迅速崛起的化学数字化实验
——远大朗威2024.11.01公号编者按 兼向中国化学教学界致敬
笔者的博士论文研究方向，就是中美数字化实验的比较。纵观两国数字化实验的推广历程，均体现了物理为先、化学在后的特征。但在化学传感器的性能逐渐稳定、探头的寿命得以延长之后，两国的化学数字化实验教学应用都呈现出了后来居上的趋势。以下由上海市中小学数字化实验系统研发中心完成的统计数据显示了20年来我国不同学科数字化实验教学文献的占比变化情况（文献来自知网和万方）。
分析中美两国化学数字化实验后来居上的原因，可有三点认识。
首先，相比于物理实验教学界，化学实验教学界其实对于数字化实验有着同样强烈的需求。根据毕华林教授关于“宏观-微观-符号三重表征理论”，学生学习化学必然经历从宏观观察到微观理解，进而以符号表述化学原理的认知过程。在这个过程中，能够在微观层面以量化和图形化方式反映化学变化的数字化实验，必然会起到促进学生完成从现象到本质认知提升的关键作用。
其二，化学数字化实验的门槛较低，相比于物理数字化实验更为简单易行。物理数字化实验通常需要使用传感器从特定的实验装置——物理模型中采集数据。由于常规实验装置的缺损和老化，与传感器配套的物理模型往往需要更新改造，或者引进全新设计的实验装置，否则会严重影响实验数据的质量。化学数字化实验则只需要在常规实验环境中增加一个探头，即可获得教学效果的显著提升。
其三，化学教学届针对数字化实验的态度开放，各级学会、教研组织和教学期刊对教师开展数字化实验教学探索的支持力度较大。
千里之行始于足下。数字化实验在中国化学教学界已经走过了20多年的发展历程。在这里，我们要向关注和支持化学数字化实验的各位专家学者和广大一线教师们致敬！你们的不懈努力，必将推动中国化学教学的改革，促进广大中学生更好地学习化学、掌握化学，进而在未来的科学事业中结出丰硕的成果！
据中国教育学会2024年度课堂教学展示与观摩（培训）系列活动教学汇总资料（https://download.pep.com.cn/cdfj/2024/2024xh-hx/mobile/index.html）显示，高中化学组共有29个省市提交了120份教学设计。通过研读其中内容，发现51份教学设计中引入数字化实验，占比42.50%。针对51份引入数字化实验的教学设计的研究结果如下：
一、教师信息
课堂教学展示与观摩(培训)系列活动共计29个省市参加， 提供120份教学设计（除广西提交6份、新疆提交8份、山西和宁夏提交3份教学设计外，其余省市均提交4份）。其中26个省市提交的教学设计中引入数字化实验（表1），具体数量如图1所示，可见山东、上海、四川地区提供的所有教学设计均引入数字化实验。
表1 各省市数字化实验教学设计教师信息
表1 各省市数字化实验教学设计教师信息
二、教学设计内容
通过分析引入数字化实验的教学设计内容 ，可知大部分教学设计通过项目式学习、问题驱动学习等方式实施了数字化实验，例如“培养工程思维的大单元教学设计——以 “项目式学习“重庆鱼洞黄溪口河段长江水质中氮的测定”、“假如你是化工工程师——利用工业废气中的二氧化碳制甲醇”等。通过这些主题，教师将数字化实验融入教学，促进学生在真实情境中的探索性学习。
此外，各地区的教学设计普遍以“核心素养”“深度学习”为导向，注重通过实验探索学生的工程思维和科学素养。例如，“桥梁建设中的金属与金属材料”、大概念统领下的项目式学习——探秘新能源“氨”、论证重污染天气“汽车限行”的合理性等，帮助学生从广泛的化学概念出发，深入理解各类化学反应原理；另一些则通过真实情境模拟，使学生在问题解决中掌握具体技能。
引入数字化实验的51个教学设计中，有42个教学设计内容从教材出发，且多集中于选择性必修一。考虑到该册教材中设计化学反应的热效应、化学反应速率与化学平衡、水溶液中的离子反应与平衡和化学反应与电能章节，均有利于教师借助不同类型的传感器采集反应条件变化下的数据，有助于学生从微观和宏观的角度理解化学概念。剩余9个教学设计多为跨学科或实际应用导向的项目，教师通过传感器结合软件进行探究和分析。这些教学设计展示了各教师在数字化实验应用的多样性，为学生在化学实验中的深度学习提供了有力支持。
三、传感器种类
常用的传感器包括pH传感器、温度传感器、电导率传感器等，这些设备主要用于监测实验中的化学反应变化，具体使用频率如表2和图2所示。其中pH传感器使用频次最高，例如在“水的电离与pH”实验中，学生可以使用pH传感器观察不同条件下的pH数据。此外，部分教学设计还引入多种类型的传感器进行探究活动，如：“基于solo分类理论的实验探究——以探究高铁酸钾的性质和制备方法为例”中引入氧气、pH、温度、溶解氧传感器，多角度探究高铁酸钾的性质。
表2 传感器使用频次
图2 教学设计中传感器使用频次柱状图（频次大于2）
作者：石阳 化学硕士
上海市中小学数字化实验系统研发中心
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2024年11月1日
