淺談數(shù)字傳感技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

徐志宏

摘要：通過(guò)對(duì)數(shù)字傳感技術(shù)特點(diǎn)的分析，總結(jié)了數(shù)字傳感技術(shù)在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、突破學(xué)習(xí)疑難點(diǎn)、創(chuàng)設(shè)習(xí)題素材和開(kāi)展第二課堂等方面與化學(xué)教學(xué)整合應(yīng)用的規(guī)律，并且結(jié)合具體實(shí)例作了進(jìn)一步解釋說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：數(shù)字傳感技術(shù)；化學(xué)教學(xué)；教學(xué)整合

文章編號(hào)：1005–6629（2013）9–0049–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，教育現(xiàn)代化得到不斷推進(jìn)，給教學(xué)帶來(lái)了更大便利，給教育發(fā)展帶來(lái)了革命性影響?！秶?guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》也指出：要充分利用科技成果去開(kāi)發(fā)新的學(xué)習(xí)資源和先進(jìn)技術(shù)，整合現(xiàn)有資源，促進(jìn)教育內(nèi)容、教學(xué)手段和方法現(xiàn)代化，達(dá)到教學(xué)最優(yōu)化，取得最佳的教育效果。

近年來(lái)，以傳感器為代表的數(shù)字化設(shè)備逐步進(jìn)入中學(xué)實(shí)驗(yàn)室，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)得到不斷開(kāi)展。數(shù)字傳感技術(shù)是指利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)中不可見(jiàn)的、不顯著的微觀變化轉(zhuǎn)化成宏觀的數(shù)據(jù)、圖表的一種技術(shù)，是信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)整合的重要途徑之一。數(shù)字傳感技術(shù)具有操作方便、測(cè)量準(zhǔn)確、現(xiàn)象直觀、原理可視等突出優(yōu)點(diǎn)，有利于突出教學(xué)重點(diǎn)、突破難點(diǎn)；其結(jié)果表達(dá)具有數(shù)據(jù)化、圖表化的特點(diǎn)，展示了動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)鏈，有利于引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用動(dòng)態(tài)化的思維方式分析圖表，提高閱讀科學(xué)文獻(xiàn)的能力。

但是，目前還有不少教師由于傳統(tǒng)觀念的禁錮，對(duì)數(shù)字傳感技術(shù)缺少足夠的認(rèn)識(shí)，甚至在思想上還有所排斥，沒(méi)能主動(dòng)融入到數(shù)字傳感技術(shù)與中學(xué)化學(xué)教學(xué)整合研究的潮流中去，實(shí)為一件憾事！現(xiàn)就數(shù)字傳感技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用談些看法，以期引起同行的重視。

1 數(shù)字傳感技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1.1 改進(jìn)演示實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)原理揭示的簡(jiǎn)便性

化學(xué)知識(shí)的教學(xué)，特別是化學(xué)原理的教學(xué)，一般比較抽象，難度較大。為此，教學(xué)中都會(huì)安排一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)，展現(xiàn)明顯的現(xiàn)象，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生分析其中的原理。但是現(xiàn)象并不能讓學(xué)生直接地揭示反應(yīng)的原理，還需要教師在兩者之間架設(shè)一座橋梁，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)接。然而，由現(xiàn)象揭示反應(yīng)原理并不是一件簡(jiǎn)單的事，往往耗時(shí)長(zhǎng)、效果也不太好，這也正是教師覺(jué)得化學(xué)原理難教、學(xué)生覺(jué)得化學(xué)原理難學(xué)的重要原因。數(shù)字傳感技術(shù)能從多個(gè)角度測(cè)量反應(yīng)體系中各物理量的變化，能將通常觀察不到的變化更直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生的眼前，能更簡(jiǎn)便地揭示反應(yīng)原理。

例如在氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)中，部分學(xué)生的理解僅限于對(duì)表面和現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，或者說(shuō)還停留在記憶的層次上，沒(méi)能掌握“形成內(nèi)外壓強(qiáng)差”這個(gè)關(guān)鍵。為此，我們?cè)谝肓藟簭?qiáng)傳感器，并將它連接在燒瓶和計(jì)算機(jī)之間。裝置組裝完畢后，我們點(diǎn)擊“采集”按鈕，觀察初始時(shí)氣體的壓強(qiáng)；然后擠壓膠頭滴管中的水，一邊振蕩燒瓶，一邊觀察氣體壓強(qiáng)的變化；再打開(kāi)下方彈簧夾，觀察燒瓶?jī)?nèi)的現(xiàn)象和氣體壓強(qiáng)的變化（見(jiàn)圖1）。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，學(xué)生就能直觀的看到是內(nèi)外壓強(qiáng)差使下方的液體沿導(dǎo)管上升形成噴泉，輕易就得出“氨氣極易溶于水”的結(jié)論，節(jié)省了時(shí)間，提高了教學(xué)效果。

1.2 改進(jìn)定量實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)化操作提高準(zhǔn)確性

定量研究是現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展的方向，也是實(shí)驗(yàn)走向精密化的要求。傳統(tǒng)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)受設(shè)備和條件的制約，偏重于定性研究，對(duì)定量研究涉及較少，而且存在操作繁瑣、測(cè)量數(shù)據(jù)多、誤差大等缺憾。數(shù)字傳感技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、測(cè)量準(zhǔn)確等特點(diǎn)，能夠簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作，提高測(cè)量準(zhǔn)確性，便于學(xué)生集中精力分析數(shù)據(jù)，探求其中隱藏的規(guī)律。

例如在中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生要一邊攪拌一邊讀出溫度計(jì)的讀數(shù)，而且還要敏銳抓住最高溫度，往往顧此失彼。為此，我們引入了溫度傳感器和磁力攪拌器，減去環(huán)形玻璃攪拌器。實(shí)驗(yàn)中，先測(cè)出0.55 mol/L NaOH溶液和0.50 mol/L鹽酸的初始溫度，然后啟動(dòng)攪拌器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將50 mL NaOH溶液迅速倒入量熱器中，蓋緊蓋子，待溫度基本不變時(shí)停止采集（見(jiàn)圖2）。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，攪拌、讀數(shù)的事情交給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成（見(jiàn)圖3），再用系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)功能即可直接獲得實(shí)驗(yàn)的最低溫度和最高溫度（見(jiàn)圖4）。學(xué)生則完全解放出來(lái)，集中精力思考如何利用數(shù)據(jù)求出中和熱，幫助學(xué)生獲得測(cè)量反應(yīng)熱的切身體驗(yàn)，初步掌握反應(yīng)熱的測(cè)量方法，更能突出實(shí)驗(yàn)的主要目的。

2 數(shù)字傳感技術(shù)應(yīng)用于疑難點(diǎn)的突破

化學(xué)教學(xué)中，常常有一些知識(shí)比較抽象，學(xué)生缺少感性認(rèn)識(shí)，而傳統(tǒng)方法又無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或無(wú)法提供較好的驗(yàn)證方案。學(xué)生在學(xué)習(xí)這些知識(shí)時(shí)，常常遇到較大困難，逐漸產(chǎn)生迷思概念，出現(xiàn)學(xué)習(xí)的疑問(wèn)點(diǎn)和難點(diǎn)。而數(shù)字傳感技術(shù)能夠從多個(gè)角度呈現(xiàn)反應(yīng)的信息，幫助學(xué)生尋找到最適合的認(rèn)識(shí)角度，而且各個(gè)信息相互印證，成為突破教學(xué)疑點(diǎn)和難點(diǎn)的利器。

（1）CuSO4溶液初始pH約為4.6，用離子方程式表示其原因?yàn)?。

（2）15.00 mL時(shí)，取出少量沉淀，加入鹽酸，沉淀溶解；向所得溶液中再加入BaCl2溶液，有白色沉淀產(chǎn)生。已知此時(shí)沉淀只有一種，通過(guò)計(jì)算可知其化學(xué)式為 。

（3）寫(xiě)出18.00～20.00 mL時(shí)體系中反應(yīng)的離子方程式為 。

（4）20.00～30.00 mL時(shí)沉淀溶解的原因可能是 。

4 數(shù)字傳感技術(shù)應(yīng)用于第二課堂的開(kāi)展

2001年頒發(fā)的《基礎(chǔ)教育課程改革綱要》明確要求 ，“改變課程實(shí)施過(guò)于強(qiáng)調(diào)接受學(xué)習(xí)、死記硬背、機(jī)械訓(xùn)練的現(xiàn)狀”。高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)也要求，“開(kāi)展化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)”，“促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變”。在研究性學(xué)習(xí)中，經(jīng)常需要開(kāi)展定量或半定量研究，測(cè)量各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析樣品是否合格，這在以前是個(gè)很大的困難，因?yàn)橹袑W(xué)階段能用于定量測(cè)量的儀器太少了。為此，我們將數(shù)字傳感器引入第二課堂，它能直接測(cè)量溶液中Ca2+、Cl-、SO4 2-、CO2、SO2、O3等離子和分子的濃度，還能通過(guò)比色計(jì)傳感器測(cè)出常見(jiàn)無(wú)機(jī)離子和許多有機(jī)化合物的濃度，使學(xué)生關(guān)注的、與生產(chǎn)生活密切相關(guān)的課外研究成為現(xiàn)實(shí)。可以說(shuō)，數(shù)字傳感技術(shù)的引入，推動(dòng)了研究性學(xué)習(xí)走向深層次研究，進(jìn)一步增強(qiáng)了學(xué)生主動(dòng)參與研究、親身體驗(yàn)科學(xué)研究的愿望，有利于幫助學(xué)生獲得科學(xué)研究的體驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變。

例如，在開(kāi)展“常見(jiàn)補(bǔ)鐵試劑的性價(jià)比”[2]研究時(shí)，需要測(cè)定各種補(bǔ)鐵樣品中鐵的含量。這在以前幾乎不能完成，因?yàn)楦鞣N樣品中鐵元素的含量都很低，用普通天平根本無(wú)法測(cè)出其所得沉淀的質(zhì)量。引入比色計(jì)之后，我們先借助于[Fe（SCN）5]2-鮮明的顏色，測(cè)出標(biāo)準(zhǔn)溶液的透光度（T），利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的函數(shù)自動(dòng)繪制lg（1/T）-c（Fe3+）標(biāo)準(zhǔn)曲線（見(jiàn)圖6）。然后稱取25 g各種固態(tài)補(bǔ)血?jiǎng)┰谯釄逯谐浞肿茻?，完全炭化后加足量稀硝酸溶解（液體樣品直接取一支溶于稀硝酸中），定容后測(cè)出其透光度并轉(zhuǎn)化成lg（1/T），再?gòu)臉?biāo)準(zhǔn)曲線中求出c（Fe3+），計(jì)算出補(bǔ)血?jiǎng)┲需F元素的含量。

數(shù)字傳感技術(shù)作為一種新興的信息化教育技術(shù)，正逐步進(jìn)入中學(xué)化學(xué)課堂，前景值得期待。作為一線教師，我們要積極投入到這場(chǎng)信息化教學(xué)的潮流中去，主動(dòng)探索如何利用數(shù)字傳感技術(shù)優(yōu)化化學(xué)教學(xué)、提升教學(xué)效果，探索數(shù)字傳感技術(shù)與中學(xué)化學(xué)教學(xué)的整合模式。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱鵬飛，馬宏佳等.利用傳感技術(shù)對(duì)硫酸銅與氫氧化鈉反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2008，（9）：34～36.

[2]魏銳，王磊等.含鐵物質(zhì)中鐵元素含量的測(cè)定[J].化學(xué)教育，2006，（7）：50～51.