从南京市近三年中考看初中化学数字化实验的渗透
陈勇
摘要：近三年南京市中考化学试题出现了新类型，均渗透了数字化实验数据，对学生的学习能力提出了新的要求。因此，有必要在初中开展数字化实验教学，针对性地提高学生的化学学习能力和化学基本素养。
关键词：中考化学;数字化实验;实验教学
文章编号：1008-0546（2018）10-0082-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
近三年，南京市中考化学试题中均引入了数字化实验，在考查学生能力方面提出了新的要求。基于对实验现象的定性分析，增加对具体实验数据的定量分析;在定性探究实验中物质组成或利用质量守恒定律进行简单含量计算的基础上，进一步定量认识实验过程和现象的本质。需要学生在已有的实验认知上进一步观察、分析、推导，学生容易在做题时迷惘。因此，有必要在平时的实验教学中引入数字化实验，帮助学生学习定量认识实验的变化过程，从新的角度探究化学实验的本质，从而更好地适应中考化学的新理念。
一、数字化化学实验简介
数字化实验装置由传感器（探头）、数据采集器和计算机（软件）三个部分组成，常用于定量采集各种实验数据。与传统化学实验相比，数字化化学实验可以观察和分析化学实验中的微小变化，实时监测和记录化学反应过程中各因素变化，将化学反应和现象的本质转化为直观的、可监测的数据信号，并以图表形式展示其变化特征及趋势，实现定性实验定量化、实验变化过程的可视化和精确化，帮助学生从新的角度去认识化学实验，同时更深入地理解化学现象和反应背后的本质和规律。初中化学实验中常用的传感器主要有温度、湿度、pH值和压强传感器四种[1]。
二、中考化学试题中数字化实验的渗透
近三年南京市中考化学试题中均有渗透了数字化实验。2016年中考实验探究题注明了“用测氧气浓度的传感器测得反应后装置内氧气浓度分别为8.85%和3.21%”，2017年中考实验探究题和2018年选择题都引用了通过pH传感器测定的滴定过程中溶液酸碱度的变化曲线。题中均给出了明确的实验数据，重点考查学生观察图表，分析、推理化学反应本质的能力。
1.2016年中考化学22题：测定空气中O2的体积分数
【试题节选】
实验与交流：在老师的指导下，小明分别用过量的红磷和白磷进行该实验，用测氧气浓度的传感器测得反应后装置内氧气浓度分别为8.85%和3.21%，请从燃烧条件的角度回答产生上述结果的主要原因_________________.
【试题特点】
（1）给出了精确的实验测定数据。尽管传统实验也可以测定空气中氧气的含量，但是无法回避由于实验操作导致的系统误差，测定的结果偏差较大。而采用数字化实验，可以简化繁琐的实验操作，从而有效减小人为误差，使实验结果更加精确。并且，精确的数据更加具备说服力，引导学生跳出传统的人为操作误差分析。
（2）引发学生的认知冲突，激励学生进一步探究实验本质。试题指出采用红磷和白磷两种相似的物质测定，但都存在误差，且实验误差不同。针对该误差分析，題中指出从“燃烧条件的角度”思考，学生通过分析燃烧的三个条件，自然地联想到是由于选用的可燃物不同。进而从物质的性质角度去思考，结合初中阶段对红磷和白磷的已有认知，得出正确的结论：由于二者之间着火点不同，白磷的着火点比红磷低，因此它更易燃烧，更加充分地消耗氧气。学生对燃烧的原理也有了更深的理解。
2.2017年中考21题：探究碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钠的某些性质
【试题节选】
实验探究3：向等体积、含等碳原子数的碳酸氢钠和碳酸钠溶液中，分别逐滴加入一定浓度的盐酸，得到下列PH变化与时间的关系（变化曲线）如图2、图3所示。
交流与反思：b点的溶质为_______（写化学式），将图2和图3的阴影部分进行叠加，发现两者基本重合，c点的溶质_______（写化学式）。
得出结论3：通过上述分析，碳酸钠和盐酸反应过程，可以依次用以下两个化学方程式表示：_______、
结论与反思：通过PH（不同物质的）判断反应的进程。
【试题特点】
（1）以图像的形式直观地呈现反应过程的本质。传统实验在碳酸钠溶液中滴加稀盐酸，学生会观察到开始时无明显现象，过一会开始产生气泡，再根据质量守恒定律推断反应的进程，即反应是否发生以及产物是什么。依据简单的实验现象进行理论性猜想、推理，说服力不足，多数学生无法真正理解反应的本质。通过数字化实验，则可以实时检测反应时溶液的PH值，绘制反应过程中PH变化的图像，直观、清晰地呈现反应中关键物质的变化趋势，使实验过程、结果可视化，物质变化的过程蕴含其中。几个曲线的转折点就是反应物种类改变的时刻，曲线的走势则是反应的进行程度。
（2）利用图像突破知识重难点。试题涉及的内容属于高中化学，在高中教学中也是重难点。如果仍依托于传统实验，初中阶段将无法进行探究和考核。但借助于数字化实验可以检测、记录、绘制反应过程中溶液PH变化的图像，可以顺利引导初中生分析图像中重要关键点的坐标，逐步解析PH变化曲线的走向和趋势，依据图像中观察到的信息，厘清反应的实质，即反应中关键物质的变化。
（3）对学生的学习能力和化学素养提出新的要求。在考查学生根据相应的实验现象判断化学反应实质的基础上，进一步考核学生的观察、分析、理解能力。通过观察、分析实验数据绘制的图像，分析、比较图像中数据差别、联系及变化趋势，推导、认识实验过程中物质的转化，最终理解化学反应的本质。传统的实验探究能够考核的化学知识有限，一定程度上无法进一步提高学生的化学素养，而数字化实验可以为学生提供更多的有效信息，学生在分析中提炼关键信息，探索化学反应的本质，深化原有认知，提高自身的化学素养[2]。
3.2018年中考12题：辨析氢氧化钠和稀盐酸的中和反应
【试题节选】
下图为三种不同浓度的氢氧化钠溶液对应浓度的盐酸反应的曲线。
下列说法正确的是
A.在a、b、c三种曲线所示的实验中，所用盐酸浓度越大，V时所得溶液的PH越大
B.在a曲线所示的实验中，若用酚酞作指示剂，酚酞溶液由红色变为无色
C.在a、b、c三种曲线所示的实验中，反应速率相同
D.在A、B、c三种曲线所示的实验中，溶液酸性由强到弱的顺序是a>b>c
【试题特点】
1.通过图像分析拓展延伸，综合考核重难点。传统实验只是用酚酞作指示剂，通过溶液颜色的改变，证明氢氧化钠和稀盐酸发生了中和反应，并未在中和反应中加入反应物浓度这一概念，且初中阶段通常通过考核反应物的浓度是影响化学反应速度的因素之一。本题中则要求学生进一步通过图像中的起止点，辨析题干中“等浓度”这一概念——对应的酸和碱，起点时酸性越强，终点时碱性也越强，从而准确辨析3条PH曲线的归属。
2.跳出“理想实验”，考核客观实验事实。在实际教学中，学生往往会有疑问：为什么中和反应溶液的pH变化情况不是直线，并且都在pH=7时曲线陡升或陡降？传统实验无法很好地解决这一问题，而通过数字化实验实时、准确地测定溶液的pH值，呈现清晰的PH变化过程及趋势，学生能直观地认识中和反应，理解该反应的特点，正确认识溶液的酸碱度这一概念。
总之，数字化实验特有的感官的延伸、表征的多元、数据的可靠、处理的科学，能够揭示实验现象的本质、实现定性实验定量化、实验变化过程的可视化和精确化，是传统实验教学有力的辅助、补充和拓展，与传统化学实验可优势互补、相得益彰。对于教师来说，我们要与时俱进，更新教育教学现念，探索将传统实验与数字化化学实验相结合的新途径，提高学生的化学学科素养。
参考文献
[1]朱鹏飞.传感技术在化学教学中应用情况的调查及分析[J].北学教与学，2014（6）：21-24
[2]唐增富.数字化实验是助推中学化学教学的利器[J].中学化学教学参考，2018（Z1）：26-30
摘要：近三年南京市中考化学试题出现了新类型，均渗透了数字化实验数据，对学生的学习能力提出了新的要求。因此，有必要在初中开展数字化实验教学，针对性地提高学生的化学学习能力和化学基本素养。
关键词：中考化学;数字化实验;实验教学
文章编号：1008-0546（2018）10-0082-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
近三年，南京市中考化学试题中均引入了数字化实验，在考查学生能力方面提出了新的要求。基于对实验现象的定性分析，增加对具体实验数据的定量分析;在定性探究实验中物质组成或利用质量守恒定律进行简单含量计算的基础上，进一步定量认识实验过程和现象的本质。需要学生在已有的实验认知上进一步观察、分析、推导，学生容易在做题时迷惘。因此，有必要在平时的实验教学中引入数字化实验，帮助学生学习定量认识实验的变化过程，从新的角度探究化学实验的本质，从而更好地适应中考化学的新理念。
一、数字化化学实验简介
数字化实验装置由传感器（探头）、数据采集器和计算机（软件）三个部分组成，常用于定量采集各种实验数据。与传统化学实验相比，数字化化学实验可以观察和分析化学实验中的微小变化，实时监测和记录化学反应过程中各因素变化，将化学反应和现象的本质转化为直观的、可监测的数据信号，并以图表形式展示其变化特征及趋势，实现定性实验定量化、实验变化过程的可视化和精确化，帮助学生从新的角度去认识化学实验，同时更深入地理解化学现象和反应背后的本质和规律。初中化学实验中常用的传感器主要有温度、湿度、pH值和压强传感器四种[1]。
二、中考化学试题中数字化实验的渗透
近三年南京市中考化学试题中均有渗透了数字化实验。2016年中考实验探究题注明了“用测氧气浓度的传感器测得反应后装置内氧气浓度分别为8.85%和3.21%”，2017年中考实验探究题和2018年选择题都引用了通过pH传感器测定的滴定过程中溶液酸碱度的变化曲线。题中均给出了明确的实验数据，重点考查学生观察图表，分析、推理化学反应本质的能力。
1.2016年中考化学22题：测定空气中O2的体积分数
【试题节选】
实验与交流：在老师的指导下，小明分别用过量的红磷和白磷进行该实验，用测氧气浓度的传感器测得反应后装置内氧气浓度分别为8.85%和3.21%，请从燃烧条件的角度回答产生上述结果的主要原因_________________.
【试题特点】
（1）给出了精确的实验测定数据。尽管传统实验也可以测定空气中氧气的含量，但是无法回避由于实验操作导致的系统误差，测定的结果偏差较大。而采用数字化实验，可以简化繁琐的实验操作，从而有效减小人为误差，使实验结果更加精确。并且，精确的数据更加具备说服力，引导学生跳出传统的人为操作误差分析。
（2）引发学生的认知冲突，激励学生进一步探究实验本质。试题指出采用红磷和白磷两种相似的物质测定，但都存在误差，且实验误差不同。针对该误差分析，題中指出从“燃烧条件的角度”思考，学生通过分析燃烧的三个条件，自然地联想到是由于选用的可燃物不同。进而从物质的性质角度去思考，结合初中阶段对红磷和白磷的已有认知，得出正确的结论：由于二者之间着火点不同，白磷的着火点比红磷低，因此它更易燃烧，更加充分地消耗氧气。学生对燃烧的原理也有了更深的理解。
2.2017年中考21题：探究碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钠的某些性质
【试题节选】
实验探究3：向等体积、含等碳原子数的碳酸氢钠和碳酸钠溶液中，分别逐滴加入一定浓度的盐酸，得到下列PH变化与时间的关系（变化曲线）如图2、图3所示。
交流与反思：b点的溶质为_______（写化学式），将图2和图3的阴影部分进行叠加，发现两者基本重合，c点的溶质_______（写化学式）。
得出结论3：通过上述分析，碳酸钠和盐酸反应过程，可以依次用以下两个化学方程式表示：_______、
结论与反思：通过PH（不同物质的）判断反应的进程。
【试题特点】
（1）以图像的形式直观地呈现反应过程的本质。传统实验在碳酸钠溶液中滴加稀盐酸，学生会观察到开始时无明显现象，过一会开始产生气泡，再根据质量守恒定律推断反应的进程，即反应是否发生以及产物是什么。依据简单的实验现象进行理论性猜想、推理，说服力不足，多数学生无法真正理解反应的本质。通过数字化实验，则可以实时检测反应时溶液的PH值，绘制反应过程中PH变化的图像，直观、清晰地呈现反应中关键物质的变化趋势，使实验过程、结果可视化，物质变化的过程蕴含其中。几个曲线的转折点就是反应物种类改变的时刻，曲线的走势则是反应的进行程度。
（2）利用图像突破知识重难点。试题涉及的内容属于高中化学，在高中教学中也是重难点。如果仍依托于传统实验，初中阶段将无法进行探究和考核。但借助于数字化实验可以检测、记录、绘制反应过程中溶液PH变化的图像，可以顺利引导初中生分析图像中重要关键点的坐标，逐步解析PH变化曲线的走向和趋势，依据图像中观察到的信息，厘清反应的实质，即反应中关键物质的变化。
（3）对学生的学习能力和化学素养提出新的要求。在考查学生根据相应的实验现象判断化学反应实质的基础上，进一步考核学生的观察、分析、理解能力。通过观察、分析实验数据绘制的图像，分析、比较图像中数据差别、联系及变化趋势，推导、认识实验过程中物质的转化，最终理解化学反应的本质。传统的实验探究能够考核的化学知识有限，一定程度上无法进一步提高学生的化学素养，而数字化实验可以为学生提供更多的有效信息，学生在分析中提炼关键信息，探索化学反应的本质，深化原有认知，提高自身的化学素养[2]。
3.2018年中考12题：辨析氢氧化钠和稀盐酸的中和反应
【试题节选】
下图为三种不同浓度的氢氧化钠溶液对应浓度的盐酸反应的曲线。
下列说法正确的是
A.在a、b、c三种曲线所示的实验中，所用盐酸浓度越大，V时所得溶液的PH越大
B.在a曲线所示的实验中，若用酚酞作指示剂，酚酞溶液由红色变为无色
C.在a、b、c三种曲线所示的实验中，反应速率相同
D.在A、B、c三种曲线所示的实验中，溶液酸性由强到弱的顺序是a>b>c
【试题特点】
1.通过图像分析拓展延伸，综合考核重难点。传统实验只是用酚酞作指示剂，通过溶液颜色的改变，证明氢氧化钠和稀盐酸发生了中和反应，并未在中和反应中加入反应物浓度这一概念，且初中阶段通常通过考核反应物的浓度是影响化学反应速度的因素之一。本题中则要求学生进一步通过图像中的起止点，辨析题干中“等浓度”这一概念——对应的酸和碱，起点时酸性越强，终点时碱性也越强，从而准确辨析3条PH曲线的归属。
2.跳出“理想实验”，考核客观实验事实。在实际教学中，学生往往会有疑问：为什么中和反应溶液的pH变化情况不是直线，并且都在pH=7时曲线陡升或陡降？传统实验无法很好地解决这一问题，而通过数字化实验实时、准确地测定溶液的pH值，呈现清晰的PH变化过程及趋势，学生能直观地认识中和反应，理解该反应的特点，正确认识溶液的酸碱度这一概念。
总之，数字化实验特有的感官的延伸、表征的多元、数据的可靠、处理的科学，能够揭示实验现象的本质、实现定性实验定量化、实验变化过程的可视化和精确化，是传统实验教学有力的辅助、补充和拓展，与传统化学实验可优势互补、相得益彰。对于教师来说，我们要与时俱进，更新教育教学现念，探索将传统实验与数字化化学实验相结合的新途径，提高学生的化学学科素养。
参考文献
[1]朱鹏飞.传感技术在化学教学中应用情况的调查及分析[J].北学教与学，2014（6）：21-24
[2]唐增富.数字化实验是助推中学化学教学的利器[J].中学化学教学参考，2018（Z1）：26-30
