高一化学实验教学的多维实践探索

【摘要】实验对高中化学教学有着极为重要的作用。文章基于“双新”理念及甘肃省普通高中学业水平合格性考试化学实验操作测试标准，结合实验教学，从思维导图、微型实验、LabVIEW虚拟仿真软件、数字化实验室平台这四个维度研究高一化学实验教学策略，以期学生在学习化学知识的同时能够真正提升自己的综合能力。

【关键词】化学教学；实验；策略；思维导图；微型实验；LabVIEW虚拟仿真软件；数字化实验室平台

【中图分类号】G633.8【文献标志码】A【文章编号】1004—0463（2022）15—0097—06

化学是一门以实验为基础的学科，实验是学习化学的重要途径，在增强学生学习兴趣、提高教学质量等方面具有不可替代的重要作用。然而现阶段传统教学模式下的高中化学实验教学还存在一些问题，譬如实验资源不足、实验存在危险、学生亲身经历较少等。因此，近年来各种新型的化学实验教学方法逐渐被教育工作者充分挖掘并研究使用，以期改变传统教学模式下实验课的弊端。下面将从思维导图、微型实验、Lab？ VIEW虚拟仿真软件、数字化实验室平台这四个维度来研究高一化学实验教学策略，以期为学校提供一条“双新”背景下高一化学实验教学的可选之路。

一、思维导图在高一化学实验教学中的应用

研究表明，人的大脑分为左半球和右半球，左脑强调逻辑思维，右脑强调形象思维，而传统教学模式下的化学教学主要侧重于培养学生的逻辑思维。思维导图作为全脑思维模式的集中体现，能很好地将逻辑思维和形象思维加以整合，弥补传统教学模式的不足；加之学生普遍认为化学知识杂乱繁多，又特别容易混淆实验原理及实验步骤。所以，笔者尝试将思维导图引入到高一实验教学中，相对于传统的实验教学模式，使用思维导图存在以下优点。

1.与传统的直线笔记相比，思维导图可以从最基本知识逐步衍生发展，逐层递进地构建学生的树状知识框架并能多角度完善。

2.化学实验大多体现的是抽象的自然思维，这种不可见的思维难以评估，但可以借助思维导图将其展现出来。讲授实验知识时师生的互动交流，就是自然思维相互碰撞和融合的过程。

3.学习内容可以进行全景设计。教师可以从教材设计和学生学情分析这两方面确定实验教学的重难点，从而在教学目标的基础上设计教学流程，这种由“目标”向“过程”再向“结果”靠拢的实验设计，逻辑结构会非常清晰[2]。

比如，在“用化学沉淀法出去粗盐中的杂质离子”实验中，我们可以设计如图1所示的思维导图。

当然，我们也可以将思维导图的模板提前布置给学生，让他们进行课前预习。在课堂上引导学生完善思维导图，让学生在自己理解的基础上构建出内部的知识脉络，加深识记和理解，同时培养学生的分类思想。

二、微型实验在高一化学实验教学中的应用

微型实验是鉴于当前传统教育模式下化学实验教学存在的演示实验占比较大、学生亲自动手做实验的机会少、探索性实验少、学生实验探究能力培养不足等弊端而提出的，旨在借助各种资源使学生可以自己动手做实验。因此，微型实验存在以下优势[3]：

一是因为实验所需药品和实验设备的微型化，微型实验有利于降低环境污染的程度，增强实验教学的“绿色环保性”，提升师生的环保意识。

二是微型实验可以加深学生对化学反应原理及反应物质的性质和化学变化等内容的理解和掌握，激发学生勇于探索实验的意识，提高学生学习的主动性，从而提升教学效果。

然而，就现阶段高一的学生实验而言，定量实验及要求学生必须掌握的基本实验操作和仪器使用并不适合开发成微型实验。比如，涉及蒸发结晶过滤操作的粗盐提纯、涉及容量瓶使用的配制一定物质的量浓度的溶液实验。因此，微型实验的开发更加适合于定性实验。笔者通过对高一新教材及实验教学的探究，将适合微型实验开发的实验内容进行整合，如表1。

现以“Fe2+、Fe3+的检测”为例对微型实验的教学策略进行课例分析。

1.实验目的：

（1）理解并掌握Fe2+、Fe3+的化学性质。

（2）掌握Fe2+、Fe3+的鉴别方法。

2.实验药品：0.1mol/L稀硫酸、FeSO4溶液、 0.5mol/L氢氧化钠溶液、煤油、铁粉、氯水、KSCN溶液。

3.实验仪器：试管、胶头滴管、导管。

4.实验原理，即Fe2+（溶液）、Fe3+（溶液）的鉴别方法。

（1）直接观色法：Fe2+（溶液）呈浅绿色；Fe3+（溶液）呈黄色。

（2）通过KSCN溶液鉴别：Fe2+（溶液）无现象；Fe3+（溶液）呈红色。

（3）通过NaOH溶液鉴别：Fe2+（溶液）生成白色沉淀，沉淀逐渐变为灰绿色，最终变为红褐色；Fe3+（溶液）生成红褐色沉淀。

5.实验改进装置，如图2。

6.实验步骤：

（1）如图2，组装仪器：向试管A中加入硫酸亚铁溶液，加入少量铁粉防止Fe2+氧化，然后将三孔胶塞塞好（分别是导气管、装有稀硫酸的胶头滴管、装有氢氧化钠溶液的胶头滴管）；向试管B中加入煤油和KSCN稀溶液。

（2）将稀硫酸滴入试管A，产生氢气，利用气压将FeSO4溶液通入试管B中后，观察现象。

（3）将NaOH溶液滴入A中观察沉淀颜色（最初为白色）。

（4）实验结束后取下试管B，并滴入氯水观察颜色（变为血红色）。

7.改进优势：

（1）在FeSO4溶液中需加入了少量铁粉，其目的是防止Fe2+被氧化，可以较长时间观察到白色沉淀，也体现了Fe3+转化为Fe2+的方法。

（2）B试管一开始加入煤油，就是为了防止空气进入，干扰实验。而且一开始没有看到红色，滴加氯水后可观察到红色。不仅体现了Fe3+的检验方法，也体现了Fe2+转化为Fe3+的方法。

三、LabVIEW虚拟仿真软件在高一化学实验中的应用

近年来，随着信息技术的快速发展，越来越多的学校纷纷采用多媒体辅助教学。但对化学实验而言，仅仅依靠多媒体平台上的实验视频，不足以让学生完全理解并掌握实验知识，而且会直接影响学生的实验兴趣，降低化学学科的趣味性。因此，除了传统的课堂实验演示外，教师可以借助多媒体对一些实验优化延伸。基于此，笔者融入现代化仿真虚拟软件LabVIEW，以期拓展实验教学的形式和渠道，激发学生的化学学习兴趣。

笔者通过相关文献调研，结合教学实际情况，发现借助LabVIEW软件的中学化学仿真实验系统具有以下优势[4]：

1.仿真实验可高度共享且高度统一。同一个实验的操作步骤往往都是由同一软件和同一人员编写的，因而这类实验往往高度统一。而且通过计算机，可以允许多个学生同步进行相同的实验、共享资源，方便教师教学。

2.可实时交流互动。编程者可以在前面板上设置信息警告、参数设置、步骤提示等交互信息。学生在实验操作时，可随时与计算机“交流”。

3.高效经济。LabVIEW仿真实验教学，可以完善传统实验教学中设备易磨损老化，元器件及测试仪器易损坏，以及各种因素造成实验数据偏差较大等问题。同时，计算机存储数据代替了纸质版的存储，既便于保存，也不易丢失。

然而，目前LabVIEW在高中化学实验中的使用还处于形式化的应用，创新性还有待提高，因此并不是每一个实验都可以借助虚拟仿真软件来进行。通过对高一教材的研究和对学生学情的考量，笔者确定了高一5个可借助LabVIEW软件技术进行的实验，如表2所示。

现以“配制一定物质的量浓度的溶液”为例，对LabVIEW虚拟软件在化学实验中的教学策略进行课例分析。

1.根据实验内容进行编程设计。首先，仪器图像设计。学生在使用软件时，始终接触的是前面板，面对的是实验操作仪器的图像，如容量瓶、电子天平、试剂瓶、胶头滴管等。这些仪器图像越逼真，对学生的学习效果越好，当然这些实验仪器都需要自己绘制，可以选择Photoshop来绘图，如图3就是笔者根据实物图借助Photoshop所绘制的电子天平图片。

其次，借助LabVIEW软件编写实验程序，编写的主要模块为：

（1）控件显示模块。LabVIEW中包含多个简易编程控件，比如布尔、数组、数值、字符串、比较等。在编程时，用以调用并控制数据，比如容量瓶瓶盖的打开与闭合可借助于控件布尔。布尔控件在前面板显示为亮和灭时，后面板则表示为真和假，如图4所示。

（2）天平称量模块。在配制一定物质的量浓度时，称量操作是重要的环节之一。具体操作为：开启天平——打开天平盖子——放入称量纸——天平清零——放入氯化钠，关闭天平盖子——读取示数，看是否到达目标重量并相应增减。

（3）提示警告模块。学生在操作时很可能会因为学习不到位出现种种错误操作，因此，在编程时，可以设置警告提示，在实验失误时弹出警示，督促学生尽快熟悉实验，完成操作，达到事半功倍的效果。

2.学生利用LabVIEW软件进行实验模拟操作。

（1）计算溶质NaCl的质量，点开程序界面，开启实验开关。打开电子天平并进行称量，称量的质量为5.85g。

（2）称量结束后点击称量纸，称量纸自动移到烧杯处，将药品加入烧杯。点击洗液瓶，洗液瓶会自动向烧杯中加入蒸馏水，随后点击玻璃棒，玻璃棒开始搅拌。

（3）点击玻璃棒，溶液会被引流至容量瓶中。然后点击洗涤按钮，会出现洗涤操作，重复两次。

（4）继续点击洗液瓶，向容量瓶中缓慢加入蒸馏水，当凹液面与容量瓶刻度线差1-2cm时，点击胶头滴管，此时会改为胶头滴管向容量瓶中缓缓加入蒸馏水，当容量瓶内液体凹液面与容量瓶刻度线相切时，点击停止。

（5）点击容量瓶瓶塞，关闭容量瓶。点击摇匀按钮，会出现混合摇匀的操作。

（6）点击实验结束，容量瓶会正确放置好。实验完毕。

借助LabVIEW虚拟仿真软件，可以将抽象的实验理论过程转变为可视化的操控过程，从而加深学生对实验原理及相关知识点的理解，也为化学实验教学提供了新的思路和方式。

四、数字化实验平台在高一化学实验教学中的应用

随着“双新”政策的落实和化学核心素养理念的稳步推进，各种新的化学实验教学方法逐渐被教育工作者挖掘并加以研究使用，其中就包括数字化实验技术。很多学校在原有的传统实验室的基础上，建设数字化实验室，并逐步将其应用于实验教学、实验研究、兴趣学习和研究学习等方面。数字化实验简称DIS（Digital Information System）实验，是由计算机、传感器、数据采集器、相关软件等组成的新型实验技术手段[5]。它是以真实实验为基础完成的实验，基本过程为：传感器先检测到实验过程中产生的数据（如pH、温度、电导率、压强等），然后通过数据采集器，将数据经转换后输入计算机，最后由计算机进行数据和图形分析、处理，从而得到实验现象及结果，如图5所示。