化学实验教学与现代技术

刘海民

（赤峰二中 内蒙古赤峰 024000）

化学是在微观层面上研究物质的组成、结构、性质、变化及合成规律的，以实验为基础的自然科学。化学核心素养中“宏观辨识与微观探析”，“变化观念与平衡思想”是化学学科思维方式和化学学科思想。高考新评价体系“一体四层四翼”，具体到化学学科能力包括“接收、吸收、整合化学信息的能力”，其中具体内容有：“通过对自然界、社会、生产、生活中的化学现象的观察，以及对实验现象、实物、模型的观察，对图形、图表的阅读，获取有关的感性知识和印象，并进行初步加工、吸收、有序存储。”“从提供的新信息中，准确地提取实质性内容，并与已知知识整合，重组为新知识块。”对教材中实验现象不直观，不明显，学生印象不深刻，如：速度较快的反应、有危险性的实验、现有条件难以实现的实验、涉及微观粒子的反应原理的解释等，在教学上如果应用DIS技术、VR和AR技术、手持技术、计算机模拟技术等可以帮助学生进行宏观辩识，进而理解微观本质。[1]

Na与水反应中钠块在水面上升又下降的过程是很快完成的。一般常规实验演示不利观察。在电子实验室学生利用高拍仪将其过程录制然后在班级触控一体机上播放可以放慢速度，反复观察，学生自己制做视频兴趣高，观察分析到位，理解深刻。[2]

电是科学研究中非常重要的一种现象，19世纪，人们还没有掌握先进的技术手段，当时的电学手段及其引发的导电实验的分析方法带领早期化学家们深入到了微观世界的研究。法拉第以及阿累尼乌斯之所以都提出了自己富有创造性的离子观，都是因为他们借助了以导电实验为核心的方法体系，借助于导电实验的一系列对比分析及逻辑推理一步步深入到物质构成和物质反应的微观世界。导电的实验手段与发明于20世纪80年代的扫描隧道显微镜对人们研究物质微观世界的功用甚至是同等重要的。中学化学教学中，我们无法利用扫描隧道显微镜，但我们完全有可能借助导电实验的分析方法引导学生开展丰富的想象，从而进入微观世界的分析。如电解质导电及强弱一节的教学，为了让学生直观感受，可以用电流表对不同电解质溶液进行导电检测（电流表（A），选用量程：0—0.6A）并将测量结果直接连结到触控一体机上，然后再让学生从微观上进行辨析，画出微观示意图，即把溶液中微粒种类和数目关系采用画图的方式，用化学符号及不同的形状，甚至不同的颜色来表示各种微粒，在表示不同微粒数目关系时象征性的画出微粒数目，有利于学生从微观角度理清水溶液中微粒的行为，进一步发展学生对于“微粒观”不同维度的认识。

《化学反应原理》教材中铁的吸氧腐蚀通过压强变化来说明反应发生了，这个实验现象不明显，而利用DIS压强传感器，能够迅速地测定试管中压强的变化。在大试管内壁套一层滤纸，并用 0.1mol/L 的 NaCl 溶液润湿，撒上 1g 铁粉，再撒上 2g 炭粉（这样配比反应快），然后用压强传感器得到数据图，进而得出结论：在氯化钠溶液存在下，钢铁发生了吸氧腐蚀，使大试管内压强下降。也可用DIS 传感器测定试管中 O2浓度变化或检测电流产生来得出结论。

在压强对化学平衡移动的影响教学中，将装有 20mLNO2气体的针筒在t1时迅速压缩至 10mL 处并保持不动，先让学生分析画出的 p-t 图。然后给出用DIS 传感技术绘制的图像：

引导学生与该图进行对比和探究，最后以“小尖角蕴含大文章”的科学精神对学生进行鼓励。这样学生对压缩二氧化氮后气体的颜色变化描述再不会出错误了。

DIS传感技术在化学实验中的应用具有广阔前景，测电导率、测酸碱中和时pH的变化，在实验现象不明显时，借助技术将实验结果呈现出来，对学生分析和理解起到事半功倍的作用。

当下，虚拟现实、人工智能和机器学习无疑是最为火热的主题得到社会各界的认可，并引起教育界高度重视。以VR/AR为代表的“沉浸体验式教育研究”已经成为未来教育和体验式学习的新范式。为此我们让学生用VR、AR技术感受雾霾，直观感受环境污染给人们带来的害处，进而分析形成原因，解决方案，形成项目学习，在学习中树立科学精神和社会责任。

手持技术在化学实验中也被越来越多的使用，在烃的化学性质学习中，甲烷和氯气在光照下的取代非常重要，但这个实验条件要求高，有一定危险性，我们用类比的方法，并考虑到苯和液溴反应的条件现象很明显，在课堂教学中将其改为煤油和液溴的分小组实验：课前将装有煤油和液溴等化学用品微型实验盒，分发给每个小组的学生，实验时用针筒吸10mL液溴到盛有煤油的烧杯中，由于液溴密度大于煤油，所以沉入底部，很壮观，用手机电筒做光源，放在烧杯底部照射，用高拍仪拍下反应的现象。学生合作进行实验探究、观察、记录实验现象，发展学生的实验探究能力，然后进行交流讨论、小组汇报、验证产物，得出结论，书写化学方程式，发展学生基于证据推理物质化学性质的能力，学生学习兴趣激增，最后进一步进行拓展，介绍烷烃取代反应的应用，关注化学前沿。

由于微型化学实验仪器具有小巧便携、不易破碎、液体试剂在多用滴管中不易流出等优点为改革化学课堂教学提供了方便与可能。

利用3DMAX软件对烷烃的自由取代基，烯烃的亲电加成，卤代烃的亲核取代及消除，羰基的亲核加成，羧酸衍生物的亲核加成及消除等主要的有机化学反应机理均可进行动态模拟，能生动、直观地表现有机反应中化学键的断裂和生成，结构的变化以及中间体的生成等，可加深学生对学习内容的理解，具有很好的教学效果。