手持技術(shù)在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

文 王壽紅

(王壽紅，本科，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主任，北京教育學(xué)院教師教育數(shù)理學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，100044)

手持技術(shù)又稱(chēng)“掌上技術(shù)”，是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和配套的軟件組成的定量采集各種常見(jiàn)數(shù)據(jù)并能與計(jì)算機(jī)連接的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)。其最突出的特點(diǎn)是便攜、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、直觀，數(shù)據(jù)變化過(guò)程與實(shí)驗(yàn)過(guò)程同步進(jìn)行，可將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以數(shù)字或圖像的方式實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，因此能夠較為直觀、定量和全面地輔助化學(xué)教學(xué)。

義務(wù)教育化學(xué)新課標(biāo)鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新，提出“條件較好的學(xué)校，應(yīng)積極開(kāi)展改進(jìn)、創(chuàng)新教師演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)的活動(dòng)，創(chuàng)造條件讓學(xué)生接觸一些先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，努力提高實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)手段的現(xiàn)代化水平” 。通過(guò)創(chuàng)造條件讓學(xué)生接觸一些先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，例如將手持技術(shù)應(yīng)用于初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既可以開(kāi)闊學(xué)生的視野、提高化學(xué)學(xué)習(xí)興趣，又有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高。筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，開(kāi)發(fā)了幾個(gè)將手持技術(shù)中的溫度傳感器和氣體壓力傳感器應(yīng)用于初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的案例，供同行參考。

一、溫度傳感器的應(yīng)用

在物理變化和化學(xué)變化過(guò)程中常伴隨能量變化，利用溫度傳感器可以定量測(cè)量物質(zhì)變化過(guò)程的溫度，進(jìn)而判斷物質(zhì)變化過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換。做這類(lèi)實(shí)驗(yàn)通常是通過(guò)手觸摸容器外壁和使用溫度計(jì)來(lái)定性和定量地測(cè)定體系溫度變化，但這兩種方法的靈敏度都比較低，尤其是物質(zhì)溶解于水的過(guò)程和一些化學(xué)反應(yīng)因能量變化不大或因?yàn)榉磻?yīng)速率較慢，僅憑用手觸摸或一般的測(cè)量方法，不易觀察吸熱或放熱現(xiàn)象。利用溫度傳感器可以方便快捷地測(cè)量物質(zhì)溶解于水和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的溫度變化，不僅增強(qiáng)了檢測(cè)的靈敏度，而且計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示物質(zhì)溶解于水和化學(xué)反應(yīng)時(shí)的溫度—時(shí)間曲線，使學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的同時(shí)，能夠以直觀、可視的方式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行觀察，有利于學(xué)生對(duì)物質(zhì)變化過(guò)程中的溫度變化進(jìn)行判斷，加深理解，利于記憶。

“溶解時(shí)的吸熱或放熱現(xiàn)象”是人教版《化學(xué)》(九年級(jí)下冊(cè))第九單元“溶液”課題1中的探究實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容是：請(qǐng)學(xué)生利用所給的儀器和藥品設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，探究3種固態(tài)物質(zhì)分別溶解于水時(shí)是放出熱量還是吸收熱量。利用溫度傳感器定量測(cè)量相同質(zhì)量NaOH，NaCl和NH4Cl三種固體物質(zhì)溶解于等體積水時(shí)溶液溫度變化，其溫度—時(shí)間曲線如圖1所示?？梢?jiàn)，NaOH溶解于水時(shí)，溶液溫度升高，是放熱過(guò)程；NH4Cl溶解于水時(shí)溶液溫度降低，是吸熱過(guò)程；NaCl溶解于水時(shí)，溶液溫度稍有降低，也是吸熱過(guò)程，但其降低程度較相同條件下的NH4Cl小得多。手持技術(shù)方便、快捷，可以同時(shí)使用3支溫度傳感器，使不同物質(zhì)溶解于水時(shí)的溫度變化同時(shí)呈現(xiàn)在一張溫度—時(shí)間曲線圖里，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，有利于學(xué)生觀察和記憶。

圖1 相同質(zhì)量樣品溶解時(shí)溶液溫度—時(shí)間曲線

利用溫度傳感器還可以測(cè)量化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的溫度變化，判斷反應(yīng)是吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng)，例如鎂與鹽酸反應(yīng)、氫氧化鋇與氯化銨反應(yīng)等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生感受物質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的能量變化，能夠更深刻地理解放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)的含義。

二、氣體壓力傳感器的應(yīng)用

氣體壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)處理軟件相結(jié)合，可用于檢測(cè)密閉體系內(nèi)的氣壓變化，并將氣壓變化以數(shù)字、曲線等多種形式通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，有助于學(xué)生更好地把握實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和推測(cè)。

1.檢測(cè)“空氣中氧氣含量測(cè)定”實(shí)驗(yàn)過(guò)程的氣壓變化

“空氣中氧氣含量測(cè)定”是初中化學(xué)一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)，既是教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。其實(shí)驗(yàn)原理是利用紅磷燃燒消耗密閉容器內(nèi)空氣中的氧氣，使密閉容器內(nèi)壓強(qiáng)減小，當(dāng)溫度下降到室溫后，打開(kāi)止水夾，在大氣壓的作用下，進(jìn)入容器內(nèi)水的體積即為減少的氧氣的體積。該實(shí)驗(yàn)是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)以來(lái)接觸的第一個(gè)涉及“氣壓變化”的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理中抽象的氣壓變化一直是學(xué)生理解的難點(diǎn)。利用氣體壓力傳感器檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的氣壓變化，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 氣體壓力傳感器檢測(cè)“空氣中氧氣含量測(cè)定”實(shí)驗(yàn)的氣壓變化實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中體系內(nèi)氣壓變化曲線如圖3所示。A點(diǎn)大氣壓為100.4 KPa；點(diǎn)燃紅磷迅速將燃燒匙伸入集氣瓶?jī)?nèi)，并將膠塞塞緊，由于紅磷燃燒放熱，此時(shí)集氣瓶?jī)?nèi)空氣受熱膨脹，使瓶?jī)?nèi)氣壓瞬間增大，由B點(diǎn)升至C點(diǎn)；稍后，集氣瓶中的氧氣被紅磷燃燒消耗，使瓶?jī)?nèi)氣壓迅速減??；待燃燒結(jié)束，冷卻至室溫，集氣瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)降至D點(diǎn)(79.6 KPa)；此時(shí)，打開(kāi)止水夾，燒杯中的水迅速進(jìn)入集氣瓶中，瓶中氣壓迅速上升至E點(diǎn)(99.5 KPa)，這時(shí)燒杯內(nèi)的水停止流入集氣瓶，集氣瓶?jī)?nèi)外壓力平衡。由于廣口瓶里導(dǎo)管口與燒杯內(nèi)水面不相平，玻璃導(dǎo)管內(nèi)存在一定液柱高差，導(dǎo)致反應(yīng)結(jié)束后瓶?jī)?nèi)氣壓稍低于大氣壓。

圖3 “空氣中氧氣含量測(cè)定”實(shí)驗(yàn)氣壓—時(shí)間曲線

將氣體壓力傳感器應(yīng)用于“空氣中氧氣含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)”，不僅可以檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的氣壓變化，使化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中不易覺(jué)察的氣壓變化“可視化”，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)該實(shí)驗(yàn)的定量研究，較用肉眼觀察進(jìn)入集氣瓶中水的體積約占集氣瓶中空氣體積的比例，估算空氣中氧氣含量更為準(zhǔn)確和直觀。這種方法不僅有助于學(xué)生深入理解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和操作方法，而且可以使學(xué)生學(xué)會(huì)從定量的角度分析和解決問(wèn)題，培養(yǎng)科學(xué)的思維方法。

2.驗(yàn)證二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)

在初中化學(xué)“堿的化學(xué)性質(zhì)”中，“二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)”是其中的重點(diǎn)內(nèi)容。由于該反應(yīng)沒(méi)有可觀察的明顯現(xiàn)象，學(xué)生不易判斷反應(yīng)的發(fā)生，因此這種有氣體參與、無(wú)明顯現(xiàn)象的反應(yīng)，可以借助氣體壓力傳感器進(jìn)行研究。利用氣體壓力傳感器檢測(cè)等量(20 mL)的40%氫氧化鈉溶液和水分別與等體積(500 mL)、等壓強(qiáng)的二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 氣壓傳感器測(cè)定二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)和與水反應(yīng)體系中的氣壓變化實(shí)驗(yàn)裝置

反應(yīng)體系氣壓—時(shí)間曲線如圖5所示。氫氧化鈉溶液中有水，二氧化碳溶于水，究竟是二氧化碳溶于水使反應(yīng)體系壓強(qiáng)變小，還是二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)使體系壓強(qiáng)變?。坑捎谝惑w積水能溶解一體積二氧化碳，因此注入水的燒瓶?jī)?nèi)二氧化碳?xì)怏w壓強(qiáng)幾乎無(wú)變化；注入氫氧化鈉溶液的燒瓶?jī)?nèi)二氧化碳?xì)怏w的壓強(qiáng)顯著下降，從86 KPa降至0.5 KPa，二氧化碳?xì)怏w幾乎全部被消耗。此對(duì)比實(shí)驗(yàn)可作為二氧化碳與氫氧化鈉溶液發(fā)生反應(yīng)的有力證據(jù)。還可繼續(xù)向圓底燒瓶的生成物中滴加稀鹽酸，若有氣泡產(chǎn)生，則進(jìn)一步證明二氧化碳與氫氧化鈉溶液發(fā)生了反應(yīng)。

圖5 二氧化碳與氫氧化鈉溶液和二氧化碳與水反應(yīng)體系氣壓—時(shí)間曲線

三、教學(xué)建議

1.手持技術(shù)可作為常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充

手持技術(shù)應(yīng)用于初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其最大的優(yōu)勢(shì)就是實(shí)時(shí)化、可視化和定量化。但能用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法呈現(xiàn)和說(shuō)明問(wèn)題的，就不必借助手持技術(shù)。手持技術(shù)可作為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助和有益的補(bǔ)充，只有在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的情況下，例如實(shí)驗(yàn)效果不佳或宏觀現(xiàn)象背后不易覺(jué)察的微觀變化以及需要定量化的實(shí)驗(yàn)等，可采用手持技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和完善，將實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能最大化。對(duì)于有氣體參與的化學(xué)反應(yīng)，其中的氣壓變化是肉眼無(wú)法察覺(jué)的，尤其對(duì)于實(shí)驗(yàn)體系中微小的氣壓變化，采用氣壓傳感器較借助氣球的形狀改變或U型管液面的升降來(lái)說(shuō)明氣壓變化更靈敏、更具說(shuō)服力。例如“物質(zhì)溶解時(shí)的吸熱和放熱”實(shí)驗(yàn)，還可將溫度傳感器和氣體壓力傳感器聯(lián)用，檢測(cè)密閉體系物質(zhì)溶解過(guò)程中由于溫度變化而引起的氣壓變化。

2.關(guān)注化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的氣壓變化

許多化學(xué)實(shí)驗(yàn)都涉及氣壓變化，例如有氣體參與或生成的化學(xué)反應(yīng)、裝置氣密性的檢驗(yàn)、物質(zhì)溶解時(shí)的吸熱和放熱等。在教學(xué)時(shí)，教師在注重具體知識(shí)教學(xué)的同時(shí)，還應(yīng)注意對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的氣壓變化進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究或展示反應(yīng)體系氣壓—時(shí)間曲線，使學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中伴隨的氣壓變化有感性認(rèn)識(shí)，不僅要知道氣壓變化對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的影響，而且還要理解氣壓變化的原因，促進(jìn)學(xué)生對(duì)氣壓變化實(shí)驗(yàn)的原理和設(shè)計(jì)方法的理解。教師只有在日常教學(xué)中關(guān)注化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的氣壓變化，注意對(duì)氣壓變化進(jìn)行分析，使學(xué)生逐步學(xué)會(huì)運(yùn)用氣壓變化的原理分析和解決實(shí)際問(wèn)題，這樣學(xué)生在解答與氣壓有關(guān)的實(shí)驗(yàn)探究題時(shí)才會(huì)更加得心應(yīng)手。

四、結(jié)束語(yǔ)

將手持技術(shù)應(yīng)用于初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是化學(xué)啟蒙教育階段培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑，其實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確、直觀的特點(diǎn)，不僅使實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、易于觀察，降低了實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)的難度，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、記憶、鞏固和應(yīng)用，而且提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究水平，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。將手持技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有效結(jié)合，積極探尋手持技術(shù)在傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的生長(zhǎng)點(diǎn)，不僅為傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入新的活力，還有助于教師改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，提高自身專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，促進(jìn)教師專(zhuān)業(yè)發(fā)展。

[1]教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2012.

[2]王壽紅.從實(shí)驗(yàn)角度探討義務(wù)教育化學(xué)新課標(biāo)[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考,2012(8):46.

[3]錢(qián)揚(yáng)義.應(yīng)用“手持技術(shù)”測(cè)定不同物質(zhì)溶解于水時(shí)溶液的溫度變化[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考,2004(4):25-26.