希沃傳屏融合傳感器在初中化學實驗教學中的應用

張玉珍

摘要：利用希沃傳屏技術和傳感器融合應用，將紅磷燃燒實驗操作及現(xiàn)象與壓強、溫度變化曲線同步對應，加深對實驗設計思路的理解。在希沃傳屏功能下，用無線一氧化碳傳感器探究木炭的不完全燃燒實驗，并進一步配合無線二氧化碳傳感器，探究木炭還原氧化銅的氣體產(chǎn)物，理解反應物的量不同產(chǎn)物不同。用分光光度計探究混合溶液中鈉、鉀元素的焰色反應，數(shù)據(jù)科學直觀。通過應用，提出數(shù)字化技術在教學中的應用原則和策略。

關鍵詞：希沃傳屏;傳感器;分光光度計

文章編號：1008-0546（2022）08-0076-05?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.016

一、探究紅磷燃燒測空氣中氧氣體積分數(shù)的實驗

1.研究背景

本課探究的是滬教版九年級化學上冊第二章第一節(jié)“測定空氣中氧氣含量”實驗（如圖1所示）。

該實驗是初中化學第一個半定量實驗。傳統(tǒng)教學中，學生學習本實驗內(nèi)容有許多障礙點：（1）“氣壓”是一個物理概念，而初三物理氣壓知識與本節(jié)教學進度基本同步，學生知識遷移的能力有限，此時還很難將氣壓知識應用到化學實驗中。（2）紅磷燃燒后產(chǎn)物有劇毒，所以只能采用教師演示實驗，無法確保全體學生都能清晰看到實驗過程，效果難以保證。（3）該實驗中的氣壓變化同時受到氣體量的變化和溫度兩個因素的影響，多因素的同時干擾下，學生很難理解教材實驗設計的原理及操作要求，如：實驗前為什么要夾緊彈簧夾？點然紅磷后為什么要迅速伸入？

對于氣壓變化無現(xiàn)象的問題，應用數(shù)字傳感器是非常合適的。在教學中，根據(jù)數(shù)字化實驗的功能特點，兩次以不同形式使用DIS技術。

2.教學過程

（1）課的引入

在課的開始，為了讓學生感知氣壓的存在和氣壓變化的影響因素。筆者設計了“抽、注空氣實驗”（如圖2所示），用注射器抽取或注入空氣的方式，來改變裝置內(nèi)氣體的量，從而改變壓強。借助壓強傳感器采集數(shù)據(jù)，從而得出密閉裝置內(nèi)氣體的量與氣壓之間的變化關系。

（2）新知學習

筆者在傳統(tǒng)實驗裝置上連接了壓強傳感器和溫度傳感器（見圖3）。數(shù)據(jù)顯示采用曲線圖和數(shù)值同時呈現(xiàn)的圖像模式。對比分析壓強、溫度兩條曲線，幫助學生理解實驗的過程，進而更好地理解實驗設計的思路。

考慮到初三學生學習化學時間較短，如果完全用數(shù)字化實驗代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗，跳躍太大，不利于化學思維的形成。此外，在教師演示實驗的過程中，學生不知道該觀察實驗現(xiàn)象還是觀察數(shù)據(jù)變化，最理想的情況是，實驗中每一步操作與現(xiàn)象以及傳感器數(shù)據(jù)都能一一對應地一步步出現(xiàn)。因此，筆者采用了多屏互動技術，讓傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗完美結合。

筆者借助希沃傳屏（見圖4）的分割屏原理，在教室白板上安裝希沃傳屏發(fā)送端 app，在智能手機和筆記本電腦上分別安裝了希沃傳屏接收端app。打開手機攝像頭，將演示實驗的畫面，超清、放大同屏到希沃白板上，解決了學生看不清楚演示實驗裝置的問題。再將筆記本電腦也通過傳屏 app，將傳感器的圖像分析界面也連接到希沃白板，此時一塊希沃白板被分割成兩個并列的動態(tài)畫面（見圖5）。后續(xù)實驗中教師每一步操作帶來的傳統(tǒng)實驗裝置內(nèi)的宏觀現(xiàn)象如燃燒、水倒流，所引起的溫度、壓強的曲線變化同步在白板上呈現(xiàn)，一目了然，突破思維屏障。

二、無線一氧化碳、二氧化碳傳感器探究碳的化學性質(zhì)

1.碳的不完全燃燒實驗

（1）研究背景

在學習滬教版九年級化學第四章第一節(jié)“碳”中碳的可燃性時，學生已經(jīng)學習了木炭在氧氣中燃燒，對于木炭的不完全燃燒，傳統(tǒng)課上較多的是以“燒炭中毒”為例直接解釋中毒原因，這樣往往讓學生對化學的認知較為負面。隨著時代的進步，我們可以提供更新的探索思路。如圖6所示，在三口瓶的一端用鐵絲綁住燃著的木炭，中間一個口徑連接一氧化碳無線傳感器、另一端用醫(yī)用橡膠塞密封，在檢測出 CO后，用注射器注入水澆滅木炭，全程密閉，防止污染環(huán)境。

（2）教學片段

【教師】出示木炭在氧氣中燃燒的實驗照片，請學生回顧該實驗的現(xiàn)象和化學方程式。

【學生】思考作答

【教師】如果讓木炭在同樣一瓶空氣中燃燒，產(chǎn)物又會是什么呢？如何證明？

【學生】產(chǎn)物可能是二氧化碳，也可能是一氧化碳，二氧化碳可以用澄清石灰水檢驗。

【教師】一氧化碳的檢驗可以借助新的檢測手段——一氧化碳傳感器，它能直接讀出氣體中一氧化碳的含量。那么現(xiàn)在我們打開一氧化碳傳感器，可以讀出實驗前裝置內(nèi)的一氧化碳含量為0，接下來，我們將木炭用鐵絲綁住在酒精燈火焰上點燃，并快速伸入平底三口燒瓶中，請大家觀察實驗現(xiàn)象和屏幕上的傳感器數(shù)據(jù)變化（教師通過傳屏將實驗畫面和傳感器數(shù)據(jù)同時傳至教室白板）。

【學生】通過觀察白板上實驗畫面和傳感器的動態(tài)數(shù)據(jù)變化，得出結論。

一氧化碳傳感器的使用，一方面讓學生第一次切實“看到”CO就在身邊產(chǎn)生，能夠更加注重實驗安全，提升環(huán)保意識。另一方面也讓學生初步理解反應物的量不同可能導致產(chǎn)物不同，為碳與氧化銅反應的學習做鋪墊。

2.木炭還原氧化銅實驗

（1）研究背景

“木炭還原氧化銅”實驗是九年級化學教學中一個重要的演示實驗，該反應是否產(chǎn)生一氧化碳是常見的課堂生成問題。學生在學習本實驗前已經(jīng)學習了質(zhì)量守恒定律，能夠根據(jù)質(zhì)量守恒定律猜測反應的氣體產(chǎn)物可能有三種情況：①只有一氧化碳;②只有二氧化碳;③既有一氧化碳又有二氧化碳。傳統(tǒng)教學中，教師從化學方程式配平角度引導學生從理論上得出當氧化銅與木炭的物質(zhì)的量之比為2∶1時，氣體產(chǎn)物只有二氧化碳。

近年來，設計實驗探究碳還原氧化銅反應后產(chǎn)物的氣體成分已成為熱點。而由于前期學生并沒有完全理解該反應氣體產(chǎn)物的情況，依照教材裝置圖（見圖7）以及對應的實驗現(xiàn)象，學生難以理解為什么會有一氧化碳產(chǎn)生、為什么大試管中固體減少的質(zhì)量與澄清石灰水中增加的質(zhì)量不一定相等。這部分知識往往成為學生遺留的難點。

為了滿足不同層次學生的學習需求，在學生對傳統(tǒng)實驗進行充分探究和足夠的認識后，筆者保留教材實驗的發(fā)生裝置，將產(chǎn)生的氣體導入平底三頸燒瓶，并分別連接一氧化碳和二氧化碳傳感器，檢測是否有一氧化碳和二氧化碳產(chǎn)生（見圖8）。

（3）教學片段

【教師】3000多年前我國古代銅匠以孔雀石為原料煉銅，加猛火長灸，孔雀石先被分解為氧化銅，繼而氧化銅與木炭反應，被還原為金屬銅，最終化為灼銅水，再做成各種各樣的器物、兵器。從這段資料中可以看出，生成銅的一步反應，反應的藥品、反應的條件分別是什么？除了銅，該反應可能還生成什么？

【學生】木炭與氧化銅在高溫條件下反應生成銅，可能還生成二氧化碳或者一氧化碳。

【教師】從環(huán)保的角度，同學們更希望氣體產(chǎn)物生成的是二氧化碳還是一氧化碳呢？

【學生】更希望產(chǎn)生的是二氧化碳。

【教師】如何避免產(chǎn)生一氧化碳？

【學生】增加氧化銅的含量。

【教師】請同學們首先嘗試配平生成二氧化碳的反應，你發(fā)現(xiàn)了什么？

【學生】通過配平從理論上發(fā)現(xiàn)，當氧化銅與木炭物質(zhì)的量之比等于2∶1時產(chǎn)生的是二氧化碳。

【教師】請同學們根據(jù)猜測設計實驗裝置，并檢驗產(chǎn)物。

【師生】討論交流實驗方案后按照教材實驗裝置進行實驗。

【教師】該實驗到底會不會產(chǎn)生一氧化碳，還需要更精確的實驗手段進行檢測。同時如果氧化銅的量減少是不是也像我們猜測的那樣會產(chǎn)生一氧化碳呢？

【教師】出示圖8所示的實驗裝置，按照生成 CO2和CO 的化學方程式分別進行了氧化銅與木炭物質(zhì)的量之比為2∶1、1.5∶1、1∶1三組實驗。實驗數(shù)據(jù)如圖9所示。

通過CO2和CO 曲線高度差的明顯沖擊，讓學生清楚地認識到，該實驗主要的反應是生成二氧化碳的反應，隨著CuO比例增多，CO生成量越來越少。在學生對傳統(tǒng)實驗進行充分探究和足夠的認識后，將數(shù)字化實驗作為補充實驗，增強對原教材實驗的理解，提升學生思維能力和分析探究能力。

三、應用分光光度計改進焰色反應實驗

1.研究背景

焰色反應是滬教版九年級化學教材實驗，傳統(tǒng)的焰色反應在實際操作中因鉑絲蘸取溶液量太少，燃燒火焰持續(xù)時間短，觀察現(xiàn)象不太明顯，尤其是鉀元素的紫色火焰，即使透過藍色鈷玻璃，學生觀察到明顯紫色依舊十分困難，影響實驗結果的真實性。

基于上述問題，在教學中，可使用無線分光光度計設計數(shù)字化實驗對傳統(tǒng)實驗進行補充。實驗裝置如圖10所示。

用噴霧器將待測液體連續(xù)噴灑至火焰上方，通過光纖采集火焰的光信號，轉(zhuǎn)化成電信號被光纖連接的分光光度計在特定波長處檢測光波強度，即可檢測溶液中某些金屬元素的存在情況。對于混合金屬鹽溶液的檢驗，由于各自的特征波長不同，相互之間不受影響。

2.教學片段

【教師】剛才我們通過用鉑絲蘸取待測液檢測氯化鉀溶液，觀察到紫色火焰不明顯，今天我們還可以使用一種數(shù)字化手段——火焰分光光度計法，進行檢測。我們先來看一下單獨的氯化鈉溶液、氯化鉀溶液噴灑在火焰上，分光光度計中會出現(xiàn)什么樣的結果呢？

【學生】觀察火焰顏色和曲線圖譜（見圖11）

【教師】從實驗中可以發(fā)現(xiàn)，如果溶液中含鉀元素，則會在770 nm左右出現(xiàn)一個波峰，若含鈉元素，則會在588 nm左右出現(xiàn)一個鈉元素的波峰。那么現(xiàn)在有一瓶硝酸鉀溶液，可能混有氯化鈉溶液，我們該如何檢驗呢？

【學生】觀察實驗結果（見圖12）

【教師】通過分光光度計進行焰色反應，不僅可以判斷溶液中鈉、鉀元素的含量高低，還可以用到混合溶液的分離提純中，例如上述溶液，我們發(fā)現(xiàn)硝酸鉀含量更多，可以采用降溫結晶的方式進行提純。

四、教學反思

1.數(shù)字化技術在初中化學實驗教學中的應用原則

（1）適切性原則

教師在熟練掌握初中化學教學基本要求的前提下，對教材實驗進行充分準確的分析。根據(jù)實驗教學重點和難點，考慮技術的融合使用是否可以提供沒有使用該項技術就很難實現(xiàn)的效果，例如：節(jié)約上課時間、觀察到傳統(tǒng)實驗無法觀察到的現(xiàn)象或者數(shù)據(jù)、能夠構建實驗現(xiàn)象與實驗規(guī)律之間的關聯(lián)等。

（2）適時性原則

數(shù)字化技術通常作為一種教學的輔助手段，出現(xiàn)在某種特定用途，如：激發(fā)學生學習興趣、突破某個重點、難點，對傳統(tǒng)實驗進行補充，以便拓寬學生的實驗探究思維等。因此，只有在合適的時間采用數(shù)字化技術，才能發(fā)揮二者融合的優(yōu)勢，促進教學目標的達成。

（3）適度性原則

數(shù)字化技術的使用不是為了吸引眼球，也不是多多益善，而是為了更好地服務學生，服務教學。教師必須根據(jù)教學的需要將傳統(tǒng)實驗教學與數(shù)字化實驗相融合，統(tǒng)籌安排，適度使用，才能達到錦上添花的效果。

2.數(shù)字化技術在初中化學實驗教學中的應用策略

（1）突破教學難點

化學教學中有很多待突破的難點，尤其是在促進學生的認知上。實踐證明用傳統(tǒng)的方法已很難突破，而數(shù)字化實驗是一種新的技術手段，教師可以嘗試用其在這些經(jīng)典的難關上整合、創(chuàng)新。

（2）加強學生活動

通過創(chuàng)設真實的問題情境，讓學生在一定的目標指引下開展有針對性的實踐活動，在技術的支持下，通過操作、觀察等行為獲得直觀體驗，將動手和動腦緊密結合、互相促進。例如：活性炭是家用除甲醛、冰箱除臭劑以及凈水器中常用的有效物質(zhì)。學生在學習了活性炭具有吸附性后，教師為學生提供過濾柱和分光光度計，學生查閱資料學習儀器功能和使用方法，開展課后探究活動，設計實驗，探究市面上不同顆粒大小的活性炭對紅墨水的吸附作用。

（3）挖掘儀器功能

從各種數(shù)字化實驗軟硬件的功能及應用開始研究，尋找與教學需求的結合點，也是數(shù)字化實驗研究的重要切入點。隨著全球信息技術的不斷發(fā)展，數(shù)字化設備呈現(xiàn)出由單一功能向多功能、從有線到無線，操作簡潔、便攜性、可移動性逐漸增強，使學生的數(shù)字化實驗活動更加普及、靈活，便于教師可以設計更多生活化的數(shù)字化實驗。

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