基于數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）的高中化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

朱步淵

（甘肅省平?jīng)鲆恢校?/p>

基于數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）的化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)是一種新型的實(shí)驗(yàn)方法，主要是利用傳感器對(duì)一些微小的和連續(xù)變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定，從而使得高中的一些定量化學(xué)實(shí)驗(yàn)更加清晰明了，用數(shù)據(jù)說話，用證據(jù)說話，讓學(xué)生對(duì)一些高中定量實(shí)驗(yàn)有了更加深刻的理解。

一、中和熱的測(cè)定

中和熱的測(cè)定是高中階段一個(gè)非常重要的定量實(shí)驗(yàn)，人教版教材《化學(xué)反應(yīng)原理》第一章第一節(jié)“化學(xué)反應(yīng)與能量變化”中就有“中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測(cè)定”這一定量實(shí)驗(yàn)。教材中主要是利用溫度計(jì)的量中和反應(yīng)過程中的溫度變化，進(jìn)而測(cè)量計(jì)算反應(yīng)熱，可以說，這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的是比較合理的，但是，在實(shí)際的教學(xué)過程中我們發(fā)現(xiàn)，存在以下幾個(gè)問題，首先，普通溫度計(jì)的誤差比較大，而中和熱的溫度變化比較小，容易造成誤差；其次，讀數(shù)誤差有時(shí)也會(huì)造成問題；第三，如果老師在課堂上進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，后面的學(xué)生看不清楚溫度的變化情況。但是，如果使用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以上幾個(gè)問題就可以迎刃而解了。

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

酸堿中和反應(yīng)是瞬間進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過程中會(huì)放出熱量，每生成1 mol所釋放出的熱量稱為中和熱。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中以硫酸和氫氧化鈉稀溶液進(jìn)行反應(yīng)，測(cè)定放出的熱量。

2.實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

儀器：數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器、pH傳感器磁、力攪拌器，50 mL燒杯、20 mL量筒等。

試劑：2 mol/LNaOH溶液、2 mol/LHCl溶液。

3.實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果分析

（1）實(shí)驗(yàn)方法

首先，將計(jì)算機(jī)、采集器、溫度傳感器、pH傳感器連接并且接通電源，打開SWR數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室軟件。然后，將溫度傳感器放入20 mL 2 mol/L 的鹽酸的燒杯中，用磁力攪拌器開始攪拌，1分鐘后，用量筒量取20 mL 2 mol/LNaOH溶液，緩緩傾入燒杯中。立刻點(diǎn)擊軟件界面上的開始按鈕開始測(cè)量溫度。軟件的分析界面就會(huì)記錄實(shí)時(shí)的溫度變化情況。待傾倒完畢后，點(diǎn)擊軟件操作界面上的結(jié)束按鈕，就可以得到中和過程中的以及溫度時(shí)間變化曲線以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后保存數(shù)據(jù)和曲線圖像以供分析。

（2）結(jié)果分析

反應(yīng)過程中pH以及溫度變化曲線（上面的線為溫度、下面的線為pH）如圖所示。

由圖中可以明顯地看出溫度的變化以及pH的變化情況，通過溫度的變化，可以很清晰地看清楚酸堿中和反應(yīng)過程中的放熱情況，代入公式就可以進(jìn)行計(jì)算了。

（3）實(shí)驗(yàn)拓展

上述實(shí)驗(yàn)是課本上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，其實(shí)，利用數(shù)字化傳感器，用類似的方法，還可以讓學(xué)生探究測(cè)定不同濃度的酸堿中和反應(yīng)放出的熱量是否相同；中和熱的數(shù)值與酸堿的強(qiáng)弱是否有關(guān)等問題。

二、溶液導(dǎo)電性

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

“電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力強(qiáng)弱的比較”是高中化學(xué)中非常重要的實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生強(qiáng)化強(qiáng)、弱電解質(zhì)的認(rèn)識(shí)具有非常重要的意義，舊人教版教材中對(duì)這一部分知識(shí)主要是通過比較同濃度的不同電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力強(qiáng)弱，利用燈泡的亮度來比較導(dǎo)電性強(qiáng)弱，讓學(xué)生感性地認(rèn)識(shí)電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性，能達(dá)到一定的目的，但是很明顯存在理論缺陷。而新人教版教材對(duì)于強(qiáng)弱電解質(zhì)的講解只是進(jìn)行了定性分析，沒有任何定量分析，讓學(xué)生對(duì)強(qiáng)弱電解質(zhì)的認(rèn)識(shí)只是存在于自己的思維想象中，對(duì)影響電解質(zhì)溶液導(dǎo)電性的因素沒有切實(shí)的感受。

本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)課外探究實(shí)驗(yàn)，目的是讓學(xué)生更加直觀地認(rèn)識(shí)影響電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力強(qiáng)弱的因素。利用電導(dǎo)率傳感器測(cè)量不同溫度、濃度下溶液的電導(dǎo)率變化情況，用數(shù)據(jù)采集器收集數(shù)據(jù)。并且用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，直觀地看出影響電解質(zhì)溶液導(dǎo)電性的因素。

2.實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

儀器：計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集器，溫度傳感器，電導(dǎo)率傳感器，50mL量筒，50 mL燒杯（3個(gè)），50 mL容量瓶（3個(gè)），膠頭滴管，磁力攪拌器，電子天平，鐵架臺(tái)，洗瓶，鑰匙、濾紙。

試劑：NaCl（s），NaOH（s），Cu（OH）2（s），Ca（OH）2（s），AlCl3（s），無水乙醇。

3.實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)一：電解質(zhì)溶液導(dǎo)電性與電解質(zhì)強(qiáng)弱的關(guān)系

①配置0.1 mol/L的NaOH溶液、Cu（OH）2溶液和無水乙醇溶液；

②分別將三種溶液放在磁力攪拌器上，啟動(dòng)并調(diào)節(jié)磁力攪拌器的攪拌速度，利用電導(dǎo)率傳感器測(cè)定三種溶液的電導(dǎo)率。

③啟動(dòng)“SWR”程序采集數(shù)據(jù)并保存數(shù)據(jù)和結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)二：電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性與溫度的關(guān)系

①配置0.1 mol/L的Ca（OH）2、NaCl、AlCl3溶液。

②將三種溶液分別置于磁力攪拌器上，固定電導(dǎo)率傳感器的位置，啟動(dòng)攪拌器，調(diào)節(jié)攪拌速率并加熱。

③啟動(dòng)“SWR”程序采集數(shù)據(jù)并保存數(shù)據(jù)和結(jié)果。

由實(shí)驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)可以看出來，電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性隨溫度上升會(huì)逐漸增強(qiáng)。

三、在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開展基于數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）定量實(shí)驗(yàn)的意義

1.揭示化學(xué)反應(yīng)原理更加直觀

化學(xué)原理的教學(xué)比較抽象，學(xué)生理解起來比較困難，借助于數(shù)字化信息系統(tǒng)的定量實(shí)驗(yàn)，能讓學(xué)生從多個(gè)角度測(cè)量各物理量的變化，能將一些抽象的變化更加直觀地展示在學(xué)生面前，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解更加透徹明晰。

2.對(duì)于定量化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理更加準(zhǔn)確

比如，我們進(jìn)行的中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，如果用傳統(tǒng)的方法來做，要求學(xué)生在攪拌的同時(shí)讀出溫度計(jì)的最高溫度，手忙腳亂，很容易錯(cuò)失最高溫度的讀取。但是引入了溫度傳感器和磁力攪拌器，進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，就不存在這個(gè)問題了，更重要的是，在電腦軟件上，可以清晰地看出各個(gè)時(shí)間段的溫度變化，使得讀數(shù)更加準(zhǔn)確，對(duì)于數(shù)據(jù)處理就有很大的幫助。

3.有利于教學(xué)難點(diǎn)的突破

高中化學(xué)中通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不足以讓學(xué)生理解一些概念和原理，借助數(shù)字化信息系統(tǒng)中傳感器的分析，將變得很容易，可以較快地突破教學(xué)難點(diǎn)。中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)中最本質(zhì)的東西通過實(shí)驗(yàn)處理成數(shù)并且用圖像輸出，圖文并茂，從而讓學(xué)生形成鮮明的感性認(rèn)識(shí)，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，為感性認(rèn)知上升為理性認(rèn)識(shí)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]任立新.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在新課程化學(xué)教學(xué)應(yīng)用中的探索與實(shí)踐[J].學(xué)周刊，2011（3）：173.

[2]魏銳，王磊.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.

注：本文系甘肅省“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃課題《基于數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究》（課題編號(hào)GS[2016]GHB0665）研究成果之一。

編輯 溫雪蓮