么解决这个问题呢？学生集思广益，想到了在水的上方加一层植物油的方法。气体的发生和收集装置如图1和图2所示。

此套装置不仅操作简便，还可以防止气体进入空气污染环境，更渗透了环保理念。

在设计实验一和實验二的过程中考虑到气体的溶解速率的问题，增加了磁力搅拌器。实验一的实验装置如图3所示。为了研究相同体积的二氧化碳和二氧化硫对溶液pH的影响，实验二中需要让等量的气体同时加入到等量的水中。为此，学生自己动手设计实验装置，并在此过程中充分调动自身的探究积极性，提升解决问题的能力。学生群策群力，设计出如图4所示的推板装置。另外，为了起到平衡气压的作用引用了长颈漏斗（如图5）。

（四）实验过程

在课堂上教师进行实验演示，并引导学生对数字化实验形成的曲线进行分析。在实验一中学生发现反应刚开始的一段时间内pH没有变化，是因为一开始进入水中的是发生装置内的空气；一段时间后pH开始下降，是因为二氧化碳溶于水形成了碳酸；当二氧化碳溶于水达到饱和状态时，pH几乎不再发生改变，约为3.9（见图6）。这样分析无形中锻炼了学生的图表分析能力。

在实验二中，使用自制的推板装置以达到讓等量气体同时加入的目的。每次30 mL这个量的确定是课前经过反复尝试得出的，以使学生能够明显感知不同浓度的气体对pH的影响。首先往两个集气瓶中同时加入30 mL的二氧化碳和二氧化硫，待曲线数值几乎不再发生变化时再加入30 mL的二氧化碳和二氧化硫，待曲线数值几乎不再发生变化时停止实验，得到如下曲线（如图7）。

（五）实验结果

由实验一可知，不断把二氧化碳通入水中，最终测得的pH并不是之前所猜想的5.6，而是3.9。如此具象的呈现一下就激发了学生的学习兴趣和主动性。学生开始纷纷讨论为何不是5.6。经过交流和思维的碰撞，学生总结出了其中原因：本实验是在水中不断地通入二氧化碳，使二氧化碳在水中达到了饱和状态，而自然界中的二氧化碳含量约为0.03%，在雨水中并没有达到饱和状态。至此，第一个问题迎刃而解，同时也生成了另外一个问题：为何正常雨水的pH约为5.6呢？由于此知识点超出了初中生的知识范畴，教师提供资料以辅助学生分析：把pH=5.6作为划分酸雨的界限是科学家于1962年提出的，因为10 ℃时自然界大气中的CO2 浓度约为 300 ppm， 当它和雨水充分接触达到平衡时，雨水的 pH 约为 5.6。因此，人们常用降水的pH=5.6为标准来判断大气是否受人类活动的影响，并作为划分酸雨的界限。通过资料的辅助，学生能更好地理解有关雨水pH的相关知识。同时，在解决问题的过程中，学生了解了科学探究的基本过程，提高了对科学探究的兴趣。

分析实验二的pH变化曲线可以得到以下信息：1.等体积的二氧化硫和二氧化碳溶于等量水中时，二氧化硫溶于水形成的溶液的pH更小。2.二氧化碳、二氧化硫溶于水中，浓度越大，溶液的pH越小。

实验结论：二氧化碳和二氧化硫会让雨水的pH变小；在其他条件相同的情况下，二氧化硫对雨水的pH有更大的影响，并且浓度越大，pH越小。

此结论使学生认识到在日常生活中要控制二氧化碳和二氧化硫气体的排放，保护环境，由此增强了环保意识和社会责任感。

三、数字化实验反思评价

初中化学人教版教材中除了8个实验活动，还有很多知识点可以实验教学的方式进行传授，以帮助学生更好地理解。教材中对二氧化碳和二氧化硫影响雨水pH的知识没有具象解释，使学生产生了认知困难。本实验探究补充了教材在此知识点上的实验教学空白，同时采用数字化实验技术揭示相关化学原理，从而达到了以下实验教学效果。

1.有效突破难点。本实验探究补充了教材在此知识点上的实验教学空白，且数字化实验具有可视化、直观性等优点，可有效帮助学生突破认知困难，解决疑惑。

2.创新实验装置。本实验装置具有创新、简单、实用、易操作等优点。

3.注重能力培养。教学过程注重培养学生的创新意识以及观察和分析图表的能力，帮助学生认识新事物、掌握新方法、形成新思维，发展学生的学科核心素养。

本数字化实验通过多媒体交互系统收集数据、处理数据并描绘图线，对于复杂的数据处理更为高效和便捷，更重要的是能够面向全体学生，让学生更加关注实验及其变化过程和结果分析。研究表明，采用数字化实验可以进一步激发学生的学习兴趣和探究热情，加深学生对化学概念的理解，提升学生的图像认知能力，增强学生的团队合作意识，为中学化学实验教学提供更多途径。数字化实验教学使得课堂教学更加多元化，学生的思维更加活跃，促使学生养成敢于质疑、勇于创新的科学品质，培养学生“科学探究与实践”“科学思维”等核心素养。

本次数字化实验教学荣获江苏省初中化学实验说课比赛一等奖。这也启发了笔者，作为一线教师不仅要做到熟悉教材，更要去研究教材，发掘其中可探究的部分，采用合适的教学方式去引导学生思考，在教学过程中渗透学科素养的培养，引导学生体验科学探究的过程，启迪学生的科学思维，培养学生的实践能力，进而促使学生理解科学的本质，提高科学素养。

［   参   考   文   献   ］

［1］  中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准：2022年版［M］.北京：北京师范大学出版社，2022.

［2］  钟仁梅.话“酸雨”［J］.中学化学教学参考，2019（4）：54-55.

［3］  王栋.酸雨教学实验的新设计［J］.化学教学，2018 （10）：69-72.

［4］  毕吉利，吴晓红.手持技术和模型发现教学模式在“酸雨的形成”教学中的应用［J］.化学教育，2013 （9）：24-29.

［5］  刘静.数字化实验应用于初中化学实验教学的思考［J］.中学课程辅导（教师通讯），2019（10）：28.

［6］  梁锡.数字化实验在初中化学教学中的应用［J］.教育信息技术，2016（3）：51-52，80.

（责任编辑 罗 艳）