初中化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的探索

摘要：對(duì)酒精燈火焰溫度、中和滴定等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)作了數(shù)字化的改進(jìn)，同時(shí)開(kāi)發(fā)了濃硫酸吸水性、酸堿稀釋過(guò)程的pH變化等數(shù)字實(shí)驗(yàn)。相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果立現(xiàn)、客觀和定量。開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)還彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空白。這些數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在一定程度上可改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，有利于探究教學(xué)的深層次發(fā)展。

關(guān)鍵詞：初中化學(xué)；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和設(shè)計(jì)；化學(xué)實(shí)驗(yàn)探索

文章編號(hào)：1005–6629（2013）12–0048–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

2011版課標(biāo)在教學(xué)建議中強(qiáng)調(diào)了教師“尤其要注重有效發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的作用”的要求[1]，2012版滬教版九年級(jí)化學(xué)教材（下冊(cè)）首次安排了這樣的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)[2]：將在集氣瓶中獲取的二氧化硫氣體溶于水后，取樣滴加石灰水，并用數(shù)字pH計(jì)記錄這個(gè)過(guò)程的pH變化。這些課改新要求對(duì)初中化學(xué)教學(xué)提出了一些新課題：哪些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行數(shù)字化改造？哪些以前不好做的實(shí)驗(yàn)可以用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)？如何發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的作用等等。近幾年數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中學(xué)段有了一些進(jìn)展和應(yīng)用[3][4][5]，但是我們尚未發(fā)現(xiàn)在初中學(xué)段應(yīng)用的文獻(xiàn)報(bào)道。為了盡快適應(yīng)新課標(biāo)和新教材，我們根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，選取了若干效果比較差的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)字化改進(jìn)，同時(shí)也開(kāi)發(fā)了若干新實(shí)驗(yàn)，填補(bǔ)了一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)空白。這些實(shí)驗(yàn)根據(jù)教學(xué)實(shí)際可以用于演示、分組和探究活動(dòng)。教學(xué)實(shí)踐表明，由于具有面向全體學(xué)生、結(jié)果立現(xiàn)、表征新穎、數(shù)據(jù)可以保留和重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，嘗試使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生更關(guān)注實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)更主動(dòng)，交流討論更活躍，觀察和分析圖表的能力有所提高，初步營(yíng)造了樂(lè)于探究、敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的課堂教學(xué)氛圍。

1 改進(jìn)類

1.1 酒精燈火焰溫度的測(cè)定（分組實(shí)驗(yàn)）

1.1.1 傳統(tǒng)的方法

將火柴梗平放火焰中，觀察炭化情況（如圖1所示），因?yàn)槟静牡奶炕且粋€(gè)復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程，其炭化程度是由受熱的溫度、受熱的時(shí)間和氧氣的含量等多種因素共同決定，因此，木條的炭化程度不能完全反映酒精燈火焰溫度的高低。這在實(shí)驗(yàn)方法的條件控制上是不夠科學(xué)的，而且火柴梗很小，插入時(shí)間稍長(zhǎng)基本上整體都炭化，反映不出火焰的層次和溫度差，效果不理想

1.1.2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

（1）點(diǎn)燃酒精燈，連接艾迪生PDA（安裝Edislab軟件）、溫度傳感器。

（2）啟動(dòng)軟件。系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別所接入的傳感器，并顯示初始值（室溫）。

如圖1，將溫度探頭依次放入焰心、內(nèi)焰和外焰（注：探頭的高度基本上依次位于燈芯上方、火焰高度的一半和火焰頂部。每次放入前探頭溫度要恢復(fù)到室溫，探頭每次伸入火焰時(shí)間為10 s）。

各個(gè)小組測(cè)得的數(shù)據(jù)匯總于表1。

從表1可以看出，采用數(shù)字技術(shù)后，酒精燈火焰的層次似乎“躍然于眼前”，而且溫差分明：外焰>內(nèi)焰>焰心（雖然有學(xué)者認(rèn)為內(nèi)焰溫度高于外焰，但就初中化學(xué)教學(xué)而言，我們認(rèn)為無(wú)此必要：因?yàn)閮?nèi)外焰的界限在哪里僅僅是一個(gè)學(xué)術(shù)性話題，內(nèi)外焰用肉眼是難以分辨的）。從定性的模糊判斷到比較精確的測(cè)定溫度，實(shí)驗(yàn)手段發(fā)生了根本性的改變，帶動(dòng)了學(xué)生認(rèn)知的積極性。在同一節(jié)課的演示中，筆者還用高溫探頭測(cè)試了酒精噴燈的燈焰溫度，測(cè)定峰值穩(wěn)定在900～1000℃。觀看此實(shí)驗(yàn)，學(xué)生非常投入，而且記憶牢固，對(duì)于方程式教學(xué)中以往容易混淆的“高溫”和“加熱”條件有了較深刻的理解。

1.2 中和反應(yīng)的確定和反應(yīng)前后溫度的變化（演示實(shí)驗(yàn)）

1.2.1 傳統(tǒng)方法

用酚酞做指示劑，向稀氫氧化鈉中不斷滴加稀鹽酸（每滴一滴就要攪拌一次），直到紅色突然變成無(wú)色為止，如圖2所示。同時(shí)還要在燒杯中事先放好一只溫度計(jì)，觀察溫度的變化。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的弊端有：一是重復(fù)簡(jiǎn)單操作，耗時(shí)長(zhǎng)，學(xué)生往往缺乏耐心而造成酸滴加過(guò)量；二是會(huì)誤認(rèn)為“恰好變色”就是“恰好完全反應(yīng)”，對(duì)后續(xù)的 “反應(yīng)終點(diǎn)”和“等計(jì)量點(diǎn)”的概念學(xué)習(xí)產(chǎn)生了前學(xué)習(xí)的干擾；三是溫度的觀察戛然而止，會(huì)誤以為只是升高。

1.2.2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

1.2.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

艾迪生公司pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)（安裝Edislab軟件）、磁力攪拌器、兩用滴定管、燒杯、鐵架臺(tái)。

0.1 mol/L的稀鹽酸和0.1 mol/L的NaOH溶液。

1.2.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）將20 mL稀氫氧化鈉倒入燒杯中，加水稀釋到150 mL左右，將燒杯放在磁力攪拌器上。

（2）在滴定管中加入稀鹽酸，將滴定管固定在鐵架臺(tái)上，pH傳感器放入溶液中。

（3）打開(kāi)磁力攪拌器，啟動(dòng)軟件，向燒杯中滴加稀鹽酸，當(dāng)?shù)喂苤械南←}酸將耗盡時(shí)，則用燒杯向管中繼續(xù)添加。繪制pH變化曲線，見(jiàn)圖3。

（4）將pH傳感器換成溫度傳感器再做一次，繪制中和反應(yīng)溫度變化曲線，見(jiàn)圖4。

1.2.2.3 實(shí)驗(yàn)討論

首先，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程耗時(shí)都不長(zhǎng)（測(cè)溫度變化也不超過(guò)5 min），如果鏈接兩種傳感器，可以在屏幕上同時(shí)看到圖3和圖4。學(xué)生的注意力相當(dāng)集中，當(dāng)看到如此神奇的曲線不禁嘖嘖贊嘆。教師可以因勢(shì)利導(dǎo)，把節(jié)省出來(lái)的時(shí)間用于開(kāi)展更有意義的分析和討論上。

其次，有了圖3，可以回避“突然變色”就是“恰好完全反應(yīng)”的錯(cuò)覺(jué)。pH=7的橫坐標(biāo)點(diǎn)才是中和反應(yīng)：H⁺+OH-=H O 恰好完全反應(yīng)的時(shí)刻；同時(shí)pH快速變化（即“滴定突躍”）、開(kāi)始較多剩余的堿和結(jié)束后酸過(guò)量時(shí)導(dǎo)致的pH緩慢變化的過(guò)程（即“強(qiáng)酸強(qiáng)堿也是緩沖溶液”）是初中生很難想象到的，現(xiàn)在都直觀地呈現(xiàn)在眼前，讓學(xué)生有了準(zhǔn)確而深刻的印象，也讓他們認(rèn)識(shí)到pH不是簡(jiǎn)單的物理量，它的變化孕育了豐富的化學(xué)內(nèi)涵。

第三，圖4清楚地展現(xiàn)了溫度有升高、峰值和下降的過(guò)程，這是以往學(xué)生很難知曉的情況，因?yàn)橛檬钟|摸燒杯壁或觀察溫度計(jì)的示數(shù)往往很難判斷它有一個(gè)峰值并會(huì)下降。現(xiàn)在有了這張圖，學(xué)生就能清晰地感悟到中和放熱、恰好完全反應(yīng)時(shí)放熱量最大以及酸過(guò)量時(shí)的降溫效應(yīng)等。

2 創(chuàng)新類

2.1 濃硫酸的吸水性（探究實(shí)驗(yàn)）

濃硫酸吸水性是其三大特性之一，但是教材中沒(méi)有實(shí)驗(yàn)佐證，只是提到可以將其放入干燥器中作為干燥劑使用。有老師是這樣演示的：將放有濃硫酸的燒杯放在天平左側(cè)托盤上，然后在右側(cè)托盤上放入砝碼調(diào)節(jié)游碼至平衡，然后放置一段時(shí)間發(fā)現(xiàn)天平指針向左側(cè)傾斜則證明濃硫酸吸收了空氣中的水分，筆者也重復(fù)了這樣實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)耗時(shí)長(zhǎng)（超過(guò)30 min）而且指針偏轉(zhuǎn)不太明顯。同時(shí)也因?yàn)槌诓僮髯匀粫?huì)存在這樣的疑問(wèn)：“濃硫酸也可能吸收了空氣中其他的成分使質(zhì)量增加？”設(shè)計(jì)的科學(xué)性受到質(zhì)疑。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)原理

由于濃硫酸具有吸水性，它會(huì)吸收周圍空氣中的水分，利用濕度傳感器測(cè)量燒杯中濃硫酸上方空氣中濕度的變化，繪制出變化曲線，可明顯觀察到濕度在不斷降低，從而可以驗(yàn)證濃硫酸的吸水性（如圖5所示）。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

艾迪生公司濕度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)（安裝Edislab軟件）、鐵架臺(tái)、燒杯；98%的濃硫酸、保鮮膜。

2.1.3 操作步驟

（1）連接好濕度傳感器、數(shù)據(jù)采集器及計(jì)算機(jī)并將計(jì)算機(jī)軟件設(shè)置好；

（2）在保鮮膜中開(kāi)一個(gè)口，將傳感器穿入其中并封口；

（3）將燒杯放到鐵架臺(tái)上，倒入20 mL 濃硫酸；

（4）迅速將保鮮膜封住燒杯，穩(wěn)定濕度傳感器的高度，啟動(dòng)軟件，得到圖6。

2.1.4 結(jié)果與討論

整個(gè)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)約8～9 min，可以用于課堂演示。從圖像中學(xué)生可以清晰地看出燒杯內(nèi)空氣的濕度在降低，從而很容易推斷濃硫酸吸收了水分，使學(xué)生更容易理解其吸水性。同時(shí)濕度傳感器懸空而且燒杯被保鮮膜密閉，所以不會(huì)產(chǎn)生科學(xué)性的誤判。

2.2 酸、堿稀釋過(guò)程中pH的變化（探究類）

酸堿稀釋過(guò)程pH的變化是酸堿鹽教學(xué)中的一個(gè)重點(diǎn)，但是由于缺乏演示，學(xué)生只能從教師畫的示意圖上意會(huì)，至于能不能突破pH=7的極限更沒(méi)有辦法得以“望見(jiàn)”，總有隔靴搔癢之嫌。這種黑板實(shí)驗(yàn)或圖片實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重制約了探究教學(xué)的發(fā)展。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

利用pH傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鹽酸和氫氧化鈉稀釋時(shí)溶液的pH曲線。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)器材及試劑

艾迪生pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)（安裝Edislab軟件）、蒸餾水、0.1 mol/L HCl 溶液、0.1 mol /L NaOH溶液、磁力攪拌器、500 mL 燒杯、兩用滴定管。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)分析

（1）連接好pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)；

（2）取50 mL 稀鹽酸至500 mL 燒杯中，放入攪拌磁子。在滴定管內(nèi)加滿水。

（3）打開(kāi)磁力攪拌器，打開(kāi)活塞，使水滴下（不足時(shí)補(bǔ)加）。啟動(dòng)軟件記錄，得到圖7；

（4）用蒸餾水淋洗pH傳感器探頭2～3 次，并用濾紙拭干。將鹽酸換成氫氧化鈉，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到圖8。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由圖7、圖8可以看出，酸和堿的稀釋過(guò)程中pH的變化不是一個(gè)線性的，而是在開(kāi)始階段pH變化較大，隨著蒸餾水的不斷加入，變化越來(lái)越小，接近于無(wú)限稀釋時(shí)，pH趨于7且基本不變。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師只能一味地向?qū)W生傳授酸堿稀釋的原理，學(xué)生也只能被動(dòng)接受，將所謂的“稀釋圖”記在腦中應(yīng)付考試。有了這個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)生不僅能感受到酸堿稀釋時(shí)真實(shí)的pH變化，更能學(xué)會(huì)主動(dòng)地從圖中獲取和分析信息。

相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)使初中化學(xué)教學(xué)上升到了一個(gè)更高的層次。它促進(jìn)了初中生的學(xué)習(xí)積極性，使一部分原本對(duì)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有興趣的學(xué)生也參加進(jìn)來(lái)，形成全體學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的局面。我們認(rèn)為這才是最大的收獲：“為了每一個(gè)孩子的終身發(fā)展”已不再是一句口號(hào)。

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