一套多功能數(shù)字實(shí)驗(yàn)儀的開(kāi)發(fā)

莊山

摘要：針對(duì)現(xiàn)行教科書(shū)中“含碳物質(zhì)的完全燃燒和不完全燃燒”實(shí)驗(yàn)存在的對(duì)比性差、不易量化、有污染等問(wèn)題，在查閱文獻(xiàn)并分析資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套集可視化、數(shù)字化等多功能于一體的實(shí)驗(yàn)裝置，以期對(duì)自制教具的教學(xué)研究起補(bǔ)充與借鑒的作用。該裝置還可應(yīng)用于燃燒條件的探究、溶液及反應(yīng)中pH的測(cè)定以及氣體的制備及性質(zhì)檢驗(yàn)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：自制教具; 多功能; 數(shù)字化; 含碳物質(zhì)的燃燒; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：10056629（2021）11007204

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

化學(xué)實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)過(guò)程中所起的作用，是任何其他教學(xué)方法所無(wú)法代替的。無(wú)論是教師演示實(shí)驗(yàn)還是學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，一個(gè)設(shè)計(jì)合理、現(xiàn)象明顯的數(shù)字化定量實(shí)驗(yàn)，不僅能幫助學(xué)生理解化學(xué)原理，更重要的是它能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，培育學(xué)生善于探究的科學(xué)素養(yǎng)[1，2]。我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的多功能一體化數(shù)字實(shí)驗(yàn)儀，不僅讓實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、現(xiàn)象明顯，通過(guò)現(xiàn)象感受其微觀本質(zhì)的變化，而且還有利于教師在教學(xué)中突出教學(xué)重點(diǎn)、突破教學(xué)難點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)意圖

初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)既有對(duì)問(wèn)題的定性研究，也有嚴(yán)密的定量研究，例如，測(cè)定空氣中氧氣含量、質(zhì)量守恒定律等都需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)形成定性與定量的化學(xué)思維，通過(guò)分析和研究，發(fā)現(xiàn)這些實(shí)驗(yàn)都涉及到“密閉”和“定量”這兩個(gè)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)方法，如何在初中化學(xué)教學(xué)中將這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)有效結(jié)合，從而培養(yǎng)學(xué)生定性和定量分析問(wèn)題的化學(xué)思維？

基于以上思考，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套多功能數(shù)字實(shí)驗(yàn)儀（見(jiàn)圖1），通過(guò)一套裝置能完成多個(gè)定性實(shí)驗(yàn)，如固體燃燒、固液反應(yīng)制氣體、溶液中的反應(yīng)等。此套裝置中，我們還可集多種傳感器于一體，同時(shí)測(cè)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中多個(gè)物理參數(shù)，如同時(shí)測(cè)定反應(yīng)的溫度、氣體的濃度、溶液中離子濃度變化、電導(dǎo)率變化等，從而進(jìn)行定量研究。此外，在設(shè)計(jì)裝置時(shí)還考慮到實(shí)驗(yàn)可能對(duì)環(huán)境造成的影響，盡可能達(dá)到環(huán)保的目的。

該實(shí)驗(yàn)儀還兼顧學(xué)科融合，可應(yīng)用于生物、科學(xué)等綜合性實(shí)踐活動(dòng)，通過(guò)跨學(xué)科學(xué)習(xí)發(fā)展學(xué)生的STEM+素養(yǎng)，從而從點(diǎn)滴改變中真正落實(shí)立德樹(shù)人的教育目標(biāo)[3]。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

說(shuō)明：根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求可選擇不同孔徑的多孔隔板。固體藥品在隔板上方，液體藥品從長(zhǎng)頸漏斗加入至隔板下方，通過(guò)控制液體（如液體過(guò)多，可通過(guò)洗耳球從長(zhǎng)頸漏斗上方吸?。?、固體藥品的接觸和分離實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的發(fā)生和停止。

3 應(yīng)用案例

學(xué)習(xí)了有關(guān)含碳物質(zhì)的完全燃燒和不完全燃燒。學(xué)生對(duì)含碳物質(zhì)的完全燃燒產(chǎn)物是二氧化碳比較容易理解，也會(huì)用澄清石灰水變渾濁來(lái)驗(yàn)證，但對(duì)含碳物質(zhì)的不完全燃燒產(chǎn)物一氧化碳并沒(méi)有直觀的認(rèn)識(shí)，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的多功能數(shù)字實(shí)驗(yàn)儀來(lái)完成含碳物質(zhì)木炭、蠟燭燃燒的實(shí)驗(yàn)，并借助傳感器對(duì)含碳物質(zhì)燃燒的產(chǎn)物進(jìn)行定量的探究。

蠟燭和木炭是生活中常見(jiàn)的含碳物質(zhì)，本實(shí)驗(yàn)采用電子打火器在容器內(nèi)點(diǎn)火，在密閉裝置中燃燒。通過(guò)氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、一氧化碳檢測(cè)儀同時(shí)測(cè)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氧氣、二氧化碳和一氧化碳等濃度的變化。

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

多功能環(huán)保型數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀（自制）、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、一氧化碳檢測(cè)儀、打火器（能打出火苗的）

3.2 實(shí)驗(yàn)藥品

實(shí)驗(yàn)（1）： 木炭、10%過(guò)氧化氫溶液、二氧化錳（特殊粘合劑制作的小球）

實(shí)驗(yàn)（2）： 蠟燭、10%過(guò)氧化氫溶液、二氧化錳（特殊粘合劑制作的小球）

4 實(shí)驗(yàn)原理

含碳物質(zhì)充分燃燒時(shí)，與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳，同時(shí)放出大量的熱。當(dāng)含碳物質(zhì)不充分燃燒時(shí)，生成一氧化碳，同時(shí)放出熱量。當(dāng)含碳物質(zhì)在密閉裝置內(nèi)燃燒時(shí)，同時(shí)利用氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、一氧化碳檢測(cè)儀測(cè)定含碳物質(zhì)燃燒過(guò)程中氧氣、二氧化碳、一氧化碳的含量的變化，從而準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)含碳物質(zhì)的燃燒原理，為生活中含碳燃料不完全燃燒所帶來(lái)的危險(xiǎn)及能源浪費(fèi)提供了佐證。除此之外，利用一氧化碳檢測(cè)儀中的數(shù)據(jù)還能感知一氧化碳所帶來(lái)的不良后果以及改進(jìn)方法。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)不僅可以探究含碳物質(zhì)不完全燃燒的情況，還能利用該裝置的優(yōu)勢(shì)通過(guò)探究找到解決問(wèn)題的方法。

5 實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)、現(xiàn)象及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)1： 利用多功能數(shù)字實(shí)驗(yàn)儀對(duì)人教版九年級(jí)化學(xué)有關(guān)碳的燃燒實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。

人教版九年級(jí)化學(xué)第六單元課題1“金剛石、石墨和C60”有關(guān)碳的燃燒有這樣兩段描述[4]：

1. 當(dāng)木炭充分燃燒時(shí)，與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳，同時(shí)放出大量的熱。

C+O2點(diǎn)燃CO2

2. 當(dāng)木炭不充分燃燒時(shí)，生成一氧化碳，同時(shí)放出熱量。

2C+O2點(diǎn)燃2CO

（1） 操作要點(diǎn)： ①檢查裝置的氣密性。②安裝實(shí)驗(yàn)儀，連接氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、一氧化碳檢測(cè)儀，并將氧氣傳感器數(shù)值校準(zhǔn)至21%。③利用專用液化氣燈先將木炭點(diǎn)燃，待其紅熱時(shí)，伸入儀器中，放在特制耐高溫玻璃器皿內(nèi)。④點(diǎn)擊開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，采集氧氣、二氧化碳濃度，同時(shí)觀察一氧化碳檢測(cè)儀的數(shù)值變化。

（2） 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象： 氧氣濃度不斷下降，二氧化碳濃度不斷上升（見(jiàn)表1、圖2），同時(shí)一氧化碳濃度不斷上升，一氧化碳報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警，過(guò)一段時(shí)間后，木炭熄滅。

（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 木炭在密閉裝置中燃燒生成二氧化碳的同時(shí)還生成一氧化碳;木炭燃燒，并不能將空氣中氧氣消耗完（見(jiàn)圖2）。

實(shí)驗(yàn)2： 利用多功能數(shù)字實(shí)驗(yàn)儀對(duì)人教版九年級(jí)化學(xué)第一單元課題3“對(duì)蠟燭及其燃燒的探究”有關(guān)蠟燭燃燒產(chǎn)物進(jìn)行研究。

（1） 操作要點(diǎn)： ①檢查裝置的氣密性。②安裝實(shí)驗(yàn)儀器，連接氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、一氧化碳傳感器，并將氧氣傳感器數(shù)值校準(zhǔn)至21%。③向裝置中倒入適量過(guò)氧化氫溶液，使長(zhǎng)頸漏斗下端形成液封。④點(diǎn)擊開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，電子打火點(diǎn)燃蠟燭，采集氧氣、二氧化碳的濃度數(shù)據(jù)，并觀察一氧化碳檢測(cè)儀的數(shù)值變化。⑤當(dāng)氧氣濃度降到18%左右時(shí)，向長(zhǎng)頸漏斗中繼續(xù)加入過(guò)氧化氫溶液，觀察氧氣、二氧化碳、一氧化碳濃度的變化。

（2） 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象： 氧氣濃度不斷下降，二氧化碳濃度不斷上升（見(jiàn)表2、圖3），同時(shí)一氧化碳濃度不斷上升。一氧化碳報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警，一段時(shí)間后，蠟燭火焰變小，倒入過(guò)氧化氫溶液后，蠟燭火焰變大，同時(shí)變得更加明亮了。

（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 蠟燭在密閉裝置中燃燒生成二氧化碳的同時(shí)還生成一氧化碳，蠟燭燃燒，并不能將空氣中氧氣消耗完（見(jiàn)圖3）。另外，隨著氧氣濃度的增加，一氧化碳含量下降。

6 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

（1） 該實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生在數(shù)據(jù)變化和感官體驗(yàn)認(rèn)知中，切實(shí)體驗(yàn)到含碳物質(zhì)在氧氣充足和不充足的條件下燃燒的狀況和燃燒產(chǎn)物的不同，同時(shí)認(rèn)識(shí)到物質(zhì)燃燒不是有氧氣就能發(fā)生，要發(fā)生燃燒氧氣必須達(dá)到一定的量。該實(shí)驗(yàn)既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又深化了學(xué)生對(duì)教材知識(shí)的理解。

（2） 本實(shí)驗(yàn)源于化學(xué)學(xué)習(xí)中的真實(shí)問(wèn)題，即證明含碳物質(zhì)的完全燃燒和不完全燃燒的產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)反應(yīng)特點(diǎn)有： ①含碳物質(zhì)在透明的密閉裝置中燃燒，可以清楚地觀察到含碳物質(zhì)從燃燒到熄滅的整個(gè)過(guò)程。②使用氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、一氧化碳檢測(cè)儀檢測(cè)密閉容器中氧氣、二氧化碳、一氧化碳濃度的變化。數(shù)據(jù)通過(guò)動(dòng)態(tài)曲線呈現(xiàn)，學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)到含碳物質(zhì)在氧氣充足和不充足的條件下燃燒狀況和燃燒產(chǎn)物的不同，深化了對(duì)燃燒反應(yīng)復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)。

（3） 本套實(shí)驗(yàn)裝置不僅能探究含碳物質(zhì)的燃燒，還能應(yīng)用于多組化學(xué)實(shí)驗(yàn)，如： 燃燒條件的探究、溶解過(guò)程的探究、溶液及其反應(yīng)中pH的測(cè)定、空氣中氧氣含量的測(cè)定，氣體的制備、檢驗(yàn)及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)等。

7 結(jié)語(yǔ)

教材是教學(xué)的重要信息來(lái)源，教材給出的實(shí)驗(yàn)一般均具有普遍性、可行性等特點(diǎn)，全面提升學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)，需要教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不斷創(chuàng)新、勇于探索。教授學(xué)生定性研究的方法，更要強(qiáng)化學(xué)生定量研究的意識(shí)，將定性研究與定量研究結(jié)合起來(lái)，這樣的科學(xué)探究才是科學(xué)的、有效的。我們將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)探究中，是對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)探究的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)手段有效融合不僅開(kāi)闊了學(xué)生的視野，而且還提升了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)效。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝丹敏. 探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的新設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2021， （2）： 56.

[2]羅兵. 氯氣制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置的組合化與微型化設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2012， （5）： 50.

[3]吳曉紅， 田小蘭， 蔣思雪. 以培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)為目標(biāo)的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)——以“愛(ài)護(hù)水資源”為例[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （12）： 38.

[4]王晶. 鄭長(zhǎng)龍. 義務(wù)教育教科書(shū)·化學(xué)·九年級(jí)上冊(cè)[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 110.