中学化学数字化实验教学研究.docx

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中学化学数字化实验教学研究

提供全套毕业设计，各专业都有

学科分类号150

本科毕业论文（设计）

题目中学化学数字化实验教学研究

姓名学号1008040540029

院（系）化学与生命科学学院

专业化学年级2010级

指导教师职称副教授

二○一四年五月

贵州师范学院本科毕业论文（设计）诚信声明

本人郑重声明：

所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

本科毕业论文作者签名：

年月日

摘要

本文在介绍中学化学数字化实验系统及传统实验教学的基础上，对数字化系统的应用及与传统化学实验相比而显示出的优势进行了四大方面的论述;中学化学数字化实验使许多定性实验转变为定量实验成为可能；中学化学数字化实验更加适合现代新课标下的探究性实验的开展；中学化学数字化实验能够更好地弥补传统化学实验的一些不足之处；以及中学化学数字化实验可操作性、可重复性、时效性等方面更具有优势；然而在我省，尽管数字化实验具有很多传统实验无法比拟的优势，但是中学化学数字化实验不能完全代替传统化学实验，它与传统化学实验可优势互补、相得益彰。

关键词：

化学;数字化;数字化实验;教学

Abstract

Thispaperintroducesthedigitalexperimentsystemandthetraditionalmiddleschoolchemistryexperimentteachingonthebasisoftheapplicationofdigitalsystemandcomparedwiththetraditionalchemicalexperimentandshowstheadvantagesofintroducedinfouraspects;Digitalexperimentmiddleschoolchemistrymadeitpossibletomanyqualitativeexperimentintoquantitativeexperiment;Middleschoolchemistryexperimentismoresuitableformoderndigitalunderthenewstandardofthezeteticexperimentscarriedout;Digitalhighschoolchemistryexperimentcanbettercompensateforsomeshortcomingsoftraditionalchemistryexperiment;Aswellasthemiddleschoolchemistryexperimentmaneuverabilityandrepeatabilitydigitalmoreadvantages,timeliness,etc;However,inourprovince,althoughdigitalexperimenthasmanyincomparableadvantageovertraditionalexperiments,butthemiddleschoolchemistrydigitalexperimentcannotcompletelyreplacethetraditionalchemicalexperiment,itwiththetraditionalchemicalexperimentcanbecomplementaryadvantages,complementeachother.

Keywords:

Chemistry;experiment;teachingofdigital;digital

引言

中学数字化实验系统是由本身的系统软件、数据采集器、传感器组成，将数字温度计、pH计、电导率计、分光光度计等整合为一体后将化学反应和现象的本质转化为可监测的信号，再以图表的形式呈现在计算机屏幕上，从而帮助人们更深入地研究化学现象和反应的本质和规律，具有先进性、便捷性、实时性、准确性、综合性以及直观性等显著特点。

使用化学数字化实验系统可以使一部分常规的实验变得简单，同时能很大程度降低实验教学过程中的难度；数字化系统在对理论性课堂教学、学生自主研究性学习以及探究验证性学习等方面也都有很大的帮助。

中学化学数字化实验是社会进步的需要，是化学实验教学现代化的一种体现形式，它能更好地培养学生具有适应未来信息社会需要的创新能力、动手操作能力和思维想象能力，对此课题的研究还能客观地认识到传统的化学实验与现代的数字化实验之间的利弊问题。

此外，随着科学技术的快速发展，许多国外的学校已经依托现代的数字化技术来实现一些对学生来说难度较高的实验教学，因此，不论是在提高国内的化学教育质量还是要大力发展中国的数字化实验教学，研究中学化学数字化实验这一课题已经成为大多数教育工作者的必要任务；再者，鉴于我省目前的中学化学教学质量仍处于一个相对落后，中学化学实验仪器和基本操作仍停留在十九世纪末二十世纪初的水平的现状，而今一门先进、高效的教育技术—中学化学数字化实验教学在全国各地迅速推广，为了使我省的中学化学教学的步伐跟上将先进的科学技术的引进教育教学及科学发展的节奏，对中学化学数字化实验的研究具有不可忽视的必要性。

作为一项先进的技术引入课堂教学中甚至在课堂教学中的广泛应用，必然是个长期的过程，需要研究和解决的问题还很多。

本文将围绕中学化学数字化实验教学在中学化学教育教学中的几大优越性方面的内容进行论述：

1中学化学数字化实验使许多定性实验转变为定量实验成为可能

在以往的传统实验在操作过程中，虽然能体会和观察到实验过程中出现的现象，但是那往往是学生的感性认识或者直接感知现象的存在；假如我们将数字化实验的传感器，数据采集器以及处理数据的计算机运用到实验当中，那么在实验过程中出现的各种参数变化就会以数据集表格和图像的形式呈现在我们的眼球里，并且还能通过计算机的分析和处理得出更加细致的实验数据[1]，如此一来，我们就能获取到实验过程中可能出现的某些超出人能感知的范围的细微变化的数据，因为人的感官和感知是有局限的，那么，下面笔者就如下实验案例来具体说明。

例如在研究化学反应的过程中能量的变化时，我们选取中和热的测定实验来进行具体分析：

中和热的测定实验（探究型课程）

传统实验

数字化实验

实验

目的

化学反应伴随着能量的变化，是化学反应的一大特征，酸与碱的中和反应，同样是一类重要的化学反应。

通过实验弄明白中和反应是吸热反应还是放热反应，培养学生探究能力。

实验

原理

强酸与强碱的实质是：

酸与碱发生中和反应，生成1

/

水时，所放出的热量称为中和热。

药品

1

/

盐酸、1

/

氢氧化钠溶液

实验

器材

量筒、烧杯、温度计

计算机、数据传感器、温度计传感器

实验操作及步骤

1、分别配置1

/

盐酸、1

/

氢氧化钠溶液各50

。

2、分别取上述两种溶液各20

，同时加入50

的烧杯中，并先用手抚摸烧杯外壁再用温度计测量溶液的温度，观察其变化情况。

3、记录问的温度变化的数据。

4、实验分析及总结。

1、分别配置1

/

盐酸、1

/

氢氧化钠溶液各50

。

2、将准备好的数据采集器与电脑连接，并将温度传感器与数据采集器连接并检查好接触，同时将温度传感器置于一50

干净的烧杯中固定好，观察计算机屏幕，并设置数据采集为每秒采集10个数据，共采集1000个数据。

及图像显示和校准好温度。

3、分别取上述两种溶液各20

，同时加入50

的烧杯中，并在计算机上点击开始采集数据。

4、数据及图像的保存。

实验

数据

学生主观感觉烧杯有热量产生

以表格及t-T图像形式

由上述实验可知，从传统实验中学生仅仅能通过感觉及主观认识认为烧杯外壁有热量产生，亦即是烧杯内实验有热量的放出，但是对于有多少热量产生及在反应一段时间后热量的变化情况等一无所知，又假如实验过程中放出的热量极小不足以使人能够在烧杯外壁感觉到，用温度计测量的变化也不明显，那么学生又如何去了解此实验是吸热反应还是放热反应，难道只能靠书本理论来检验这些问题吗，当然，对比一下此实验的数字化实验的效果：

实验数据每秒采集10个温度数据，共采集1000个数据，并同步将采集的数据绘制成图像显示与计算机屏幕上，如图示：

图1.1中和热的测定数据图谱

此实验温度数据采集前温度为17.5摄氏度，开始反应后温度上升至22摄氏度，反应结束后温度不再改变。

由此数字化实验结果可知传统的定性实验可通过数字化设备来像定量实验过渡，因为它能够直观地将实验过程中产生的客观实际的热量以温度变化的实际数据采集后并绘制成图像呈现在学生的眼前，并且学生能够从t-T图像上读出很多传统实验中不能够掌握的数据，例如反应前温度是多少，反应过程得一中又变化了多少，整个反应过程是吸热还是放热等问题均可以一一准确直接地解答，而不是通过主观臆测有多少，变化多少，靠书本理论去判断是吸热反应还是放热反应；因此，数字化实验使学生避开了走主观感觉及主观认识这条路线，而依靠数字化实验设备解决了传统实验过程中不能够定量的数据问题，不仅数据准确而且直观，同时更具有科学性。

可想而知，中学化学数字化实验设备能使许多定性实验转变为定量实验成为可能。

2中学化学数字化实验更加适合现代新课标下的探究性实验的开展

根据义务教育化学课程标准，主要对科学探究的内容和学习目标从四个方面提出具体要求；分别是对科学探究的理解、发展科学探究能力、学习基本的实验技能及完成基础的学生实验[2]。

其中在增进对科学探究的理解中就提到学生要认识到科学探究可以通过实验、观察等多种手段获取事实和证据，认识到科学探究既需要观察和实验、又要进行推理和判断;那么，在进行实验及收集数据的过程中，传统的实验过程中难免会遇到这样或那样的难题，加之繁琐的步骤、复杂的数据收集及处理等高难度的操作，作为义务教育阶段的学生还有去将正在进行的实验可能产生的问题考虑清楚吗？

还会有清晰的思路和发散的思维去探究是否还可以将参加反应的物质替换后会不会出一样或者不一样的实验现象及结果呢？

面对以上问题，采取数字化实验方案就可以一一的避开了上诉问题。

首先，数字化实验只需要简单的对应的数据传感器及计算机及简便常用的化学实验仪器即可完成实验的装置组装；其次，数字化实验本身就具备一套采集数据及处理的设备，且实验结果能更加清晰、直观地通过计算机处理后呈现在学生的面前；并且，步骤简单、清晰，实验时间短，结果准确数字化实验能为学生节省出更多的时间去进行实验的探究及拓展;最后，对于探究性试验采取数字化实验进行探究，可有效地实施，在较快时间内就能得出结果，就有更多的时间去讨论或解决更多的问题和重复实验。

由此，轻松而又能独自操作且实验效果明显的数字化实验更能够吸引学生的实验兴趣，更能够实现科学探究学习的目标，因此，中学化学数字化实验更加适合现代新课标下的探究性实验的开展。

3中学化学数字化实验能够更好地弥补传统化学实验的一些不足之处

在教学方式逐渐由传统实验教学向运用现代科学设备进行数字化实验教学的今天，传统实验虽然一直贯穿在整个化学实验教学的过程中，但是，传统的实验方法仍然有许多不足之处暴露无遗，例如，传统实验在实验现象的呈现上往往表现得很模糊不清，实验结果也往往差强人意，事半功倍，但是引进数字化实验后，许多实验的结果都以图形、表格的形式清晰、直观地呈现在我们的面前[3];又如许多的实验往往需要记录十多个甚至几十个数据，有的甚至还要限定实验数据记录的时间，这难免会给实验结果带来很多的偶然误差，最后还得花时间处理收集和记录的数据，有的甚至还得亲自制作表格，绘制曲线图谱等过程；如此一来整个实验就得花费掉很多的时间，这无疑只能增加学生自己动手的能力却不能充分发挥学生的思维及发现问题、解决问题、进行探究式学习不足之处等方面的能力，那么，用数字化实验就能够有效地解决这些传统实验的不足之处。

4中学化学数字化实验在可操作性、可重复性、时效性等方面更具有优势

在传统实验与数字化实验的步骤以及实验过程中，实际操作永远是最重要的环节，例如在研究碱溶解与碱溶液的pH变化的传统实验过程中，首先涉及的步骤是溶解碱，再是测定pH值，最后是总结变化规律，也就是学生要一手加固体氢氧化钠，一手均匀搅拌，还得时刻关注pH的变化，那么如此操作得到实验结果是否准确就不言而喻了;假如我们引进数字化实验设备，先将pH温度传感器与pH传感器置于盛有少量水的烧杯中，再慢慢加入氢氧化钠固体，那么此时计算机屏幕就会呈现出两条逐渐上升的实验曲线，同时在表格中还实时显示温度与pH值的数据变化情况[4]。

那么就两者的可操作性对比一下就优劣可见了;另外，有些实验在步骤上和过程上相当的繁琐，（比如在探究验证醋酸是弱电解质时，传统实验的步骤大概有测定已知浓度的醋酸的pH值、测定已知pH值醋酸的浓度、然后比较同pH值下醋酸与盐酸的浓度、又比较同浓度下的醋酸与盐酸的pH值，比较同浓度醋酸、盐酸与镁条反应的起始速率、比较醋酸盐与盐酸盐的pH值等步骤。

）当遇到步骤如此多的实验时，学生如何思路清晰并且在短时间内得出实验结果，如何能保证在操作的过程中不出现人为的偶然误差，影响实验结果的准确性，鉴于这种实验，我们可以选择数字化实验设备来解决这类步骤多并且复杂的实验问题，直接使用气压传感器来比较同浓度的醋酸、盐酸分别与镁条反应的起始速率即可快速高效地得出实验结果，且实验结果直接由计算机处理得到反应的速率曲线更加准确，更加具有科学性，对于探究验证性实验无疑是最具说服力的实验方式。

在此实验中我们更应该注重到它所运用的时间与效率，实验的可重复性，简而言之，步骤越少越容易进行实验的重复操作，所需完成实验的时间就越短，因此，数字化实验在可操作性、可重复性以及时效性方面比传统实验更具有优势。

结论

总而言之，数字化实验与传统实验在相比之下的优越性，相信很多的专家或学者们也都有在做这方面的研究，但是归根究底也是为了能使中学化学实验的教学以及相关的研究日趋完善，为了使数字化实验更好地运用和服务到化学教学与化学研究当中去；因此，我们不仅要研究它的优越性，也要去研究它与传统实验之间的关系，在现阶段我国的基础教育还有待进一步发展的今天，一味地追求新兴的科学技术带来的方便而完全摒弃传统的可取的优点又显得有些华而不实，所以中学化学数字化实验不能完全代替传统化学实验，它与传统化学实验可优势互补、相得益彰，让中学化学实验实验更加的丰富多彩，让学生能够提起更浓厚的学习兴趣，更好地激发学生强烈的探究及求知的欲望。

参考文献

[1]唐吉川：

中学化学数字化实验与传统实验.四川省泸化中学.

[2]中义务化学课程标准（实验）.北京：

北京师范大学出版社.2011.

[3]汪明微:

数字化化学实验应用于化学实验教学的反思.广州天河中学.[4]张玲杨宇翔.关于在高中化学中开展学生数字化实验的研究上海市浦光中学

[5]钱扬义：

手持技术在理科实验中的应用研究.北京：

高等教育出版社.2003.

[6]叶春峰.高中化学实验中手持技术的应用.教育管理（理论版）.2006（4）.

[7]马宏佳：

南京师范大学化学与材料科学学院.江苏南京.210097

[8]宋延林：

《瞭望新闻周刊》2010025期作者：

孙英兰

致谢

本论文在孙成涛导师的悉心指导下完成的。

导师渊博的专业知识、严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽以待人的崇高风范，朴实无法、平易近人的人格魅力对本人影响深远。

不仅使本人树立了远大的学习目标、掌握了基本的研究方法，还使本人明白了许多为人处事的道理。

本次论文从选题到完成，每一步都是在导师的悉心指导下完成的，倾注了导师大量的心血。

在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！

在写论文的过程中，遇到了很多的问题，在老师的耐心指导下，问题都得以解决。

所以在此，再次对老师道一声：

老师，谢谢您！