迅速崛起的化學數字化實驗
——遠大朗威2024.11.01公號編者按 兼向中國化學教學界致敬
筆者的博士論文研究方向，就是中美數字化實驗的比較。縱觀兩國數字化實驗的推廣歷程，均體現了物理為先、化學在后的特征。但在化學傳感器的性能逐漸穩定、探頭的壽命得以延長之后，兩國的化學數字化實驗教學應用都呈現出了后來居上的趨勢。以下由上海市中小學數字化實驗系統研發中心完成的統計數據顯示了20年來我國不同學科數字化實驗教學文獻的占比變化情況（文獻來自知網和萬方）。
分析中美兩國化學數字化實驗后來居上的原因，可有三點認識。
首先，相比于物理實驗教學界，化學實驗教學界其實對于數字化實驗有著同樣強烈的需求。根據畢華林教授關于“宏觀-微觀-符號三重表征理論”，學生學習化學必然經歷從宏觀觀察到微觀理解，進而以符號表述化學原理的認知過程。在這個過程中，能夠在微觀層面以量化和圖形化方式反映化學變化的數字化實驗，必然會起到促進學生完成從現象到本質認知提升的關鍵作用。
其二，化學數字化實驗的門檻較低，相比于物理數字化實驗更為簡單易行。物理數字化實驗通常需要使用傳感器從特定的實驗裝置——物理模型中采集數據。由于常規實驗裝置的缺損和老化，與傳感器配套的物理模型往往需要更新改造，或者引進全新設計的實驗裝置，否則會嚴重影響實驗數據的質量。化學數字化實驗則只需要在常規實驗環境中增加一個探頭，即可獲得教學效果的顯著提升。
其三，化學教學屆針對數字化實驗的態度開放，各級學會、教研組織和教學期刊對教師開展數字化實驗教學探索的支持力度較大。
千里之行始于足下。數字化實驗在中國化學教學界已經走過了20多年的發展歷程。在這里，我們要向關注和支持化學數字化實驗的各位專家學者和廣大一線教師們致敬！你們的不懈努力，必將推動中國化學教學的改革，促進廣大中學生更好地學習化學、掌握化學，進而在未來的科學事業中結出豐碩的成果！
據中國教育學會2024年度課堂教學展示與觀摩（培訓）系列活動教學匯總資料（https://download.pep.com.cn/cdfj/2024/2024xh-hx/mobile/index.html）顯示，高中化學組共有29個省市提交了120份教學設計。通過研讀其中內容，發現51份教學設計中引入數字化實驗，占比42.50%。針對51份引入數字化實驗的教學設計的研究結果如下：
一、教師信息
課堂教學展示與觀摩(培訓)系列活動共計29個省市參加， 提供120份教學設計（除廣西提交6份、新疆提交8份、山西和寧夏提交3份教學設計外，其余省市均提交4份）。其中26個省市提交的教學設計中引入數字化實驗（表1），具體數量如圖1所示，可見山東、上海、四川地區提供的所有教學設計均引入數字化實驗。
表1 各省市數字化實驗教學設計教師信息
表1 各省市數字化實驗教學設計教師信息
二、教學設計內容
通過分析引入數字化實驗的教學設計內容 ，可知大部分教學設計通過項目式學習、問題驅動學習等方式實施了數字化實驗，例如“培養工程思維的大單元教學設計——以 “項目式學習“重慶魚洞黃溪口河段長江水質中氮的測定”、“假如你是化工工程師——利用工業廢氣中的二氧化碳制甲醇”等。通過這些主題，教師將數字化實驗融入教學，促進學生在真實情境中的探索性學習。
此外，各地區的教學設計普遍以“核心素養”“深度學習”為導向，注重通過實驗探索學生的工程思維和科學素養。例如，“橋梁建設中的金屬與金屬材料”、大概念統領下的項目式學習——探秘新能源“氨”、論證重污染天氣“汽車限行”的合理性等，幫助學生從廣泛的化學概念出發，深入理解各類化學反應原理；另一些則通過真實情境模擬，使學生在問題解決中掌握具體技能。
引入數字化實驗的51個教學設計中，有42個教學設計內容從教材出發，且多集中于選擇性必修一。考慮到該冊教材中設計化學反應的熱效應、化學反應速率與化學平衡、水溶液中的離子反應與平衡和化學反應與電能章節，均有利于教師借助不同類型的傳感器采集反應條件變化下的數據，有助于學生從微觀和宏觀的角度理解化學概念。剩余9個教學設計多為跨學科或實際應用導向的項目，教師通過傳感器結合軟件進行探究和分析。這些教學設計展示了各教師在數字化實驗應用的多樣性，為學生在化學實驗中的深度學習提供了有力支持。
三、傳感器種類
常用的傳感器包括pH傳感器、溫度傳感器、電導率傳感器等，這些設備主要用于監測實驗中的化學反應變化，具體使用頻率如表2和圖2所示。其中pH傳感器使用頻次最高，例如在“水的電離與pH”實驗中，學生可以使用pH傳感器觀察不同條件下的pH數據。此外，部分教學設計還引入多種類型的傳感器進行探究活動，如：“基于solo分類理論的實驗探究——以探究高鐵酸鉀的性質和制備方法為例”中引入氧氣、pH、溫度、溶解氧傳感器，多角度探究高鐵酸鉀的性質。
表2 傳感器使用頻次
圖2 教學設計中傳感器使用頻次柱狀圖（頻次大于2）
作者：石陽 化學碩士
上海市中小學數字化實驗系統研發中心
山東遠大朗威教育科技股份有限公司
2024年11月1日
