数字化实验在高中化学教学中的应用策略

钱斌

云南省曲靖市罗平县第三中学 655800

摘要： 数字化实验以其实时性、准确性、直观性和综合性的技术特征，为解决传统化学实验教学中数据精度不足、现象不直观、抽象概念难表征等结构性局限提供了新路径。本文基于人教版高中化学教材，从数字化实验在高中化学教学中的价值定位出发，分析其在核心素养培育中的独特功能，并结合传感器技术在酸碱中和滴定、沉淀溶解平衡、盐类水解、化学反应速率等典型教学场景中的应用案例，系统阐述数字化实验的实施路径与教学策略，同时针对设备成本、教师素养、课程整合等现实挑战提出应对建议，旨在为高中化学教学从“经验定性”走向“数据定量”提供理论与实践参照。

关键词： 数字化实验；高中化学；传感器技术；核心素养；教学策略

一、问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》将“科学探究与创新意识”“证据推理与模型认知”确立为化学学科核心素养的重要维度，强调“以化学实验为主的多种探究活动”在素养培育中的核心作用。实验教学是学生理解化学概念、掌握化学规律、发展科学思维的基本途径。然而，传统高中化学实验教学长期面临三重结构性局限：其一，数据采集的粗放性——传统实验多依赖人工读数与主观观察，精度有限，难以支撑定量分析与深度探究；其二，微观过程的不可视性——许多化学反应涉及微观粒子层面的变化，传统实验只能观察宏观现象，难以揭示微观机理；其三，动态变化的不可追踪性——传统实验多为“终点式”观察，难以实时记录反应过程中物理量的连续变化。这些问题制约了学生对化学原理的深度理解。

数字化实验的引入为解决上述困境提供了技术支撑。数字化实验是指借助传感器、数据采集器和计算机等数字化设备，对化学实验过程中的物理量进行实时、连续的测量与记录，并通过软件自动生成数据图表与分析报告的一种实验教学模式。与传统实验相比，数字化实验具有实时性、准确性、直观性和综合性的技术优势。如何将数字化实验系统融入高中化学教学，构建可操作的应用策略体系，成为一线化学教师亟待探索的重要课题。

二、数字化实验的教学价值与理论基础

（一）数字化实验对核心素养培育的支撑作用

化学学科核心素养的五个维度均可在数字化实验教学中找到精准的对应与支撑。其一，数字化实验推动“宏观辨识”走向“微观探析”。 传统实验教学中，学生观察到的往往是宏观现象，而对微观粒子的行为缺乏直观感知。数字化实验通过传感器将微观层面的变化转化为可视化的数据曲线，使“微观”变得可感、可测、可分析。例如，在弱电解质电离教学中，利用电导率传感器测定冰醋酸稀释过程中的电导率变化，学生能够从数据曲线中直观“看见”电离程度的逐步增大。其二，数字化实验强化“证据推理与模型认知”。 数字化实验的核心优势在于用数据说话。学生在分析实验曲线、解释数据异常、归纳变化规律的过程中，必须基于证据进行推理。数字化实验通过“实时数据—动态曲线—规律探究”的认知链条，推动学生从被动观察转向主动设计。其三，数字化实验激活“科学探究与创新意识”。 学生可以自主设计变量、调整实验条件、对比不同方案的数据差异，在真实的探究过程中体验科学发现的历程。

（二）数字化实验的理论基础

数字化实验的教学应用以建构主义学习理论为重要依据——知识是学习者在与技术环境、社会情境的深度互动中主动建构的。数字化实验所营造的“数据驱动”的探究环境，恰好为学生提供了主动建构化学知识的认知情境。学生在操作传感器、观察数据曲线、分析变化规律的过程中，不是被动接收教师的结论，而是在与实验数据的“对话”中自主建构对化学原理的理解。此外，手持技术数字化实验还承载着“四重表征”的教学功能——将宏观现象、微观粒子、符号表达与曲线数据四个维度有机整合，帮助学生建立多维度的化学认知图式。

三、数字化实验在高中化学教学中的应用策略

基于人教版高中化学教材的内容体系与教学要求，数字化实验的应用可从“实验改进型应用”“疑难突破型应用”“探究拓展型应用”三个层面展开。

（一）实验改进型应用：以数字化技术优化教材实验

人教版高中化学教材中的许多经典实验，由于操作复杂、现象不明显或数据精度不足，在教学实践中往往难以达到预期效果。数字化实验为这些实验的优化改进提供了有效路径。

案例一：酸碱中和滴定的数字化改进。 传统酸碱中和滴定实验中，学生通过指示剂颜色变化判断滴定终点，存在主观性强、误差较大的问题。利用pH传感器实时监测滴定过程中溶液pH的连续变化，系统自动绘制“pH—体积”滴定曲线，学生可以清晰观察到滴定突跃的范围，并基于曲线拐点精确确定终点。在“一元强酸与一元弱酸的比较”教学中，教师引导学生分别用NaOH滴定盐酸和醋酸，通过对比两条滴定曲线的形态差异，学生能够直观理解强酸与弱酸在电离程度上的本质区别。

案例二：中和反应热测定的数字化改进。 传统中和反应热测定实验受限于温度计精度和人工读数的滞后性，误差较大。高精度温度传感器能够自动记录反应过程中温度的细微变化，并绘制温度变化曲线，精准捕捉反应热的关键数据。学生通过分析曲线的升温段与降温段，可以更准确地计算中和热，同时理解热交换过程中的能量变化规律。

案例三：氯气制备与性质检验的一体化改进。 传统氯气制备实验存在装置烦琐、污染大等缺点。利用定制的双具支试管、pH传感器及注射器等仪器对实验装置进行重新设计，可实现氯气制备与性质检验的一体化、微型化。pH传感器实时监测氯水pH的变化，帮助学生理解氯气与水反应的动态过程。

（二）疑难突破型应用：以数据可视化化解教学难点

高中化学中存在若干抽象概念与疑难问题，传统教学手段往往难以帮助学生形成科学的认知。数字化实验通过将抽象过程转化为可视数据，为解决这些教学难点提供了有效路径。

案例一：沉淀溶解平衡的动态表征。 “沉淀溶解平衡”是高中化学的重难点内容，传统实验难以证实沉淀的生成和溶解是一个动态平衡的过程。利用离子浓度传感器实时监测AgCl沉淀溶解平衡体系中Ag⁺浓度的变化，当向体系中加入AgNO₃溶液时，传感器能够实时捕捉Ag⁺浓度的上升与随后因沉淀生成而下降的动态过程，将抽象的“平衡移动”转化为可视的曲线变化。学生通过分析曲线，能够直观理解“动态平衡”的本质内涵。

案例二：弱电解质电离的定量探究。 弱电解质的电离是学生理解水溶液平衡的基础，但其“部分电离、存在平衡”的特征难以通过传统实验直观呈现。利用电导率传感器测定醋酸溶液稀释过程中的电导率变化，可以发现电导率并非随稀释而线性下降，而是在某一浓度区间出现“异常”变化——这一“异常”恰恰揭示了醋酸电离度随稀释而增大的本质。学生在分析曲线“异常”的过程中，自主发现“越稀越电离”的规律。

案例三：化学平衡移动的数字化表征。 “温度对化学平衡移动的影响”是勒夏特列原理的核心内容，但传统实验多依赖颜色变化等定性观察，难以精确反映平衡移动的程度。利用色度传感器或特定离子浓度传感器，可以实时监测平衡体系在温度变化过程中的组成变化，将“平衡移动”这一抽象概念转化为可量化、可追踪的数据曲线。

（三）探究拓展型应用：以开放任务激活创新思维

数字化实验不仅可用于验证已知结论，更可成为学生开展自主探究、培养创新思维的有效平台。

案例一：原电池优化的探究性实验。 在原电池教学中，教师可引导学生利用电压传感器和电流传感器，自主探究电极材料、电解质溶液、盐桥类型等因素对电池电动势和输出功率的影响。学生分组设计实验方案、采集数据、分析曲线，在对比不同方案的输出性能中理解原电池的工作原理与优化方向。

案例二：金属腐蚀与防护的数字化探究。 “金属的腐蚀与防护”教学中，利用电压传感器和pH传感器测定不同环境条件下铁的电化学腐蚀过程中的电位变化与pH变化，帮助学生深入理解腐蚀机理与防护原理。学生可以自主设计对比实验——将铁钉置于不同pH、不同盐浓度的溶液中，通过传感器实时监测腐蚀速率的变化。

案例三：真实情境驱动的跨学科项目。 数字化实验可以融入跨学科项目式学习。例如，“食盐中碘含量的测定”项目，以真实生活问题为驱动，学生基于Arduino平台搭建自动化氧化还原滴定装置，利用传感器进行定量检测。学生在完成真实任务的过程中，综合运用化学、信息技术、数学等多学科知识与方法，创新能力与综合素养得到协同发展。

四、数字化实验教学的实施原则

（一）目标导向原则：服务素养培育而非技术炫耀

数字化实验的引入应以核心素养培育为根本目的，而非为“用技术而用技术”。教师在设计数字化实验教学时，应首先明确“通过这个实验要发展学生哪方面的素养”，再思考“数字化技术如何更好地服务于这一目标”。实验数据的获取与分析应服务于学生对化学原理的理解，而非止于图表的美观展示。

（二）适度整合原则：数字化实验与传统实验的有机互补

数字化实验并非要取代传统实验，而是与之形成互补。传统实验在培养学生基本操作技能、观察能力、直觉判断等方面具有不可替代的价值；数字化实验则在数据精度、动态追踪、定量分析等方面具有优势。教师应根据教学内容的特点合理选择实验方式，两者有机结合方能实现最佳教学效果。

（三）学生主体原则：让学生在数据中建构意义

数字化实验教学中，教师应避免“教师操作、学生看曲线”的被动模式。应尽可能让学生亲自操作传感器、采集数据、分析图表、解释异常，在“做中学”中实现知识的意义建构。教师应设计有梯度的问题链，引导学生在数据分析中自主发现规律，而非直接告知结论。

（四）循序渐进原则：从模仿到独立探究

学生从传统实验过渡到数字化实验需要一个适应过程。教师应遵循“教师演示—模仿操作—自主设计—创新探究”的进阶路径，逐步提升学生在数字化实验中的自主性。初期可由教师演示数字化实验的操作流程与数据分析方法，后期逐步放手让学生自主设计探究方案。

五、现实挑战与应对策略

（一）设备成本与资源配置

数字化实验设备的采购成本较高，部分学校面临设备不足的困难。对此，可采取以下策略：一是分阶段、分批次采购，优先配置pH传感器、温度传感器等通用性强、使用频率高的设备；二是探索“低成本数字化实验”路径，利用便携式传感器与学校现有电脑搭建简易数字化实验平台；三是加强校际资源共享与区域协同，通过教研联合体实现设备的共建共享。

（二）教师数字素养的提升

数字化实验对教师的技术操作能力与数据分析能力提出了更高要求。应加强教师专题培训，通过“理论研修+实操演练+课例研讨”的多元形式，帮助教师掌握数字化实验设备的基本操作、数据采集方法、图表解读策略与教学设计技巧。学校教研组应将数字化实验纳入集体备课与公开课研讨的常态化内容。

（三）课程整合的深度推进

数字化实验不应游离于常规教学之外，而应深度融入课程体系。教师应以人教版教材为依托，系统梳理各章节中适宜开展数字化实验的教学内容。建议学校教研组编制“数字化实验教学指南”，明确各年级、各单元的数字化实验推荐项目与实施建议，使数字化实验从“教师个人的自发行为”上升为“教研组的系统行动”。

六、结语

数字化实验是信息技术与化学教学深度融合的产物，也是高中化学教学从“经验定性”走向“数据定量”的重要标志。以传感器为核心工具的数字化实验，以其实时性、准确性、直观性的技术优势，有效突破了传统实验在数据精度、微观表征和动态追踪等方面的结构性局限，为化学学科核心素养的培育开辟了新的实践空间。从酸碱中和滴定的曲线分析到沉淀溶解平衡的动态表征，从弱电解质电离的定量探究到原电池性能的优化设计，数字化实验正在将抽象的化学原理转化为可感、可测、可视的数据图景。然而，数字化实验的推广与深化仍面临设备成本、教师素养、课程整合等多重挑战，需要教育行政部门、教师群体与教研团队协同探索，使数字化实验真正从“技术的点缀”走向“教学的基石”。

参考文献：

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[7] 基于数字化实验发展学生学科关键能力的教学实践——以“沉淀溶解平衡”为例[J]. 中学化学, 2025(02).

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[9] 数字化实验赋能高中化学教学革新——安徽师范大学附属中学省级教育信息技术课题顺利结题[EB/OL]. 安徽师范大学附属中学, 2025-08-13.

[10] 恩施高中化学实验教学迈入数字化常态化应用新阶段[EB/OL]. 云上恩施, 2026-06-24.

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