應(yīng)用智能手機(jī)探究濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響*
——以“硫代硫酸鈉和稀硫酸反應(yīng)”為例

韓 怡

(昆明市第三中學(xué)，云南 昆明 650500)

1 實驗背景

基于云南省在2020年秋季學(xué)期開始使用普通高中化學(xué)人教版新教材(2019版)[1]的背景，筆者積極鉆研新教材，對比舊教材(人教2003版)[2]，感悟新教材的變化和編制意圖。針對“濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響”這一教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行新舊教材的對比分析(如表 1)，發(fā)現(xiàn)新教材在定性研究濃度和溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響上，刪去舊教材的一個實驗案例(高錳酸鉀和草酸反應(yīng))，并使用了同一個實驗案例(硫代硫酸鈉和稀硫酸反應(yīng))來分別探究濃度和溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，精簡了實驗內(nèi)容，使探究內(nèi)容更加結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)化。由此看來,新教材使用的“硫代硫酸鈉和稀硫酸反應(yīng)”這個實驗承擔(dān)了兩個化學(xué)反應(yīng)速率影響因素的探究，值得細(xì)細(xì)品味研究以助力教學(xué)實施。本文將針對該實驗進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)用智能手機(jī)和相應(yīng)App探究濃度化學(xué)反應(yīng)速率的影響。

表1 “濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響”內(nèi)容的新舊教材對比

2 實驗過程

2.1 實驗原理

“硫代硫酸鈉和稀硫酸反應(yīng)”實驗的反應(yīng)原理是：Na2S2O3+H2SO4==Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O。反應(yīng)現(xiàn)象是：反應(yīng)過程中溶液由澄清逐漸變渾濁。溶液越渾濁，透過溶液能檢測到的光強度越小，因此可以利用光強度隨時間的變化來表征化學(xué)反應(yīng)速率的變化。筆者應(yīng)用智能手機(jī)(自帶光線傳感器)和相應(yīng)的App測定并記錄反應(yīng)過程中光強度的變化，以此間接表征出化學(xué)反應(yīng)速率的變化，然后再通過對比不同濃度溶液反應(yīng)的變化曲線趨勢(斜率)即可得出結(jié)論。

2.2 裝置及用途

儀器：50 mL燒杯1個、手電筒1個(若有穩(wěn)定光源，則此不需要)、膠頭滴管若干

藥品：0.1 mol/L硫代硫酸鈉溶液、0.1 mol/L硫酸溶液

其他設(shè)備：智能手機(jī)，科學(xué)日志App，希沃傳屏App或希沃授課助手App。

針對實驗裝置中用到的智能手機(jī)和App作出說明如下表所示(如表2)。

表2 關(guān)于實驗所用其他設(shè)備的說明

2.3 實驗準(zhǔn)備

本實驗需準(zhǔn)備好材料，然后簡單搭建即可開始實驗，搭建方式如圖1所示。雖然目前有文獻(xiàn)指出類似的光線傳感器可以自制[3-5]，但筆者認(rèn)為隨著智能手機(jī)的普及，這種自制光線傳感器的實用性和便捷性將大大降低。綜上所述，應(yīng)用現(xiàn)有的智能手機(jī)自帶的光線傳感器，能更加便捷的達(dá)到相應(yīng)的實驗?zāi)康暮徒虒W(xué)效果，解決了自制儀器費時費力的問題。

圖1 應(yīng)用智能手機(jī)探究濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響實驗裝置圖

如圖1搭建好裝置，將盛有10 mL 0.1 mol/L硫代硫酸鈉溶液的50 mL燒杯置于智能手機(jī)的光線傳感器(一般位于手機(jī)聽筒的左側(cè))之上。提前設(shè)置好希沃投屏App，以將手機(jī)屏幕投影到大屏上供學(xué)生觀察實時數(shù)據(jù)。

2.4 操作步驟

1)打開智能手機(jī)上的“科學(xué)日志”App，調(diào)出“環(huán)境光”測量頁面，即可實時監(jiān)測光強度。點擊屏幕下方的“紅色圓圈”按鈕即可開始記錄光強度的變化數(shù)據(jù)，同時軟件自動在屏幕上實時畫出光強度-時間變化曲線?？梢杂^察到此時光強度穩(wěn)定在644 Lx(光強度的單位)。

2)向燒杯中加入10 mL 0.1 mol/L硫酸溶液，然后持續(xù)觀察光強度變化，發(fā)現(xiàn)光強度逐漸下降?？捎^察到因硫酸溶液的加入，縱坐標(biāo)光強度有上下波動但迅速回歸初始光強度，因此曲線上下波動處即為加入硫酸的時刻(如圖2)。

3)等待觀察光強度逐漸下降至最低數(shù)值且穩(wěn)定不變時，說明反應(yīng)結(jié)束。此時再次點擊屏幕下方的“紅色圓圈”按鈕以停止記錄，至此則完成一組實驗并獲得曲線1。

4)用0.2 mol/L硫酸溶液替換0.1 mol/L硫酸溶液，重復(fù)進(jìn)行1)～4)步驟，完成第二組實驗并獲得曲線2。

5)通過“控制變量”“定一議二”“數(shù)形結(jié)合”等方法，對比曲線1和曲線2，可分析和解讀圖像，得出結(jié)論：當(dāng)其他條件一定時，濃度越大，化學(xué)反應(yīng)速率越快。

最后值得一提的是，“科學(xué)日志”App的實驗結(jié)果界面(如圖2右圖)，還提供了“分享”的功能?！胺窒怼蹦芤?csv格式的文件形式導(dǎo)出實驗數(shù)據(jù)，后期只需用excel軟件打開即可畫出光強度-時間曲線圖。實際運用和數(shù)據(jù)處理十分便捷。

圖2 實驗操作步驟

3 實驗效果與完善設(shè)想

3.1 實驗效果與教學(xué)推廣

與傳統(tǒng)實驗相比，智能手機(jī)和App的引入，使得實驗數(shù)據(jù)和圖像可以動態(tài)地、實時地呈現(xiàn)在屏幕上(如圖3和圖4)，而且導(dǎo)出數(shù)據(jù)后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可對比圖像(如圖5)，數(shù)據(jù)清晰準(zhǔn)確，經(jīng)論證可得結(jié)論。圖5顯示，相同時間內(nèi)，高濃度組的光強度下降更多，斜率更大，說明生成的沉淀更多使得光強度下降更多。可得結(jié)論是：當(dāng)其他條件不變時，濃度越高，化學(xué)反應(yīng)速率越快。

圖5 硫代硫酸鈉與不同濃度稀硫酸反應(yīng)的圖像

圖3 硫代硫酸鈉與0.1 mol/L稀硫酸反應(yīng)圖像 圖4 硫代硫酸鈉與0.1 mol/L稀硫酸反應(yīng)圖像

在教學(xué)實踐中，筆者將傳統(tǒng)實驗設(shè)計在新課中，將本文的實驗設(shè)計在復(fù)習(xí)課中，并且課前和課后均做了問卷調(diào)查。調(diào)查對象是高二年級2個理科班學(xué)生，共112人。對問卷統(tǒng)計結(jié)果(如表3)的分析如下：

表3 新課和復(fù)習(xí)課課堂前后的調(diào)查問卷統(tǒng)計結(jié)果(節(jié)選)

第1～2個選項結(jié)果顯示:通過課堂教學(xué)，學(xué)生對傳統(tǒng)實驗和改進(jìn)實驗的理解均有提升，說明學(xué)生在課堂的學(xué)習(xí)是有效的,而且對化學(xué)反應(yīng)原理的本質(zhì)理解更加深入。尤其在復(fù)習(xí)課上，對改進(jìn)實驗的理解人數(shù)比例由26%提高到77%，說明學(xué)生的思維水平在復(fù)習(xí)課上有所提升。

第3個選項結(jié)果顯示:學(xué)生對改進(jìn)實驗優(yōu)點的認(rèn)可人數(shù)比例由51%提高到100%，說明通過課堂上親自動手做實驗的體驗，學(xué)生對用智能手機(jī)做化學(xué)實驗的態(tài)度更加積極和認(rèn)可。

第4個選項結(jié)果顯示：課前10%的學(xué)生認(rèn)為自己能分析清楚圖像，課后該比例提升到77%，說明圖像分析仍然是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點，在課堂教學(xué)中注重圖像分析將有助于學(xué)生能力和思維水平的提升。

第5個選項結(jié)果顯示：100%的學(xué)生能主動根據(jù)“控制變量唯一”的思想來設(shè)計實驗，說明學(xué)生已有經(jīng)驗和知識基礎(chǔ)較為扎實，教師可以設(shè)置關(guān)于實驗設(shè)計的更高水平問題以培養(yǎng)學(xué)生高階思維。

第6個選項結(jié)果顯示：能主動關(guān)注實驗設(shè)計的定量關(guān)系的學(xué)生比例較低，課前僅23%的學(xué)生有定量意識，課后雖然比例提升到有63%的學(xué)生能主動關(guān)注定量，但是與能主動關(guān)注“控制變量唯一”的比例(100%)相比而言，有定量意識或能主動關(guān)注定量關(guān)系的學(xué)生偏少。這樣的情況也與目前實驗教學(xué)中普遍存在的“缺乏對學(xué)生定量意識培養(yǎng)”的現(xiàn)狀有關(guān)，這種現(xiàn)狀使得學(xué)生體會不到定量關(guān)系在化學(xué)實驗中的重要性。因此老師應(yīng)在教學(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生的定量意識，這將有助于學(xué)生的思維發(fā)展。

此外，本文的實驗裝置還可推廣用于改進(jìn)“溫度對反應(yīng)速率的影響” “影響化學(xué)平衡移動的因素探究”[3]等新課標(biāo)要求的必做實驗，對此目前已有一些可查閱的文獻(xiàn)，在此不再贅述。

3.2 完善設(shè)想

1)需要設(shè)計和制作一個固定手機(jī)、燒杯和光源的一體化模具。筆者在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，手機(jī)的光線傳感器非常靈敏，設(shè)備的移動或者近距離的操作會使得光強度有波動(如圖5中0 s～0.15 s顯示光強度有少量波動)，從而增大測量誤差和數(shù)據(jù)異常。因此后續(xù)完善的方向是設(shè)計一個防干擾的模具，能起到固定手機(jī)、燒杯和光源的作用，預(yù)期用3D打印技術(shù)實現(xiàn)制作。進(jìn)行本實驗需要注意的是測量過程中，光源需穩(wěn)定，切勿移動手機(jī)、燒杯等設(shè)備，以免干擾光線傳感器的測量。

2)利用智能手機(jī)附帶多種傳感器這一特點，可嘗試從更多角度開發(fā)實驗，讓課本實驗“數(shù)字化”和“趣味化”[6]，數(shù)字化實驗“平民化”，使智能手機(jī)成為教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的隨身小工具。另外，筆者還希望通過加強自身的理論學(xué)習(xí)，探索更加多元的教學(xué)評價方法和手段，以期使實驗實踐效果的評價角度更加多元，評價手段更加豐富，評價結(jié)果更加準(zhǔn)確。

4 改進(jìn)反思

通過與傳統(tǒng)實驗(測定不同濃度溶液變渾濁后將燒杯底部“十”字完全遮蓋所需的時間長短)和數(shù)字化實驗(測量濁度變化曲線)作比較，筆者對本文實驗改進(jìn)的反思有如下3點。

1)實驗的定量化、動態(tài)化和圖像化有助于培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。

與傳統(tǒng)實驗相比，該實驗?zāi)芫_測定光強度-時間曲線，減少了人眼判斷的誤差，能動態(tài)地、實時地呈現(xiàn)定量數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息和分析解決問題的能力。比如，當(dāng)達(dá)到相等光強度時，可從曲線上精確讀出所需反應(yīng)時間，從而得出相應(yīng)結(jié)論，這將減少人眼判斷沉淀是完全遮蓋燒杯底部“十”字時的誤差，同時還能培養(yǎng)學(xué)生通過“控制變量”“定一議二” “數(shù)形結(jié)合”的方法來分析和解讀圖像的能力。

2)實驗的簡化和平民化有助于擴(kuò)大教學(xué)應(yīng)用的范圍。

與數(shù)字化實驗相比，該實驗材料易得，操作簡單，重現(xiàn)性好，可操作性強且易于推廣出更多的探究角度和研究形式。如演示實驗、學(xué)生實驗和研究性學(xué)習(xí)小組實驗；利用普及程度高的智能手機(jī)代替了昂貴的數(shù)字化實驗設(shè)備，實現(xiàn)了教材傳統(tǒng)實驗的“數(shù)字化”；App的使用增強了“掌上化學(xué)實驗”的交互性。

3)智能設(shè)備在實驗教學(xué)中的應(yīng)用亟待更多研究。

如今已有越來越多的研究者開始借助智能手機(jī)，甚至是其他智能設(shè)備以及相應(yīng)App去探究中學(xué)化學(xué)實驗。而我們更應(yīng)注意到這個思路仍有推廣的空間，這個領(lǐng)域亟待更多研究。以智能手機(jī)為例，因為它本身是一個自帶了磁場、壓力、加速度、距離、光強度和攝像頭等多個傳感器的科技產(chǎn)品，所以可以在一定條件下代替數(shù)字化實驗的傳感器來輔助實驗，而且還可能涉及到物理和生物等學(xué)科交叉的研究問題。這就為沒有條件開展數(shù)字化實驗的學(xué)校和地區(qū)提供了新思路，也給學(xué)生提供了應(yīng)用身邊現(xiàn)有工具去探究實踐的機(jī)會，促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)探究意識、創(chuàng)新意識和動手實踐能力，我們期待著有更多的師生積極投入到探索中來。