新课程化学探究式实验数字化实践及研究.doc

新课程化学探究式实验数字化实践及研究 摘要：在教学过程中以探究的方式设计实施实验教学，探讨探究式实验在课堂教学中的经验和问题。研究如何运用先进的数字化仪器和设备对探究式实验进行重新设计或对普通实验进行探究式改造，培养学生和教师的探究意识，构建实验教学新模式。关键词：新课程 探究式实验 数字化 计算机 PASCO 化学一、 引言 新课程的教学理念要求诸如物理、化学、生物等实验学科在教学过程中学生重在方法和思维上一种探究的模式进行，这样能够让学生把知识与实际联系起来，把所学知识和未学知识，通过探究的平台联系起来。虽然探究式教学在时间消耗，精力消耗等方面不符合现在的应试教育目标，但其产生的效益经过时间的磨练会在今后显现出来。目前的课程改革的重要内容就是要开展以探究为核心的教学模式，让学生以一种探究式的寻求知识状态，以研究式的学习态度来完成对知识的掌握和运用，在此过程中掌握科学的方法，培养科学的态度。二、 化学探究式实验的课堂教学及问题。化学实验包括演示实验和学生实验，以往演示实验是教师根据课本要求通过演示实验讲解分析实验中的现象及反应原理，诠释其实验的原理、装置、现象等，实验的演示功能也就完成。学生实验不过是学生按课本或教师的实际按部就班，也有很多学生在实验完成是也不明白其中反应原理，因为学生没有参与进实验的整个过程，更谈不上有什么新的想法，新的发现。因而演示实验和学生实验如果不进行探究式改进或设计，那么它仅仅起到了一个“表演”作用。如果仅在此层面上，实验的知识的再发现功能，知识的再造功能，技能的再体现功能就没有发掘，新课程实验的教学目标没有实现，新课程的教学理念没有得到贯彻。1、 新教材化学探究式实验的分布和实施意见。新教材对实验分为“观察与思考”，“活动与探究”，“调查研究”三中样式，它们包括了演示实验和学生实验，教师可以根据教学需要分配演示和分组的比例。从教学实践发现，在这三种样式中如何进行探究式实验教学却要求各不同。“观察与思考”的探究要求是仔细观察实验现象探究其为什么是“这样”。“活动与探究”的探究是确定实验的目标，探究如何搭建小“台阶”来完成目标的实现或探究条件的改变对目标实现的影响。“调查研究”是在教师的帮助下学生运用知识和技能探究现实问题或现象的实验教学过程。教师是探究式实验的指导者、设计者，指导学生应用已学过的知识和已经掌握的实验技能，以及已经能够操作的仪器按学习目标和兴趣对实验进行自行设计，在教师的修改指导下，完善实验设计，并完成实验从中获得知识点。从探究式实验的学生活动中，更好地陪养学生学习的能动性，更好地发挥学生的学习主动性，发掘学生学习的潜能。“观察与思考”，“活动与探究”是进行探究实验及改进设计的方向，教师也可以根据教学目标构建实验情景，学生在此基础上进行自行探究式实验的设计和实施。教师在探究式实验的教学过程中要启发学生诱导学生自主构建知识进行实验的探究，创设能够引起学生兴趣和问题的情景。问题和情景的创设有利于学生能够深刻理解其中的问题更深层次的原因或规律，指导学生注意观察实验的现象，在观察过程积极思考环境的可变因素，对实验的影响，培养学生的探究意识，增强其探究的能力。新教材中的“调查研究”起督促教师指导学生注意观察周围和生活实际中的化学问题或规律，让学生通过个人、小组、集体等多种组合进行探究式实验或探究调查，从中要找探究的出发点和变量的设置。此种“调查”不求每个学生都做到完美，但要求每位学生都进行了参与。例如对雨水样品的调查，可以根据各组学生的活动特点，在一定的空间和时间内完成对雨水、地表水、地下水、污水等水体的某些参数调查，并要求有能力的学生给水体PH值分布图。（注；先有点后慢慢经或先，最终成快状分布）的方式促使学生在调查研究中逐步掌握科学的研究方法，也可以按能力强弱设置广泛PH试纸组，精密PH试纸组、PH计组及PASCO数字实验器(如图1)便携组等组别进行联测，更好地是学生能够掌握先进的实验技术。2、新教材化学探究式实验的课堂教学再设计要点图1新教材中的“观察与思考”和部分“活动与探究”中的实验是教师的演示实验，因此如何对这些实验进行探究式教学，在课堂的规定时间内既要学生建立不同条件对实验的影响的思考及方法，同时又要演示实验的实时探究过程，并队探究的结果进行有效分析，是一个非常困难的问题，有时在实际操作过程中教师只能做到其中的几个方面，当然也有探究式实验做了，但没有取得探究的效果。因此为了更好地在课堂中进行良好的探究式实验教学，应该从以下几个方面进行改进：实验的纯学生设计。既学生小组只知道实验目的进行纸上设计。教师从中知道学生想知道些什么知识，及他们不太知道或完全没有的知识，而且这类知识也就是教师在设计探究情景是要或加重的地方。教师对实验目标的重新设计，例如必修1中有关萃取实验中有几个实验的目标。a.CCl4是否溶于水？苯是否溶于水？菜油是否溶于水？。 b 那些比水重？c 溴水和碘水在CCl4中和汽油中以及苯中的溶解情况？（当然也能做在菜油或色拉油中的情况。分别做溴和碘在水中的溶解试验）d 最后再完成萃取操作。最终目标是要让学生明白“物质在不相溶的溶剂中的溶解度不容。及物质从一种溶剂转移到另一种溶剂中，从而观察分离的意义”目标的分散成阶梯，有利于学生在此过程中完成对知识层次的逐步认识，并完成实验的最终目标。PASCO数据采集器传感器反应容器SO2通入摄像机位1摄像机位2图2教师对实验表现方式（技术）进行重新设计。中的分层探究实验如果用常规方式进行（也可以采取分组实验的方式），但时间控制几效果是一个问题，学生实验中，学生很难做到实验步骤和知识的同步深入。要求每位同学都能够清晰观察，却又不是学生自己完成，那么只有借助于实物投影或视频设备。因此实验的呈现方式在教师完成的探究式实验中需要进行良好且有效的设计，包括：现象和背景，角度，视角，记录。实验观察及结果记录与处理手段及装备的重新设计。必修1p75“利用铁丝、食盐水、水、试管、水槽等药品及仪器证明钢铁生锈的影响因素”，如果按教材的方法进行，不仅时间长，且不容易观察。可以改变温度的办法加快反应速度，使用摄像设备记录，快速播放，可以非常方便观察实验的过程和比较的结果，而且在一个摄像头下可以4组同时进行，提高探究的质量。更有了于在探究式实验教学中寻找不同条件实验结果的不同表现或规律。如果仅仅以文字进行记录或定性记录实验结果，那么要所常识能够的结果就会显得苍白，没有说服力，因此新教材的“观察与思考”和“活动与探究”中有很多空白需要我们用实验的数据（结果）加以充实，变化的规律是我们需要探究的重点，因此实验数据绘成的图表可以很方便地体现实验探究的成果，数据的采集和处理工作比较繁重，高效便捷数据的采集和处理是课堂探究式实验成功的保障。一般我们可以采取分割的方法，但还是会影响可视效果和实时效果。所以对有些探究式实验的课堂演示应重新进行数字化改进，不仅可以如前所说记录图像、视频，同时可以记录实验的数据及其变化趋势。3、化学探究式实验的课堂教学简例必修1p88“观察与思考”SO2 性质的数字化再设计为例1）目的分解，溶解性， 酸性（PH），漂白性，还原性2）常规做法如书本所述。图3图43）实验观测系统设计：系统示意如图2学生的可视性，要求是全班同学能够清晰地观察教师的实验过程和实验现象，主要满足实验现象，所以可以有两个机位可以设置。传感器为PH传感器，品红褪色实验不用。PASCO数据采集器可以同时接入48个传感器，可以进行多数据测定和记录。计算机担负摄象机数据和传感器数据的记录和处理。4） 实验过程：实验1 实验2 SO2的溶解性和漂白性实验用摄象机和PH数据记录。目的观察溶解情况和酸度变化，也使学生熟悉相关设备的用法。为了更好记录实验的过程，实验在VideoStudio 10软件下进行录像，画面如图3，如果进行回放画面如图4。实验2BaCl2加入SO2水溶液理论上是没有沉淀的，但实验发现还是有点浑浊的，说明有BaSO4，即SO2有被氧化。怎么观测这样的变化呢？我们就使用PASCO数据采集器+PH传感器如图1进行实验，第一步通SO2，观察记录PH曲线，软件界面如图4。第二步停止通气，观察PH曲线。第三步加H2O2，发现PH下降很快，说明氧化后酸性增强。当然我们可以把这种探究延伸到课堂外，因为氧气的氧化比较慢，我们还可以自动记录大量数据，所以探究也可以在无人情况下进行，最终分析结果。探究实际重点是用PASCO记录SO2 水溶液PH值的变化，对应描述加入BaCl2 时为何有少量白色沉淀视频记录，回放时可以通过VideoStudio 10时间轴滑竿进行快放，改变实验现象呈现样式。 5） 其他的实验探可以以SO2为模式进行积木式设计开发，例如必修1p96氮的氧化物的产生，变化及和水反应的探究式实验可以在此基础上完成，课堂效果良好。 4数字化探究式实验教学中存在的问题探究式实验中探究的内容设计必须符合学生的实际能力和知识水平，如果要求太高，脱离了学生的认知水平，那么就是“乱”探究。目前化学实验的数字化实验装备不是很普及，教师和学生的设备使用的熟练程度还没有达到一定的水平，所以实验先从教师的演示实验开始，但学生的参与度不高。教师的示范作用会在今后体现出来的。课堂中教师的非化学操作比较多，会干扰学生的注意力，因此有必要改进人-机间的交互界面。提高学生的数据分析能力和数据或图表的阅读和解析能力是数字化探究式实验基本技能，学生掌握了这种技能才能够从简单的探究向深层次的探究前进，才可以学会实验探究的自主设计，锻炼和培养一定的创新意识和能力。实验数字化后，很多规律和变化趋势在图示上一目了然，从而造成学生对数字化设备强烈的频繁使用，在起步阶段，学生可能还有其他观察的方法手段，以及对实验的实际观察热情，但随着对机器逐步熟练使用和机器的“忠实”表现，学生（或教师）逐渐“信赖”机器，而变得不亲力亲为，只等实验的结果，从而失去了实验探究的意义。因此我们在刚开始起步进入数字化探究的同时应该充分认识机器带给人们的“危害”，因而在使用数字设备的同时，也应该多借用“模拟”设备（人的大脑和器官）来观察分析实验，数字设备和实验探究是仅为完善我们（教师和学生）大脑的一种技术手段和学习方法。SO2通入水中的PH值变化加H2O2时的PH值变化图4三、 数字化探究式实验的设计要点1、 面向学生的探究设计。 学生是数字化探究式实验的主体，所有系统设计的目的是让学生从实验中获得知识，掌握技能，培养能力，树立创新意识。增加学生的活动时间，实验的探究设计应该先从学生开始，被动和自主相结合，教师可以视情况采取不同的指导参与度。教师的演示实验不可追求高、精、尖，而忽略实际效果的做法。2、 基于实验过程的探究设计视频技术的进步，为探究实验的过程分析提供了良好的手段，也可以更加清晰地观察实验过程中的变化。实验可以进行乏动对比，观察细微变化时可以把摄像头安装得很近，排除其他干扰，实验过程记录没问题了。实验过程结果可以任意回放。因此探究过程不怕学生没有仔细观察而漏掉。这套组合系统的优势是1、记录回放；2、图像比较（视频）；3、其他课的记录为本课探究的素材；4、变化缓慢的可以“快进“，突出变化观察等等。因此视频的数字化手段不仅可以较好地再现实验过程，同时为实验的记录开辟了新的方法，也为探究实验的课堂教学提供了一种新的手段。3、 基于反应条件的探究设计精密传感器的使用，帮助教师和学生可以更多的去考虑条件对实验的影响或观察实验的微小变化。例如温度的改变对盐类的水解和弱电解质电力的影响。4、基于反应现象的探究设计 实验现象是分析实验的重要信息，应用现有的仪器和设备做好实验的现象的记录和分析，对不易观察的实验及现象进行重新设计。例如Fe-C的电化腐蚀实验，如果正常生锈在夏天要23小时，冬天就更慢了。为了在一节课内完成，可以选用还原铁粉和活性炭粉加水搅拌，用水浴或PTC加热，并用视频记录，30分钟就可以观察，视频记录经过处理在15秒内，现象非常明显。再如NO2和N2O4的平衡在压强和温度的影响，不借助摄象机记录，低速播放，那么就很难观察了。 5、基于实验数据的探究设计 数字化设备的应用，可以记录的实验数据就比较多，学生实验分组完成不同条件先的实验，教师或学生没有必要都重复做一遍。各组完成自己的任务后进行数据共享，每个学生对总汇数据进行分析和讨论。因此基于实验数据的探究设计的关键是任务