數(shù)字化實驗在空氣組成中的教學(xué)研究

孫覓覓

摘要：在大數(shù)據(jù)時代，數(shù)字化傳感器與化學(xué)教學(xué)的融合越來越受到人們的關(guān)注。本文以《空氣中氧氣含量的測定》這一節(jié)課為載體，由于傳統(tǒng)的實驗存在各種局限性和誤差性，故筆者借助數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)與圖像的有機結(jié)合，在獲得更為科學(xué)性結(jié)論的同時，還能提高課堂效率，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化傳感器;氧氣含量;課堂效率

一、數(shù)字化實驗的組成和特征

數(shù)字化實驗是指用傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機以及相關(guān)軟件進行的實驗。

（一）數(shù)字化實驗的組成

現(xiàn)代的數(shù)字化實驗系統(tǒng)是由計算機、專業(yè)軟件、傳感器和采集器幾部分組成，其中傳感器是作為整個系統(tǒng)的核心。工作人員做實驗時，所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)都是由傳感器的探頭獲得，如氣體的壓力、溫度，濃度等。再通過數(shù)據(jù)采集器，將傳感器在實驗時所獲得的相關(guān)電信號轉(zhuǎn)換成計算機所需要的數(shù)字信號并完成輸送，最終在由專業(yè)軟件將這些數(shù)據(jù)處理成工作人員所需要的數(shù)值或者圖像。

（二）數(shù)字化實驗的特征

方便操作與攜帶，能夠?qū)崟r地反饋實驗結(jié)果，這些都是數(shù)字化實驗所獨有的優(yōu)點。當(dāng)多個傳感器同時連接同一個數(shù)據(jù)采集器時，還可以同時提供各種不同的數(shù)據(jù)，并且都能及時的反饋，這使得不同學(xué)科在學(xué)術(shù)交流上起到了促進的作用。由于傳感器的技術(shù)含量高，一般來說所測得到的數(shù)據(jù)都是非常精準的，能滿足不同學(xué)科的交流和學(xué)習(xí)。

根據(jù)現(xiàn)有的研究和筆者個人的感受，總結(jié)出數(shù)字化實驗具有以下特征：

（1）高效性：方便快捷的優(yōu)點大大提高了課堂教學(xué)效率。實驗結(jié)果非常直觀明了，很大程度上節(jié)省了學(xué)生記錄數(shù)據(jù)與繪制圖像的時間，讓學(xué)生能夠更大程度地參與進實驗的分析中來，能讓學(xué)生更多的發(fā)現(xiàn)實驗的問題，并提高學(xué)生思考與解決問題的效率與能力。

（2）直觀性：數(shù)字化實驗對于實驗現(xiàn)象的直觀呈現(xiàn)，讓初中化學(xué)實驗教學(xué)變得豐富。傳統(tǒng)的化學(xué)實驗往往現(xiàn)象不夠明顯，難以說服學(xué)生。而傳感器是一種很靈敏的工具，可以檢測到微弱的信號，將不明顯的現(xiàn)象以數(shù)據(jù)形式放大，提高了實驗結(jié)果的可靠性。另外，圖像的呈現(xiàn)可以讓學(xué)生在實驗的過程當(dāng)中，直觀清晰地分辨出實驗數(shù)據(jù)的變化曲線，讓學(xué)生對化學(xué)知識有一個更透徹的理解。

（3）綜合性：切實提高學(xué)生對科學(xué)知識的探索能力。初中階段的化學(xué)實驗，大多是對書本知識的驗證，學(xué)生沒有參與到知識的探索當(dāng)中。而數(shù)字化實驗可以讓學(xué)生很好地參與到探究性實驗當(dāng)中來，老師提出問題，學(xué)生經(jīng)過思考與討論，然后利用數(shù)字化儀器設(shè)計實驗方案。讓他們參與到知識的探究當(dāng)中來，提高他們的主動積極性。

二、 空氣中氧氣含量測定方案研究

早在200多年前，我們偉大的科學(xué)家拉瓦錫就用看得見的汞的體積來表示看不見的氣體體積的變化。但由于汞有毒，并不是實驗室的最佳藥品。課本中為什么選擇紅磷，而不是木炭、鐵絲、鎂帶等藥品呢？因為木炭會與空氣中的氧氣反應(yīng)而生成二氧化碳氣體，會彌補消耗掉氧氣的氣體，對實驗造成干擾。鐵絲只在純氧環(huán)境中才能燃燒;鎂不僅能和空氣當(dāng)中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，還能在與氮氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氮化鎂固體，同時還能和二氧化碳氣體發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鎂以及碳單質(zhì)這兩種物質(zhì)，所以在選擇藥品的時候，要選擇只能與氧氣發(fā)生反應(yīng)的藥品，同時滿足生成物是固體或者液體的藥品。很多人認為紅磷是最佳選擇，而且筆者在準備授課教材的時候，發(fā)現(xiàn)許多教科書中都提到了過量的紅磷可以把集氣瓶里面的氧氣消耗殆盡，實際結(jié)果卻大相徑庭。在當(dāng)紅磷熄滅時，集氣瓶里依然會殘留許多的氧氣。所以，用紅磷測定空氣中氧氣的含量是不準確的。究竟是不是這樣呢？就需要用到氧氣傳感器了來驗證，將它通過數(shù)據(jù)采集器連接到電腦，就可以實時地、準確地測定氧氣含量了。

三、數(shù)字化實驗教學(xué)研究

通過實驗，筆者發(fā)現(xiàn)空氣中氧氣的初始值是20.05 %，點燃紅磷后迅速放入集氣瓶中，此時氧氣受熱膨脹含量回到初始值，之后很快下降到最低點8.67 %，說明集氣瓶中氧氣被消耗，最后溫度在9.36 %。實驗說明，過量的紅磷并不能將集氣瓶里的氧氣全部消耗殆盡，這主要是因為紅磷的著火點為240 ℃，而當(dāng)氧氣的含量降低到一定量時，氧氣燃燒所釋放的溫度不足以達到240 ℃，此時紅磷熄滅。所以數(shù)字化實驗是可以讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)課本當(dāng)中所提到的實驗是有問題存在的，對于探索新的科學(xué)知識，我們一定要保持著質(zhì)疑的態(tài)度。這時，教師也可以提出新的問題，比如在密閉的環(huán)境當(dāng)中，找出燃燒可以完全消耗密閉環(huán)境當(dāng)中氧氣的物質(zhì)，讓學(xué)生們?nèi)ふ倚碌目梢詼y定氧氣含量的科學(xué)方法，以此來打開學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生對實驗的驗證思維。

通過實踐證明初中階段的化學(xué)實驗教學(xué)完全可以把數(shù)字化傳感技術(shù)融入進來，作為傳統(tǒng)課堂教學(xué)的升級，對于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，以及教師教學(xué)水準和職業(yè)素養(yǎng)的提升都有顯著的作用。但是，數(shù)字化實驗的數(shù)據(jù)處理以及圖像分析對于初中生來講難度太大，如何將數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗相融合，是接下來教師應(yīng)該思考和解決的問題。

參考文獻：

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