水質(zhì)測試筆“看見”水體質(zhì)量的數(shù)字化實驗探究

廣東省深圳市羅湖教科院附屬學(xué)校(518001) 朱云敏

廣東省深圳市田東中學(xué)(518000) 羅雪儀

化學(xué)實驗、數(shù)據(jù)分析是初中化學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，教師對實驗的設(shè)計顯得非常重要，讓學(xué)生更快、更便捷地通過化學(xué)實驗去學(xué)習(xí)化學(xué)，是學(xué)生學(xué)好化學(xué)的重要途徑之一[1]。事實上，化學(xué)實驗是了解未知物質(zhì)的性質(zhì)、豐富化學(xué)知識及解決實際化學(xué)問題的最好方法之一。但是，對于初中化學(xué)的某些知識點：如不同凈水方式的凈化程度比較、水的組成分析等，如教師在化學(xué)教學(xué)過程中只利用常規(guī)的實驗儀器與裝置開展化學(xué)實驗，則存在費(fèi)時、乏味、效率低和效果差等問題。如何通過實驗的設(shè)計和優(yōu)化彌補(bǔ)上述的缺陷？

隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的快速發(fā)展，信息技術(shù)在課堂教學(xué)中逐步普及，數(shù)字化實驗教學(xué)在化學(xué)課堂和實驗教學(xué)中已經(jīng)得到開展。數(shù)字化化學(xué)實驗具有以下特點：實驗過程可視化、實驗現(xiàn)象客觀化、實驗屬性定量化、實驗易操作等特點[2，3]。在進(jìn)行化學(xué)實驗探究時，學(xué)生除了要知道“怎么樣做實驗”“觀察實驗現(xiàn)象”“這個物質(zhì)是什么”之外，還應(yīng)明白更深層次的要求：“知道有多少”，這就需要初中化學(xué)實驗由單純的定性實驗向定量化實驗過渡。傳統(tǒng)的化學(xué)實驗教學(xué)往往注重培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力和對實驗現(xiàn)象的觀察能力，但忽視了對學(xué)生自主探究能力的培養(yǎng)。那么，如何利用現(xiàn)代化、數(shù)字化的實驗手段提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性和對化學(xué)實驗的參與度，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和實踐能力？為了解決以上的問題，筆者將水質(zhì)測試筆(以下簡稱“水質(zhì)筆”)引入傳統(tǒng)的化學(xué)實驗課堂，讓學(xué)生利用數(shù)字化的測試儀器“看見”水體的質(zhì)量。

為了分析將水質(zhì)筆引入傳統(tǒng)的化學(xué)實驗課堂的可行性，需對水質(zhì)筆的工作原理進(jìn)行分析。水質(zhì)筆也稱TDS測試筆，TDS為Total Dissolved Solids(溶解性總固體)的縮寫，其工作原理如下：根據(jù)水體中可溶性物質(zhì)的多少，液體的導(dǎo)電不同，判定水體中所含可溶融性顆粒的多少[4]。其中，一般情況下，水質(zhì)筆的TDS值越小，說明水體中可溶融性顆粒的溶解量越小，水體的質(zhì)量可能越高。因為在水體中，主要的溶解物質(zhì)為：Ca2+、Mg2+、Na+離子及色素分子等，所以，從理論上分析用水質(zhì)筆測定水體的質(zhì)量是可行的。

1 測試樣品與方法

1.1 測試樣品

過濾后、活性炭吸附后、煮沸后、蒸餾后的水體樣品，怡寶飲用純凈水，農(nóng)夫山泉飲用水(礦泉水)，可口可樂飲料，乳酸菌飲料。

1.2 方法及實驗過程

分別利用水質(zhì)筆測試不同測試樣品的TDS，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析。測試前使用蒸餾水沖洗水質(zhì)測試筆探頭3～5次，沖洗后用紙巾擦拭干凈。測試過程中，將水質(zhì)筆浸入待測溶液中，待示數(shù)穩(wěn)定后(約10 s)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，每個溶液樣品平行測試3次。在進(jìn)行測定其他溶液TDS時，將水質(zhì)筆探頭重新洗凈、擦拭后再進(jìn)行下組溶液TDS的測定。

2 水質(zhì)筆“看見”水體的質(zhì)量

如圖1所示，過濾之后的液體變得澄清，但是澄清的液體并不透明，呈現(xiàn)淡紅色。主要原因是過濾實驗操作僅能去除液體中的顆粒較大的不溶性雜質(zhì)，并不能除去溶解在水中的可溶性雜質(zhì)，由于色素分子的存在，所以液體的顏色為淡紅色。通過對圖1的分析，我們也很好地證實了澄清不等于無色透明，利用學(xué)生的認(rèn)識沖突，強(qiáng)化對知識的理解，增強(qiáng)學(xué)生對概念的學(xué)習(xí)興趣。那么，呈現(xiàn)顏色的液體如何進(jìn)一步的凈化？

(a) (b)

2.1 活性炭吸附前后水體質(zhì)量分析

在實驗和實際生活中，我們常利用活性炭的吸附性除去液體中的一些色素及異味。如圖2所示，經(jīng)過活性炭吸附之后的液體，變得澄清透明。通過顏色對比，可以清晰地感受到經(jīng)過活性炭的吸附后，水體得到了凈化，但是這樣一杯澄清無色透明液體的水體質(zhì)量如何？直接的觀察是無法判別出來的。我們在活性炭吸附前后用水質(zhì)筆進(jìn)行了液體的TDS測試，測試結(jié)果表明：活性炭吸附前的液體TDS值為906 ppm，活性炭吸附后的液體TDS值下降為202 ppm，活性炭吸附前后液體的TDS變化是非常明顯的。通過測試結(jié)果，我們很好地驗證了水質(zhì)筆用于實際數(shù)字化實驗的功能。

(a) (b)

通過對照飲用水標(biāo)準(zhǔn)(見表1)，我們可以發(fā)現(xiàn)：活性炭吸附后的液體TDS值稍高于硬水TDS值的上限。在九年級上冊的教材中是這樣定義硬水、軟水的：含有較多可溶性鈣、鎂化合物的水叫做硬水；不含或含有較少可溶性鈣、鎂化合物的水叫做軟水。在教材中鑒別軟水硬水的方法是利用肥皂水。其中，向硬水中加入肥皂水振蕩后有大量浮渣、少量泡沫產(chǎn)生。但是，不同硬水之間的區(qū)別我們并不能通過這樣定性的測試區(qū)分開來。慶幸的是，通過水質(zhì)筆的使用，TDS數(shù)值的獲取，學(xué)生能直觀地“觀察”到硬水，并且有了一個初步的定量分析。活性炭吸附之后的液體并沒有達(dá)到飲用水的標(biāo)準(zhǔn)，得到的澄清液體的水體質(zhì)量也是較差的，如何進(jìn)一步將水體凈化？

表1 國際直接飲用水標(biāo)準(zhǔn)

2.2 硬水凈化前后水體質(zhì)量分析

在教材中，將硬水軟化的方法主要為：通過煮沸降低水的硬度；在實驗室中，可以通過蒸餾降低水的硬度。且在教材分析中，有這樣的描述：實驗室用的蒸餾水是凈化程度較高的水。那么，如何分析硬水在煮沸后或蒸餾后是否被軟化？如何去比較煮沸的水和蒸餾水的凈化程度？這是一個學(xué)生理解上的難點并且是一個化學(xué)知識盲區(qū)。與圖1、圖2不同的是，在圖3中，不管是煮沸前、煮沸后還是蒸餾前、蒸餾后，液體都顯示為澄清透明，無法通過視覺鑒別出凈化前后液體質(zhì)量的變化，更加不可能比較出蒸餾水和煮沸的水兩者水體凈化程度。

(a) (b) (c)

在實驗中引入水質(zhì)筆，就能使上述問題得以快速、直觀地解決。通過對不同液體的TDS測試值進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，在煮沸和蒸餾后，水體得到了凈化，雖然3杯液體都是無色澄清透明的，但是它們的TDS有較大的差異。其中，煮沸后的液體，如圖3(a)所示，液體的TDS為24 ppm，表明硬水在煮沸后水體質(zhì)量有提高。煮沸后的液體已不屬于硬水，為軟水。如圖3(c)所示，蒸餾后的液體TDS僅為11 ppm，為純度高的理想飲用水。通過以上測試，我們可以很好地證實，硬水在煮沸、蒸餾后得到了軟化，TDS的數(shù)值都小于100 ppm。特別地，通過數(shù)字化水質(zhì)筆實驗的設(shè)計，我們可以清晰看到圖3(a)與圖3(c)的區(qū)別，蒸餾后的液體TDS僅為11 ppm，小于煮沸后的液體的TDS(24 ppm)，這也很好地證明了蒸餾與煮沸兩種凈水方式的凈水程度的不同。蒸餾后的液體凈水程度更高。顯然，在實驗中引入水質(zhì)筆，能可視化地解決學(xué)生遇到的難題，并且引入定量的分析，降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度并提高學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣。

3 生活中常見液體的TDS測定

上述實驗很好地證實了數(shù)字化水質(zhì)筆的使用能很好地定量分析水體的質(zhì)量，而水質(zhì)筆在實際的生活中又有怎樣的延伸及應(yīng)用？

3.1 飲用純凈水及礦泉水的TDS測定

學(xué)生對于水質(zhì)筆有了初步的認(rèn)識之后，可以將水質(zhì)筆的測試延伸到實際的生活中。例如，我們平時飲用的水體質(zhì)量怎么樣？為了進(jìn)行相關(guān)的測試，我們將學(xué)生感興趣的飲用純凈水和飲用礦泉水分別進(jìn)行了TDS測試。如圖4，飲用純凈水的TDS為0 ppm，礦泉水的TDS為39 ppm。以上的測試結(jié)果也很好地表明礦泉水中溶解有礦物質(zhì)使得TDS的數(shù)值高于純凈水。實際上，兩種飲用水均達(dá)到了飲用標(biāo)準(zhǔn)，由于具體的飲用水種類不同，使得兩者的TDS有差別。通過以上的測試，學(xué)生對純凈水和礦泉水有了更直觀、更深層的了解，也強(qiáng)化了學(xué)生對“純凈物”“混合物”知識點的理解。生活中飲用水的TDS測試將實驗、測試由實驗室“帶到”生活中，通過學(xué)生自己動手操作來實際感受實驗的生活化。

(a) (b)

3.2 生活中飲料的TDS測定

在生活中，學(xué)生更感興趣的是測試飲料的TDS。通過相關(guān)調(diào)研，我們也進(jìn)行了可口可樂和乳酸菌飲料的TDS測試，測試結(jié)果如圖5所示。通過相關(guān)的數(shù)據(jù)分析，我們可以清楚地看到可口可樂的TDS為472 ppm，乳酸菌飲料的TDS高達(dá)1 100 ppm。那么，通過與表1的指標(biāo)對比，是否這兩種飲料都達(dá)不到飲用的標(biāo)準(zhǔn)？

(a) (b)

對于以上的問題，我們需要更深層次的分析，表1的標(biāo)準(zhǔn)是國際直接飲用水標(biāo)準(zhǔn)，而我們生活中經(jīng)常遇到的液體的溶解物是更加復(fù)雜的，其中包括一些有機(jī)物等[5]。而飲料的TDS高，并不能表明飲料不可直接飲用。通過以上測試，我們可以在生活化的例子中深化理解TDS的含義，TDS是檢驗液體中各類有機(jī)物或者無機(jī)物的總和。對于飲用水有一定的標(biāo)準(zhǔn)(見表1)，但是生活中的液體由于溶解物的特殊性、復(fù)雜性，需要辯證地看待測試得到的TDS數(shù)值，也就是說：對于復(fù)雜體系的液體而言，并不能直接或只通過TDS的數(shù)值判定液體質(zhì)量的好壞。故TDS越高，液體的質(zhì)量不一定越不好，不一定不能飲用。生活中常見液體的TDS測定，使水質(zhì)筆實驗基于教材的實驗，進(jìn)行生活化測試的延伸，能很好地提高學(xué)生分析問題和解決生活中實際化學(xué)問題的能力。

水質(zhì)筆的TDS能很好地表示活性炭吸附前后液體，煮沸、蒸餾前后液體的質(zhì)量，另外，也能明顯地識別出煮沸和蒸餾兩種方法的凈水程度。水質(zhì)筆的使用表現(xiàn)出便捷、快速的同時，也能更好地培養(yǎng)學(xué)生的定量思維。定量分析不同水體凈化程度是初中化學(xué)教學(xué)的難點與盲點，如在相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)過程中采用單純的理論講解，化學(xué)課堂存在費(fèi)時、單調(diào)、效率低、效果差等問題，而手持式、數(shù)字化的實驗設(shè)計及測試能彌補(bǔ)上述缺陷。