阐述数字化实验在高中化学课堂教学中的创新应用

引言

化学是一门以实验为基础的学科，实验教学在高中化学课程中占据重要地位。人教版高中化学教材编排了丰富的实验内容，旨在帮助学生通过实验探究理解化学原理、掌握实验技能、培养科学思维。然而，传统化学实验存在操作复杂、数据采集不精确、实验现象不直观、微观过程难以呈现等问题，在一定程度上限制了实验教学效果的提升。随着信息技术的飞速发展，数字化实验以其高精度的数据采集、实时直观的实验结果呈现、便捷的数据分析等优势，为高中化学课堂教学带来了新的变革契机。深入研究数字化实验在高中化学课堂教学中的创新应用，对提高化学教学质量、培养学生化学核心素养具有重要意义。

一、传统化学实验教学的局限性与数字化实验的优势

（一）传统化学实验教学的局限性

传统化学实验在教学过程中存在诸多不足。其一，实验操作过程较为繁琐，部分实验对仪器装置、操作步骤要求较高，学生在实验过程中容易出现操作失误，影响实验结果的准确性，甚至可能引发安全问题。其二，数据采集与分析手段相对落后，多依靠人工测量和记录，如使用温度计测量温度、用量筒读取体积等，不仅效率低，而且容易产生较大的人为误差，难以获取精确、连续的数据。其三，实验现象的观察和呈现具有一定的局限性，一些实验现象转瞬即逝，学生难以细致观察；对于微观层面的化学反应过程，传统实验更是无法直观展示，不利于学生深入理解化学本质。

（二）数字化实验的优势

数字化实验借助传感器、数据采集器、计算机等设备，能够有效弥补传统实验的不足。在数据采集方面，数字化传感器具有高精度、响应快的特点，可以实时、准确地采集温度、压强、pH 值、电导率等多种物理化学量，并将其转化为数字信号传输至计算机，避免了人为读数误差，获取的数据更加精确、全面。在实验结果呈现上，通过计算机软件的处理，数据可以以图表、曲线等直观的形式展示，便于学生观察数据变化趋势，分析实验规律。此外，数字化实验还可以利用模拟仿真技术，将微观的化学反应过程、分子结构变化等以动画形式呈现，使抽象的化学知识变得直观易懂，有助于学生构建化学概念，提升学习效果。

二、数字化实验在高中化学课堂教学中的创新应用策略

（一）创新实验演示方式，增强教学直观性

在高中化学课堂教学中，实验演示是帮助学生理解化学知识的重要环节。利用数字化实验进行演示，能够增强实验的直观性和吸引力。例如，在人教版高中化学教材中 “酸碱中和滴定” 实验，传统演示实验中，学生难以精确观察溶液颜色的突变，且滴定终点的判断存在一定主观性。而采用数字化实验，通过 pH 传感器实时监测溶液 pH 值的变化，并在计算机上生成 pH - 滴定体积曲线，学生可以清晰地看到滴定过程中溶液酸碱度的变化趋势，准确判断滴定终点，深入理解酸碱中和反应的本质。又如，在 “原电池” 原理教学中，利用电流传感器实时监测原电池电路中的电流变化，以动态曲线展示电流的产生、变化过程，直观呈现原电池中化学能转化为电能的原理，帮助学生更好地掌握相关知识。

（二）开展探究式教学，培养学生科学思维

数字化实验为高中化学探究式教学提供了有力支持。教师可以围绕人教版教材中的知识点，设计探究性实验课题，引导学生利用数字化实验设备进行自主探究。例如，在学习 “影响化学反应速率的因素” 时，教师提出探究问题：“温度、浓度、催化剂等因素如何影响化学反应速率？”学生分组设计实验方案，利用温度传感器、浓度传感器等采集不同条件下化学反应过程中的相关数据，通过分析数据曲线，探究各因素对反应速率的影响规律。在这个过程中，学生不仅掌握了相关化学知识，还经历了提出问题、设计实验、收集数据、分析论证等科学探究过程，培养了科学思维和实践能力。同时，数字化实验设备可以快速改变实验条件，进行多次重复实验，方便学生对比不同条件下的实验结果，提高探究效率和科学性。

（三）实现微观现象可视化，突破教学难点

高中化学涉及许多微观层面的知识，如分子、原子的结构与运动，化学反应的微观机理等，这些内容抽象难懂，是教学中的难点。数字化实验可以借助模拟仿真技术，将微观现象可视化，帮助学生突破学习障碍。例如，在讲解 “化学反应的本质 —— 旧化学键的断裂和新化学键的形成”时，利用计算机模拟软件，以动画形式展示化学反应过程中分子的碰撞、化学键的断裂与重组，以及原子的重新组合过程，让学生直观地理解化学反应的微观本质。再如，在 “物质的溶解过程” 教学中，通过数字化模拟，展示溶质分子在溶剂中的扩散、水合等微观过程，解释溶解现象和溶解平衡原理，使抽象的知识变得形象生动，便于学生理解和记忆。

三、数字化实验应用于高中化学课堂教学的挑战与应对

（一）硬件与软件资源建设挑战

数字化实验的开展依赖于相应的硬件设备和软件系统，如传感器、数据采集器、计算机及配套的实验软件等，购置和维护这些设备需要较大的资金投入。同时，随着技术的不断更新，设备和软件也需要及时升级换代。学校和教育部门应加大资金投入，完善数字化实验硬件设施建设，建立数字化实验资源共享平台，整合优质实验资源，实现区域内资源共享，降低实验成本。此外，鼓励学校与企业合作，开发适合高中化学教学的数字化实验软件，不断优化软件功能，满足教学需求。

（二）教师专业能力提升挑战

数字化实验教学对教师的信息技术素养和实验教学能力提出了更高要求。部分教师对数字化实验设备和软件的操作不熟练，缺乏将数字化实验与化学教学深度融合的能力。学校应加强对教师的培训，组织开展数字化实验教学专题培训活动，邀请专家进行技术指导和教学案例分享，帮助教师掌握数字化实验设备的操作方法、数据处理技巧以及教学设计思路。同时，鼓励教师开展数字化实验教学研究和实践探索，通过教学反思和经验交流，不断提升数字化实验教学水平。

四、结论

数字化实验在高中化学课堂教学中的创新应用，为化学教学带来了新的活力和发展空间。通过创新实验演示方式、开展探究式教学、实现微观现象可视化以及支持个性化学习等策略，能够有效提升实验教学效果，突破教学难点，满足学生的差异化学习需求，促进学生化学核心素养的发展。尽管在应用过程中面临硬件与软件资源建设、教师专业能力提升、教学模式转变等挑战，但通过采取相应的应对措施，可以逐步克服困难。在未来的高中化学教学中，应进一步加强数字化实验的应用研究与实践探索，不断创新教学方法，推动高中化学教学朝着数字化、智能化方向发展，为培养具有创新精神和实践能力的高素质化学人才奠定基础。

参考文献：

[1]董霞.数字化手持技术在高中化学课堂教学中的应用[J].家庭教育研究,2023(6):90-92.

[2]宋丹丹.数字化实验在高中化学教学中的应用研究[D].重庆:西南大学,2024.