數(shù)字化傳感實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及思考

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，中學(xué)組織了多方面的研究活動(dòng)，但很多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集會(huì)顯得力不從心。而數(shù)字化傳感實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用能為研究性學(xué)習(xí)提供工具支持，使一些難以開展的實(shí)驗(yàn)變得直觀、簡(jiǎn)單。所以，數(shù)字化傳感實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。文章以“空氣中氧氣含量的測(cè)定”為例，對(duì)數(shù)字化傳感實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，以期為相關(guān)教育工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：傳感器;氧氣含量;化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G427 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-9192（2022）17-0070-03

引 ?言

氧氣在空氣中的含量幾乎是恒定的，那么如何測(cè)定氧氣在空氣中的含量呢？物質(zhì)在氧氣中的燃燒真的會(huì)完全進(jìn)行嗎？文章著重介紹在化學(xué)教學(xué)中利用新科技來測(cè)定空氣中氧氣的含量。

一、理論基礎(chǔ)

空氣是與人類息息相關(guān)的物質(zhì)，而空氣成分的測(cè)定也吸引了眾多科學(xué)家進(jìn)行不斷的探究。在傳統(tǒng)中學(xué)教學(xué)中，一般是利用燃燒法測(cè)定空氣中氧氣的含量，而這一方法無法準(zhǔn)確測(cè)得與理論上相同的數(shù)據(jù)。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前中學(xué)測(cè)定空氣中氧氣含量的方法也在不斷改進(jìn)[1]。

利用數(shù)字化傳感實(shí)驗(yàn)就可以測(cè)定空氣中氧氣的含量。數(shù)字化傳感實(shí)驗(yàn)?zāi)茏詣?dòng)收集及處理數(shù)據(jù)，極大地方便了教師的日常教學(xué)。本文重點(diǎn)介紹“空氣中氧氣含量的測(cè)定”這一節(jié)課中的實(shí)驗(yàn)過程可能引發(fā)的問題，分析了數(shù)字化傳感實(shí)驗(yàn)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[2]。

經(jīng)過一段時(shí)間的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)熟悉了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境，掌握了實(shí)驗(yàn)室安全規(guī)則，初步學(xué)會(huì)了常見化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的使用和藥品取用、酒精燈的使用等基本實(shí)驗(yàn)技能，為“測(cè)定空氣中的氧氣含量”的實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)?？諝庵械难鯕夂考s有21%，教師可以幫助學(xué)生鞏固這一常識(shí)，并自然地引入“空氣中氧氣含量的測(cè)定”這一重要知識(shí)點(diǎn)，為學(xué)生后續(xù)混合物中某一組分的測(cè)定奠定基礎(chǔ)。

二、教學(xué)過程

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)：（1）能說出空氣的成分;（2）掌握空氣中氧氣含量測(cè)定的原理;（3）體會(huì)科學(xué)家的思想并學(xué)會(huì)科學(xué)探究的基本方法。雖然本課內(nèi)容較為簡(jiǎn)單，但是涉及的內(nèi)容非常豐富。

知識(shí)維度：從定性、定量?jī)蓚€(gè)角度認(rèn)識(shí)空氣的組成。

技能維度：需要學(xué)生獨(dú)立操作，包括藥品的取用、酒精燈的使用等。

方法維度：形成測(cè)定混合物某一組分含量的思路;會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的處理和分析。

筆者結(jié)合實(shí)際情況對(duì)本節(jié)課的教學(xué)過程可能出現(xiàn)的問題提出如下設(shè)定及建議。

引入：播放視頻，介紹空氣中氧氣含量恒定的重要性，引出空氣成分的發(fā)現(xiàn)史及拉瓦錫測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)，體會(huì)科學(xué)家探索科學(xué)的艱辛及在探索科學(xué)過程中的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度。

思考：如何根據(jù)氧氣的性質(zhì)來測(cè)定空氣中氧氣的含量？

回答：氧氣能支持燃燒。根據(jù)燃燒前后空氣含量的變化來測(cè)定氧氣的含量。

講述：相同條件（溫度、體積）下，氣體的含量之比等于氣體壓強(qiáng)比。因此，可以利用這一點(diǎn)來測(cè)定一個(gè)固體體積的容器內(nèi)可燃性物質(zhì)充分燃燒后壓強(qiáng)的變化，從而測(cè)得空氣中氧氣的含量。

原理：接通電路使電爐絲發(fā)熱，紅磷燃燒消耗具支錐形瓶?jī)?nèi)的氧氣。氧氣被消耗引起具支錐形瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)變化，所以可利用壓強(qiáng)傳感器測(cè)得燃燒前后壓強(qiáng)的變化，從而測(cè)得空氣中氧氣的含量。

實(shí)驗(yàn)裝置和藥品：具支錐形瓶、接有電熱絲且具有接線柱的燃燒匙、壓強(qiáng)傳感器、溫度傳感器、自制改裝電源、紅磷。

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：（1）橡膠塞打孔，安裝好溫度傳感器及帶有電爐絲的燃燒匙并固定密封好。（2）檢查好裝置氣密性。按照?qǐng)D1裝好，微熱錐形瓶，右側(cè)導(dǎo)管有氣泡冒出后，撤去熱源，如果在導(dǎo)管口形成一段水柱且一段時(shí)間不變化，證明氣密性良好。（3）在具支錐形瓶的支管口裝好壓強(qiáng)傳感器，并把溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器分別與計(jì)算機(jī)相連接（如圖2）。

實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵：（1）紅磷充分燃燒，產(chǎn)物完全吸收;

（2）裝置的密閉性至關(guān)重要;（3）反應(yīng)前后測(cè)定壓強(qiáng)時(shí)應(yīng)注意溫度一致。

實(shí)驗(yàn)過程：（1）在燃燒匙中裝入足量的紅磷，錐形瓶底部加入適量的水（促進(jìn)產(chǎn)物五氧化二磷完全吸收）;（2）塞緊橡膠塞，閉合電路的開關(guān)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;（3）充分冷卻后，記錄計(jì)算機(jī)中顯示的壓強(qiáng)變化，處理數(shù)據(jù);（4）重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，求出氧氣的平均含量。

現(xiàn)象及數(shù)據(jù)：表1數(shù)據(jù)為實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程所測(cè)。

發(fā)現(xiàn)問題：空氣中氧氣的含量為17.5%，比預(yù)測(cè)值（21%）低。

原因分析：通過查資料得知，物質(zhì)都有一定的氧指數(shù)。氧指數(shù)簡(jiǎn)稱OI，是在規(guī)定條件下，試樣在氧氣、氮?dú)獾幕旌蠚饬髦?，維持可燃性物質(zhì)平穩(wěn)燃燒所需的最低氧氣濃度，以氧氣所占體積百分?jǐn)?shù)表示。氧指數(shù)越小，越易燃燒;反之，氧指數(shù)越大，越難燃燒。故在保證裝置氣密性良好，且嚴(yán)格控制反應(yīng)前后溫度的情況下，測(cè)得的氧氣含量低于預(yù)估值。最可能的原因是紅磷雖然為可燃性物質(zhì)，但是有可能在氧氣濃度低于一定值后無法繼續(xù)燃燒，導(dǎo)致測(cè)得的氧氣含量偏低。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，氧氣濃度低于3.5%就無法燃燒。

解決方案：（1）提前準(zhǔn)備好純凈的氮?dú)夂脱鯕猓床煌w積比混合;（2）按圖3組裝好實(shí)驗(yàn)裝置，檢查氣密性;（3）裝好紅磷，打開1、2兩個(gè)止水夾，把混合氣體通入裝有紅磷的裝置一段時(shí)間;（4）閉合電路的開關(guān)，觀察是否燃燒;（5）記錄數(shù)據(jù)（見表2），并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論。

三、實(shí)驗(yàn)意義

本節(jié)課重點(diǎn)是通過數(shù)字化傳感實(shí)驗(yàn)進(jìn)行化學(xué)教學(xué)，讓學(xué)生充分感受到科學(xué)家研究科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度及付出的巨大努力;通過數(shù)字化傳感實(shí)驗(yàn)教學(xué)來提高學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)，使其感受到科技發(fā)展在科學(xué)研究方面所起到的巨大作用。

數(shù)字化傳感實(shí)驗(yàn)由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和配套軟件組成。教師可將其與計(jì)算機(jī)連接并采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，這樣能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的缺陷，讓學(xué)生了解先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)思維能力，提高學(xué)生的探究水平。但是使用數(shù)字化傳感實(shí)驗(yàn)會(huì)弱化常規(guī)實(shí)驗(yàn)的操作規(guī)范，影響學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的細(xì)致觀察，且能采用數(shù)字化傳感實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)不是很多，所以其在推廣方面也存在一定的局限性[3]。

目前來看，適合使用數(shù)字化傳感實(shí)驗(yàn)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)主要有離子反應(yīng)、中和反應(yīng)、燃燒反應(yīng)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)。高考題目中有很多與圖像分析相關(guān)的題目，自變量和因變量也比較多，有濃度、溫度、催化劑、壓強(qiáng)、表面積、pH、轉(zhuǎn)化率、體積分?jǐn)?shù)、反應(yīng)速率、導(dǎo)電率、離子濃度比值等。這類題目難度比較大，學(xué)生如果能在日常學(xué)習(xí)中學(xué)會(huì)處理數(shù)字化傳感實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)及圖像的處理也會(huì)掌握得更加透徹，解答過程也更加得心應(yīng)手。

結(jié) ?語

本文中，教師通過對(duì)教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行反思，積極思考并收集資料，帶領(lǐng)學(xué)生改進(jìn)并制作實(shí)驗(yàn)儀器，再通過傳感器等數(shù)字儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后得出結(jié)論。每一步都環(huán)環(huán)相扣，緊密連接。學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，其思維被一步步地引導(dǎo)到正確的方向上，為后面定性、定量實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)。教師在嘗試改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的過程中，也得到了鍛煉與啟發(fā)，有很大的收獲。在以后的教學(xué)中，教師也可以多嘗試進(jìn)行一些教學(xué)上的改進(jìn)，不斷與時(shí)俱進(jìn)，同時(shí)穿插一些新科技的應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

梁金紅.數(shù)字化傳感實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用策略：以初中化學(xué)測(cè)定空氣里氧氣的含量實(shí)驗(yàn)為例[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2020（20）：20-21.

洪茲田，陳女婷.建構(gòu)思維模型 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)手段：一道“測(cè)定空氣中氧氣含量”實(shí)驗(yàn)拓展題分析及引發(fā)的思考[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2020，30（02）：58-61.

張香珠.例談初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的素養(yǎng)教育：以解讀“測(cè)定空氣中氧氣含量實(shí)驗(yàn)”為例[J].考試周刊，2019（72）：149-150.

作者簡(jiǎn)介：朱麗萍（1983.1-），女，福建莆田人，

任教于福建省莆田第二中學(xué)，一級(jí)教師，本科學(xué)歷，2021年獲“莆田市高中教育先進(jìn)個(gè)人”稱號(hào)。