淺談化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)化

諸允妮

摘要：化學(xué)常被學(xué)生評(píng)為枯燥而困難的學(xué)科，傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)只是依樣畫葫蘆地按步驟實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。借助智能電子設(shè)備使化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)化，讓學(xué)生直觀的了解反應(yīng)過程中的環(huán)境溫度、溫度、產(chǎn)物生成持續(xù)時(shí)間等等數(shù)據(jù)，促使學(xué)生結(jié)合學(xué)科知識(shí)，掌握分析數(shù)據(jù)的能力。這些將會(huì)對(duì)學(xué)生、教師和設(shè)備都有新的要求。

關(guān)鍵詞：化學(xué)實(shí)驗(yàn);數(shù)據(jù)化;傳感器

化學(xué)常常被學(xué)生評(píng)為是一門枯燥而困難的學(xué)科，特別是在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。實(shí)驗(yàn)在字面上表達(dá)能看到各種生成物。然而，化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)危險(xiǎn)而又難與觀察的學(xué)習(xí)過程。生成物時(shí)常需要其他手段驗(yàn)證。例如一些無色無味的氫氣，常需要通過點(diǎn)燃來驗(yàn)證。點(diǎn)燃?xì)錃庠趯?shí)驗(yàn)室中進(jìn)行應(yīng)該是一種危險(xiǎn)行為，特別是一整個(gè)班的學(xué)生同時(shí)進(jìn)行。學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中氫氣的排出時(shí)機(jī)、生成量、收集瓶中氫氣與空氣的比例等結(jié)果較難把握。學(xué)生在此過程中可能會(huì)覺得無趣，僅按老師或書本上的指完成。因此，提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)的趣味性和可視化是教師組織化學(xué)實(shí)驗(yàn)急需解決的問題。

一、增養(yǎng)高新科技應(yīng)用型人才

隨著中國(guó)產(chǎn)業(yè)升級(jí)進(jìn)程，對(duì)人才的需求也越來越高，特別是在自動(dòng)化，智能化方面尤為明顯。在化工產(chǎn)業(yè)中，無論是在產(chǎn)出檢測(cè)還是關(guān)乎安全生產(chǎn)的泄漏檢測(cè)方面的要求大幅提高。因此，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不能固步自封，應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，不斷的添加智能化設(shè)備在實(shí)驗(yàn)中的比重。如鐵和水蒸汽反應(yīng)制氫實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)添加氫氣傳感器、氫氣含量傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器，讓整個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)化，更清晰的反映出實(shí)驗(yàn)過程。而不再是僅僅通過點(diǎn)燃或其他反應(yīng)來驗(yàn)證。數(shù)據(jù)化實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)的大趨勢(shì)。

回看近幾年，人們的生活在不知不覺中發(fā)生了天翻地覆的變化。智能手機(jī)不斷普及且功能越發(fā)強(qiáng)大，人體智能穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備，智能家電，智能機(jī)器人等等。過往的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)也逐漸增加工業(yè)機(jī)器人替代人工，因此對(duì)工人的要求也更高。而化學(xué)教學(xué)對(duì)標(biāo)的是醫(yī)藥和化工產(chǎn)業(yè)，安全生產(chǎn)，精準(zhǔn)生產(chǎn)，環(huán)保生產(chǎn)等等的要求不斷提高，實(shí)際也是對(duì)人的要求在提高。而這些要求都是建立在高新科技設(shè)備的基礎(chǔ)上。對(duì)學(xué)生的學(xué)科教學(xué)更應(yīng)該貼合對(duì)應(yīng)學(xué)科的高新科技設(shè)備的應(yīng)用。

二、學(xué)生知識(shí)要求

首先，高新科技是一個(gè)系統(tǒng)工程，不可能靠著一門非專業(yè)學(xué)科能學(xué)全。不能抱有在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中學(xué)會(huì)使用高新科技設(shè)備的想法，這將會(huì)本末倒置。我們主張的是讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程借助設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化，而不是教學(xué)生了解數(shù)據(jù)化。因此，這需要學(xué)生本身事先了解這些高新科技設(shè)備，理應(yīng)要有專門的課程講解。學(xué)生或者通過自學(xué)了解。只要求了解使用方法而非原理。能根據(jù)儀器使用手冊(cè)指引確定檢測(cè)位置、電源接線端、信號(hào)接線端、顯示屏接線端等。

其次，要對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化，必須對(duì)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)過程充分了解。諸多傳感器應(yīng)加裝在哪個(gè)位置要做到胸有成竹。同時(shí)實(shí)驗(yàn)安全要求又會(huì)有更進(jìn)一步提高。這些監(jiān)測(cè)的傳感器都帶有導(dǎo)線，如何保障導(dǎo)線的安全是以往的化學(xué)實(shí)驗(yàn)從未有過的問題。化學(xué)實(shí)驗(yàn)常常伴隨有高溫、腐蝕等極端問題。因此，如何保障這些電子設(shè)備的安全是在實(shí)驗(yàn)過程中要解決的新問題。

三、教師知識(shí)要求

化學(xué)教師要實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)化，對(duì)化學(xué)教師有相當(dāng)高的要求。以往的實(shí)驗(yàn)可能走走過程能有正確的產(chǎn)物產(chǎn)生就可以了。然而數(shù)據(jù)化后，實(shí)驗(yàn)的各種因素都一一呈現(xiàn)。各學(xué)生小組做出的成果可能會(huì)存在差導(dǎo)，即使加入的原料是一樣的。有的產(chǎn)量會(huì)比較多，有的產(chǎn)物的產(chǎn)生時(shí)長(zhǎng)會(huì)比較短等等，學(xué)生會(huì)提問：“為什么會(huì)這樣？”當(dāng)學(xué)生提出這樣的問題的時(shí)候，那這節(jié)實(shí)驗(yàn)課就已經(jīng)是成功了，因?yàn)橐呀?jīng)激起了學(xué)生的好奇。但對(duì)教師來說考驗(yàn)才剛開始。解答這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不能再像以后那樣籠統(tǒng)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)都有詳細(xì)的數(shù)字記錄，必須給成一個(gè)針對(duì)性的回答。學(xué)生是探究化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，就必須增強(qiáng)學(xué)生的主體意識(shí)，充分發(fā)揮他們的主觀能動(dòng)性。

以鐵和水蒸汽反應(yīng)制氫實(shí)驗(yàn)為例，A、B兩組學(xué)生實(shí)驗(yàn)裝置如圖一，實(shí)驗(yàn)設(shè)備一樣，原料質(zhì)量一樣，但氫氣產(chǎn)生的持續(xù)時(shí)間截然不同。面對(duì)學(xué)生的疑問，教師如何解答。這考驗(yàn)的是教師的知識(shí)儲(chǔ)備和對(duì)該實(shí)驗(yàn)是否完全掌握。由圖中可看到A組的鐵粉較B組的更為平鋪，這一細(xì)節(jié)需要教師在備課過程中考慮到，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的各種情況心中有數(shù)。

其次，較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不同，除了需要掌握對(duì)基本的化學(xué)實(shí)驗(yàn)器材檢查外，還需掌握這些傳感器或電子器件的基本檢查，判斷好壞。這對(duì)教師的教學(xué)提出更高的要求。因此可以設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單快速的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)來判斷儀器是否正常。真正讓教師思維也活躍起來。新時(shí)代的教師應(yīng)該做到一專多長(zhǎng)，不能局限在自己所在學(xué)科。計(jì)算機(jī)剛普及時(shí)，多媒體技術(shù)是教學(xué)培訓(xùn)的主旋律。這幾年教師的繼續(xù)教育，高新技術(shù)和智能化明顯。

最后，制作新的實(shí)驗(yàn)記錄表，記錄實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)，如產(chǎn)物輸出時(shí)間，反應(yīng)環(huán)境溫度、濕度，壓力等等數(shù)據(jù)。較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)苁正R更多資料，教師還需教會(huì)學(xué)生分析數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)過程與理論計(jì)算所存在的誤差，以及誤差存在的原因。驗(yàn)證意識(shí)是科學(xué)方法和科學(xué)態(tài)度中的重要組成之一。鼓勵(lì)學(xué)生一次實(shí)驗(yàn)多次驗(yàn)證，以不同份量和環(huán)境重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)。統(tǒng)合比較數(shù)據(jù)找出共性。

四、場(chǎng)地設(shè)備要求

數(shù)據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，是一種新的趨勢(shì)。為適應(yīng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)化，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的設(shè)備需要做到以下兩點(diǎn)：

第一點(diǎn)，添置新的電子傳感設(shè)備和顯示設(shè)備。制定規(guī)范的數(shù)據(jù)化實(shí)驗(yàn)的操作章程，特別是如何保障這此電子設(shè)備在化學(xué)反應(yīng)過程中不會(huì)損壞;修訂實(shí)驗(yàn)使用手冊(cè)，以簡(jiǎn)潔的圖文指引實(shí)驗(yàn)人員操作。

第二點(diǎn)，更新傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材。因?yàn)橛行?shí)驗(yàn)過程中需要傳感器靠近反應(yīng)源，所以更新傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材能有安裝傳感器的地方。還需要有隔熱耐壓耐腐蝕的連接部件。通過專門訂制實(shí)驗(yàn)器材解決實(shí)驗(yàn)傳感器準(zhǔn)確安裝。

由此可見，這需要一筆大的教育支出實(shí)現(xiàn)更新?lián)Q代。這需要政府財(cái)政的支出與校方領(lǐng)導(dǎo)的積極組織和配合。但化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化，可以更貼合企業(yè)的人才需求，也可以提高學(xué)生的各學(xué)科的知識(shí)整合能力，以及學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力。使化學(xué)實(shí)驗(yàn)由實(shí)現(xiàn)教師或書本的目標(biāo)，變成學(xué)生去驗(yàn)證分析實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人翁。

參考文獻(xiàn)

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