数字化实验提升初中学生化学科学探究与实践能力的研究 论文

数字化实验提升初中学生化学科学探究能力的研究摘要：随着信息技术的发展，诸多学科在教学中已经开始引入信息化的元素。而信息化元素在提高教学的效果和效率方面已经显现出了成效，将数字化实验融入初中化学实验教学已经是大势所趋。在初中阶段数字化技术主要解决传统实验无法解决的问题，比如定量研究、无明显现象的反应、实验过程中出现的异常现象等问题，利用数字化技术能够增加老师和学生之间的互动，调动学生学习的主动性，提升学生的科学探究与实践的能力。关键词：数字化试验；初中化学；科学探究与实践引言：初中化学教学具有一定的特殊性。初中化学实验教学既包括科学探究的基基础知识，也包括科学探究与实践的能力培养。实验教学不仅要让学生更加深刻地理解科学探究的基本过程，同时也要培养学生科学探究与实践的能力。随着信息技术的发展，初中化学实验教学也逐渐强调信息化和智能化。而数字化实验正是在这种背景下产生的，数字化实验和传统实验相融合，可以解决初中传统实验无法解决的问题，比如定量研究、无明显现象的反应、实验过程中出现的异常现象等问题。因此，开展数字化实验培养初中生化学科学探究和实践能力的研究显得尤为重要。一、相关概念1、数字化实验的含义和特点数字化实验是针对传统实验而言的，它是随着信息化技术的发展而产生的。数字化实验是由计算机、传感器、数据采集器以及相关软件组成的。它不但能够实现定量的数据采集，而且能够清晰地将数据呈现出来。数字化实验又被称为掌上实验和数字实验。数字化实验强调发挥学生的自主性，让学生完成自主的实验操作。而且数字化实验借助了计算机的功能，让数据和图像能够更为完美地结合，让知识的呈现方式变得更加清晰明了。数字化实验有以下几个方面的特点。直接。数字化实验在运行过程中能够将数据用图像或图表的形式来表现。这种情况极大地加快了数据的提取工作，能让数据更加直观地呈现在学生面前。简便。数字化实验的仪器和传统的实验仪器不同，它的体积更小，质量更轻，更加便于携带。而且开展数字化实验对时间和空间的要求较低。整体性。数字化实验从多个角度对数据进行了描述。学生可以从整体上了解到数字化实验的内容，也方便学生进行知识迁移。节约性。数字化实验一般对化学试剂的应用较少，而且试剂浪费的情况很少出现。数字化实验能用较少的试剂量达到和传统实验相同的效果。2、数字化实验系统的构成数字化实验主要由传感器、数据采集器、计算机和其他软件构成。传感器能对所处环境中的相应信号元素进行收集，进而传递给采集器的一种仪器。传感器在数字化实验中具有非常重要的地位，而且在数字化实验中通常会应用到不同类型的传感器。数据采集器能够接收传感器传输过来的信号，实现对这些信号的存储，也能将这些信号传输给计算机。数据采集器是数字化实验系统的中枢部分。计算机和其他相关软件。计算机和其他的相关软件可以对收集的数据进行处理，从而呈现出实验的结果。二、数字化实验在初中化学应用1、促进化学实验向定量发展中学化学实验的目标之一是培养学生思考能力和动手能力，同时也要帮助学生获得化学的核心素养，激发学生的观察能力和创新精神。化学实验能让学生对化学的认识由感性上升到理性，认识到化学变化的本质。初中化学定量化的发展就必须要有大量的实验数据作为支撑，这是传统的实验无法达到的。数字化实验系统中的相关设施能够满足数据获取的要求，大大提高了获取的数据精度。总之，数字化实验促使化学实验向定量化发展。2、实现了对无明显现行化学反应的动态监测传统实验模式面临的一个重要问题就是无法对实验过程中的实验数据进行非常有效地监测。举例来说，在氢氧化钠溶液中通入二氧化碳，该反应无明显现象，学生难以判断反应是否发展，创新传统实验，利用压强改变也可以证明二者反应。但是，实验中的数据变动以及能量变化却无法实现实时地提取。但是数字化实验设备能够以二进制编码的形式对这些数据进行提取和存储，能在计算机中将这些编码转换成数字化信息。这就实现了对实验数据的动态检测。3、数字化实验能有效处理实验中的异常现象不可否认，化学实验过程中或多或少会出现一些异常现象，纯文字的解释学生有时无法理解，且不利于学生科学探究思维的培养。对传统实验中的难以避免的异常现象，我们就可以设置成探究性课型，带着学生一同去解决，从而培养学生科学探究与实践能力。比如在电解水的过程中，实验得到的氢气和氧气的体积比为2：1，而实际操作过程中结果一般大于2：1，什么原因导致这样的结果呢？我们完全可以借助于数字化实验进行探究，不仅能解决问题，还能培养学生的科学探究与实践能力。三、利用数字化实验培养初中学生化学科学探究略1、有效发挥传感器的作用传感器是数字化实验系统的最关键设备之一。如果能够利用好传感器，那么就可以实现对数据精准的提取和存储。举例来说，在初中化学实验“如何设计实验证明氢氧化钠能和盐酸发生化学反应”中。学生在前期的学习中已经对氢氧化钠和盐酸的性质有所了解，知道两者都是无色的，两者在一起的发生的化学反应也不易被观察。而且氢氧化钠和盐酸反应生成的物质是氢氧化钠溶液和水同样是没颜色的。传统的实验方法是在氢氧化钠溶液中滴加酚酞，然后再不断滴入盐酸，通过观察盐酸的颜色变化来分析氢氧化钠和盐酸的反应情况。但是，这只能让学生从表面感受到了两者的变化，但是，两者变化中的温度是怎样变化的？传统实验模式不能对这个问题做出解答。如果在这个实验中，有效运用数字传感器，那么，实验的效率不仅会被提升，而且，实验中的数据被会更加简便地记录下来。教师可以将温度传感器浸没在发生化学反应的氢氧化钠溶液中，而传感器和数据采集器链接，那么实验中溶液的温度变化会被传感器记录下来，被采集器接受，最终，计算机会呈现出温度变化的情况。2、发挥老师的引导作用数字化实验的开展离不开教师的引导。因此教师应该积极地发挥自己引导学生和培养学生的作用。在教学的第一个阶段，教师可以演示实验操作的过程，引导学生进行观摩。教师可以对教材的化学实验进行操作，向学生讲解，让学生明白实验操作的基本步骤和具体原理。具体来说，教师可以向学生演示用数字化传感器测量红磷燃烧中集气瓶内气压的变化。而学生则可以模仿老师的操作测量木炭燃烧中集气瓶内气压的变化。学生通过模拟实验可以熟悉实验的操作步骤，树立实验操作的信心。在完成了教师的演示和学生的模拟实验之后，教师应该积极引导学生自主进行实验设计和研究。而教师的引导应该仅作为一种辅助。在这个阶段，教师可以根据学生知识掌握的特点设计合适的任务，引导学生通过资料查询和小组探究，完成实验方案的设计，进而将方案交由教师进行指导，从而优化实验的方案。学生在按照方案进行实验操作的过程中，会经历很多失败。教师应该及时地指导，帮助学生分析实验数据，最终得出结论。3、数字化实验引导学生进行探究式学习数理化实验必须要和探究性的学习模式相结合。只有这样，才能够提高学生自主探索知识的能力和积极性。首先，传统教科书中的化学原理和概念比较抽象，具有一定的晦涩性。有的教材中说二氧化碳是一种温室气体，类似温室气体还有甲烷等。但是这样的概念并不容易被学生理解。很多学生只是知道二氧化碳的化学式，但是对具体的温室气体的性质和概念还不清楚。针对这种情况，教师可以采用数字化实验的方法，引导学生开展对温室气体的探索。举例来说，教师可以借助温度传感器来研究不同类型的气体在太阳光和红外灯照射下温度的变化情况，再由计算机生成温度变化曲线，来阐述温室气体的相关特征。这样就能降低学生理解的难度。从素质教育的角度来说，化学教学的基本理念是从学生已有的知识体系和将要经历的社会生活经验出发，帮助学生认识化学和生活之间的关系，提高学生的社会责任感和创新意识。而数字化实验的仪器具有体积小，重量轻的特点，可以被学生方便地携带到各种的户外场合使用，举例来说，学生可以用二氧化碳传感器来测量交通路线的空气质量，也可以测量封闭教室内部的空气质量变化。教材中所呈现的实验只是化学实验中的一小部分，生活中还有很多有趣的问题值得学生进行探索。举例来说，人每次会吸入多少氧气？会呼出多少二氧化碳？这些问题都需要数字化实验和探究式的学习模式相结合。四、结束总而言之，数字化实验是在信息化技术飞速发展的基础上出现的，它与传统化学实验相结合可以解决很多问题。初中化学实验教学是初中化学的一个重要组成部分之一，如果初中学生能学好化学实验知识，就能形成科学的化学思维，运用化学方法去发现问题和解决问题。从数字化实验的实施策略来看，应该有效利用传感器技术，加强教师的有效引导，结合探究式学习方法。只有这样才能真正发挥数字化实验的作用，帮助学生化学实践能力的提高，促使其获得化