数字化实验促进高中化学学科核心素养发展的实践探索

随着信息技术的飞速发展，数字化实验作为教育信息化的重要载体，为化学教学带来了新的机遇与挑战。化学学科核心素养的培养对于学生的全面发展具有重要意义，然而传统实验教学在培养学生化学学科核心素养方面存在一定的局限性。一些化学现象具有瞬时性（如反应速率的毫秒级变化）和微观不可见性（如电子转移），使得学生难以直观地理解和掌握化学知识。数字化实验借助传感器、数据采集器等技术设备，以及虚拟仿真实验系统，能够将实验数据实时采集并转化为直观的图像或图表，为学生提供更加丰富和直观的学习体验，有效弥补传统实验的不足。目前，数字化实验在高中化学教学中的应用逐渐受到关注，但仍存在技术应用不熟练、教学设计单一、评价体系不完善等不足。笔者整合高中化学知识体系与数字化实验技术，分析不同知识模块的典型实验案例，以“素养导向一技术赋能”双轮驱动实验教学，构建实践框架与路径，并研判数字化实验发展趋势，旨在为后续案例开发提供思路，促进学生化学学科核心素养发展。一、数字化实验赋能化学学科核心素养培育《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）明确指出，高中化学学科核心素养聚焦以下五个维度：宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任。在宏观辨识与微观探析素养方面，课标要求学生从宏观现象辨识物质性质，结合微观结构（原子、分子层面）解释变化本质，建立“结构决定性质，性质决定应用”的认知模型；在变化观念与平衡思想素养方面，学生需要理解化学反应的动态性与条件依赖性，掌握能量转化与反应限度的规律；在证据推理与模型认知素养方面，学生需要基于实验数据提出假设，通过逻辑推理验证结论的可靠性，构建化学模型（如反应机理模型、物质结构模型）解释复杂现象；在科学探究与创新意识素养方面，学生需要设计并优化实验方案，批判性反思异常现象，提出改进设想；在科学态度与社会责任素养方面，学生应秉持严谨求实的科学态度，坚守绿色化学与可持续发展理念，评估化学技术的社会影响，参与相关公共议题的理性决策。传统化学实验以常规仪器和化学试剂为基础，基于一定的反应原理，通过实验操作、观察现象、分析原因来验证或探究相关化学反应原理。然而，有些实验现象不明显且精确度较低，仅靠教师口述说服力不强也不够生动，无法突破教学重难点，难以有效提升学生的化学学科核心素养。化学学科核心素养的内涵可从知识、能力与态度三个维度进行解构[1。在传感器、数据采集器等技术的支持下，数字化实验将实验数据转化为直观的图像或图表，实现了数字技术应用与化学学科核心素养培养的深度融合。数字化实验揭示了素养内涵与技术优势，为核心素养培育提供了具象化的技术支撑。在宏观与微观联结方面，师生运用电子云模型、反应机理动画等工具可将抽象概念可视化。例如，可借助电压传感器同步展示原电池电子转移过程，将宏观现象与微观本质紧密相连；在动态分析与模型构建方面，可利用浓度传感器监测可逆反应的动态数据，支持学生自主绘制浓度－时间曲线，进而建立平衡移动的数学模型；在证据推理实践方面，借助pH传感器采集酸碱滴定数据，可支持学生利用曲线推导中和点，从而强化基于数据的科学推理能力。数字化实验技术革新彰显了化学教学价值：一是支持实时精准的数据采集，保证误差率低于0.5%，例如用压力传感器记录爆炸反应的瞬时变化情况；二是实现了四重表征的创新，在“宏观一微观一符号”基础上增加了“动态数据流”，例如借助电导率传感器追踪离子浓度，揭示复分解反应的微观机制；三是助力师生实现实验设计的突破，例如使用氧气传感器定量分析不同催化剂对过氧化氢分解的影响，解决了传统实验难以量化的问题。数字化实验为学生化学核心素养的发展提供了实践路径[2。首先，增强科学探究与社会责任意识。学生在跨学科项目（如水质检测）活动中需综合运用pH传感器、化学需氧量（COD）检测仪等设备，基于数据分析结果提出治理方案，培养证据推理能力并增强社会责任意识。例如，学生参与酸碱滴定实验，测定食醋浓度、COD检测评估水质污染，将学科知识用于解决问题。其次，突破传统实验局限。一方面实现现象数据化，将不可见的反应现象转化为电信号。例如，学生利用压强传感器监测CO2

体积变化情况，通过定量分析增强了证据意识。另一方面促进学生数字技能的提升，即学生利用工具解决复杂问题（例如比较催化剂活性差异），深化了对反应机理的理解，促进了实验技能与核心素养的协同发展。凭借实时、多维、精准的技术优势，数字化实验有效弥补了传统实验在现象隐蔽性、数据粗糙性等方面的不足。其动态数据流和可视化功能，不仅帮助学生理解化学本质，而且推动了“科学探究一模型构建一社会应用”的完整素养链条的形成。二、三维进阶：教学设计与实施策略（一）课程设计维度：基于核心素养精心设计数字化实验为有效开展实验教学，笔者开发了梯度化实验项目一一般将验证型、探究型、创新型实验的比例设置为3：5：2。此外，还可以设计跨学科主题活动，如碳中和背景下的CO2

传感器应用实验等。教师设计实验课程应做好以下三点。一是实验目标明确化。在设计数字化实验时，教师应明确实验目标与化学核心素养的关系，确保实验活动有效促进学生核心素养发展。二是实验内容情境化。教师应将实验内容与实际情境相结合，激发学生的学习兴趣，提高参与度，帮助学生更好地理解和应用化学知识。三是实验过程探究化。教师应设计具有探究性的实验活动，引导学生自主设计实验方案、采集数据、分析结果，培养学生的科学探究能力。以“反应速率”实验为例，笔者在教学中分层设计实验任务，引导学生跨学科学习。教师使用温度传感器测定不同浓度的酸溶液与金属反应的温度变化曲线，结合软件拟合活化能数据，引导学生从碰撞理论角度解释浓度对速率的影响。实验流程如下：基础任务（数据采集）$$进阶任务（数据分析）$$拓展任务（模型优化）。为促进学生跨学科实践，教师应将化学实验与数学建模、信息技术有机结合，例如通过编程处理传感器数据，生成可视化报告。（二）教学实施维度：科学组织数字化实验，培育学生核心素养笔者创建了四段式教学模式：现象观察$$数据采集$$模型建构$$迁移应用。同时设计了双师协作方案：学科教师与信息技术教师协同备课。实验教学按如下流程进行（如图1）。首先，教师引导与学生自主学习相结合。在实验教学中，教师应发挥引导作用，帮助学生明确实验目标和操作步骤，同时鼓励学生积极探究，培养自主学习能力。图1实验教学设计导图其次，开展小组合作与交流分享。组织学生分组进行实验合作，促进学生之间的交流与协作，培养学生的团队协作精神和沟通能力。最后，进行实验结果分析与讨论。引导学生对实验结果进行深人分析与讨论，帮助学生理解实验现象背后的化学原理，提升学生的证据推理意识与模型认知能力。下面以融合数字化技术培养学生探究和学习能力的实验为例，介绍教学要领。在传统实验教学中，学生仅凭借肉眼观察实验现象，难以直观地认识化学反应的微观过程。数字化技术的应用可为师生提供实时、精准的数据分析。在化学实验过程中，学生可运用数字化手持技术设备迅速获取实验数据，并借助相关软件进行实时分析，提高实验效率，便于他们在直观感受的基础上进一步探索化学原理及化学变化的规律[3]。同时，也便于教师获取学生输出的信息，随时了解学生的实验情况，从而促成课堂中信息的多向交流，真正实现师生互动、生生互动，帮助学生成为课堂教学的主体。在教学中，教师可以将传统实验和数字化实验结合起来设计[4]。下面以离子反应教学为例进行具体介绍。提问：离子反应的实质是什么？实验器材及试剂包括计算机、数据采集器（LW-D801）、电导率传感器（LW-C802）、磁力搅拌器、烧杯、酸式滴定管、0.1mol/LBa（OH）2溶液、0.1mol/LH2SO4

溶液、酚酞试剂。实验装置如图2所示。图2实验装置实验设计：先向盛有Ba（OH）2

溶液的烧杯中滴加几滴酚酞试剂（烧杯内溶液颜色由无色变为红色），再向酸式滴定管内加人适量稀硫酸，打开电导率传感器和数据采集器，记录数据。待示数稳定后用滴定管向Ba（OH）2

溶液中逐滴加人0.1mol/LH2SO4

溶液，观察现象，同时测量并记录过程中电导率的变化情况[5]。实验现象及结果：烧杯内溶液颜色由红色逐渐变浅直至无色，产生白色沉淀；软件描绘出电导率随时间的变化曲线，如图3所示。图3电导率随时间的变化曲线分析实验结果并明确教学意义。教师借助实验引导学生分析：“溶液颜色变化和产生沉淀的原因是什么？整个过程中电导率为什么经历从不变到减小再到增大的过程？电导率降至最低点的原因是什么？”学生思考后得到以下结论：溶液颜色由红色逐渐变浅直至无色是因为发生反应OH-+H+=H2O；产生白色沉淀是因为发生反应SO2-+Ba2+=BaSO4

；电导率先不变是因为离子浓度不变，减小是因为离子浓度减小，增大是因为离子浓度增大；电导率到达最低点的原因是烧杯中的物质恰好完全反应，生成物为BaSO4

和。学生参与数字化实验，能够更直观地感受到离子反应过程中离子浓度的变化，深刻理解复分解型离子反应的本质，即离子浓度减小。相较于传统实验，数字化实验呈现了反应过程中离子浓度的实时动态变化，将离子反应的微观过程清晰、连续地呈现在学生眼前，突破了教学难点，提升了学生的探究意识与创新能力。从课后与学生的交流得知，他们充分理解了离子反应的本质，提高了学习积极性，对数字化实验充满兴趣，愿意动手参与更多数字化实验，认识到科学技术对学习有帮助和促进作用，提升了自身的实验探究能力和创新意识。（三）评价反馈维度：充分利用评估与反馈提升化学学科核心素养笔者构建素养发展量规，包含数据解读能力（4级）、模型转换能力等指标，建立实验档案袋，记录学生从数据采集到结论推导的完整思维过程。教师开展教学评价时应注意以下三点。第一，采取多元化的评估方式，包括实验报告、小组展示、课堂提问等，全面评价学生在数字化实验中的表现。第二，及时反馈与改进。教师应及时向学生反馈实验评估结果，帮助学生了解成绩与不足，明确改进方向。第三，持续优化实验设计。教师应根据学生反馈和实验效果，持续优化数字化实验设计方案，提高实验教学的质量和效果。三、实证分析：典型课例的多维解构数字化技术以传感器测量为基础，以计算机、平板电脑、智能手机及数据分析为支撑，将课堂教学、实验室实验、户外探究等需要获取的信息通过传感器转化为电信号，进而通过数据采集器对信号进行收集、加工和处理，以数字的形式直观呈现。目前比较成熟的传感器有50种左右，在高中化学教学中使用频率较高的有pH传感器、氧气/二氧化碳/氢气/二氧化硫/乙醇传感器、温度传感器、压强传感器、电导率传感器、色度/浊度传感器、氧化还原传感器等。传感器的灵敏度远高于温度计、电流计等传统仪器，因此数字化实验在化学反应中的应用具有明显优势。教师根据高中化学知识体系，选择适合的传感器开展高中化学数字化教学，积累了大量优秀案例。对这些案例进行分类研究既必要又可行，既可将一些成熟的案例运用到教学中，又可以仿照这些案例，结合实验自的和原理自行开发设计更多个性化、创新性的实验。第一，研究物质微观结构。以“探究影响分子间作用力的大小”为例（如图4），物质从液态转化为气态时，会从环境中吸收能量，从而使得环境温度下降。利用温度传感器测定不同液体汽化时环境温度变化量，即可知道它们的分子间作用力的相对大小。主要实验器材和试剂包括数据采集器、温度传感器、计算机、绵纸、100mL烧杯、甲醇、乙醇、蒸馏水。实验基本步骤如下：用绵纸裹住温度传感器探针前端2一4cm处，将3个探针分别插入盛有等量蒸馏水、乙醇和甲醇的烧杯中，待示数稳定后单击“开始”按钮，将探针放置在空气中（便于挥发），当温度处于最小值并开始回升时，停止采集数据并保存。比较最低温度，其值较小的物质汽化时吸收的能量最多，表明分子间作用力最强。图4探究影响分子间作用力大小的装置第二，掌握物质制备方法和性质。以“氯水的性质及成分探究”为例（如图5），氯水制备原理用化学反应式表达为Cl2+H2O⟼H++Cl-+HCIO，2HClO=2HCl+O2

↑。主要实验器材和试剂包括数据采集器、氯离子传感器、pH传感器、氧气传感器、250mL三颈烧瓶、带孔橡胶塞、磁力搅拌器、强光源、蒸馏水、新制氯水。实验基本步骤如下：先组装实验装置，再在三颈烧瓶中加人新制氯水，将单孔塞塞人瓶口，在单孔塞中插入pH传感器、氧气传感器和氯离子传感器，打开台灯和磁力搅拌器，用台灯的光线照射氯水，借助传感器采集pH的变化数据、氧气的含量及氯离子浓度。H2SO4

溶液持续加入，电导率变大。主要实验器材和试剂包括数据采集器、电导率传感器、多用途生化传感器支架、磁力搅拌器、计算机、蒸馏水、吸水纸、100mL烧杯、洗瓶、量筒、0.2mol/LH2SO4

溶液、0.01mol/LBa（OH）2溶液。实验步骤如下：先组装实验装置，再连接数据采集器、电导率传感器和计算机，接着开启磁力搅拌器，并调整转速，最后向盛有20