手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

李茂熾 但世輝

“手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”是依托由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和裝有配套軟件的電腦端組成的收集與處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的信息技術(shù)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的一種實(shí)驗(yàn)手段。該實(shí)驗(yàn)手段不但簡化了實(shí)驗(yàn)操作，而且能夠定量收集溫度、pH值、電導(dǎo)率、壓強(qiáng)、氧氣濃度等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并以圖表等可視化形式呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有利于學(xué)生探析微觀世界，認(rèn)知抽象概念，提高學(xué)習(xí)興趣和信息技術(shù)應(yīng)用能力。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟谀男┓矫娣?wù)于初中化學(xué)教學(xué)呢？

一、豐富驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的檢測手段

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)者在對研究對象有一定認(rèn)知的基礎(chǔ)上提出假設(shè)，并驗(yàn)證假設(shè)是否正確的實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)重在實(shí)驗(yàn)操作的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，而非實(shí)驗(yàn)探究的過程，適合依托數(shù)字化實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。

以次氯酸分解（HClO？2HCl+O2↑）實(shí)驗(yàn)為例。該實(shí)驗(yàn)需要驗(yàn)證是否有氧氣生成，若用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，學(xué)生要先收集生成的氣體，再用帶火星的木條能否在氣體中復(fù)燃來檢驗(yàn)氧氣是否存在。理論上學(xué)生會看到木條復(fù)燃，但實(shí)際操作中情況并不理想。由于次氯酸分解生成氧氣的速率很慢，大概需要5分鐘才能收集到足夠使木條復(fù)燃的氧氣，并且次氯酸分解的條件為光照，倘若遇上陰雨天則實(shí)驗(yàn)耗時(shí)更長，不利于課堂教學(xué)。這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法難以克服的問題。鑒于此，教師可以在教學(xué)中引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，將探測溶解氧的傳感器放入次氯酸溶液中，再連接上數(shù)據(jù)采集器和筆記本電腦（如圖1），借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可視化優(yōu)勢，讓學(xué)生在極短的時(shí)間內(nèi)通過電腦屏幕看到隨著次氯酸的分解，溶解氧含量逐漸增多的情況（如圖2）。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的過程不需要光照，用時(shí)較少，操作簡單，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直觀、清晰，學(xué)生很容易通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析出實(shí)驗(yàn)有氧氣生成，有利于達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

二、簡化探究性實(shí)驗(yàn)的研究過程

探究性實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)者在不知曉實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前提下，通過自主探究得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，進(jìn)而形成科學(xué)概念的一種認(rèn)知活動。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往按照“理論分析—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—完成實(shí)驗(yàn)并觀察現(xiàn)象—得出結(jié)論”的程序進(jìn)行。這種模式下，學(xué)生需要記錄和分析多個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，探究過程比較復(fù)雜煩瑣，而且，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析帶有“猜測”意味，歸納出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論往往具有片面性。以探究“鈉和水反應(yīng)時(shí)水面上形成的白色物質(zhì)”實(shí)驗(yàn)為例。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用濕潤的酚酞試紙檢驗(yàn)鈉和水反應(yīng)產(chǎn)生的白色煙霧，實(shí)驗(yàn)者可以清晰地觀察到試紙變紅，但此操作只能證明白色煙霧是一系列堿性物質(zhì)，它到底是Na2O、NaOH，還是Na2CO3，則無法準(zhǔn)確判定。教師如果引導(dǎo)學(xué)生借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)展開探究，用濕度傳感器和pH傳感器收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生就可以通過生成的圖像直觀地看到白色煙霧的濕度先上升后下降的變化趨勢（如圖3），以及白色煙霧的堿性先快速變強(qiáng)再略有下降的變化趨勢（如圖4）。

根據(jù)圖4第5～10秒所示圖像分析，濕度上升的原因是鈉和水反應(yīng)放熱，放出的熱量導(dǎo)致水蒸氣揮發(fā)。同時(shí)，分析圖3和圖4第12秒左右的圖像變化可知，放出的熱量使金屬鈉揮發(fā)，在空氣中和水蒸氣反應(yīng)生成氫氧化鈉，消耗了水蒸氣而使空氣中的濕度下降，并使白色煙霧中的氫氧化鈉溶液的濃度變大、堿性快速變強(qiáng)，而在第12秒之后，隨著白色煙霧散開，其濕度和堿性自然下降。由此，學(xué)生得出結(jié)論：鈉和水反應(yīng)生成的白色物質(zhì)是由水蒸氣及受熱后揮發(fā)出來的鈉原子和氧氣反應(yīng)生成的氫氧化鈉構(gòu)成的混合體系。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段使實(shí)驗(yàn)探究過程更簡潔，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有數(shù)據(jù)支持，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確性和可信度。

三、擴(kuò)展研究性學(xué)習(xí)的項(xiàng)目內(nèi)容

化學(xué)教學(xué)中，研究性學(xué)習(xí)指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，依據(jù)研究問題，分組獨(dú)立完成文獻(xiàn)查閱、方案設(shè)計(jì)、實(shí)際操作、數(shù)據(jù)處理、結(jié)論整理等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，從而掌握豐富的化學(xué)知識和科學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方法、體會到小組合作重要性的學(xué)習(xí)過程。中學(xué)生可以借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備攜帶方便、操作簡單、結(jié)論精準(zhǔn)等優(yōu)勢，高質(zhì)量地完成相關(guān)研究。

以“測定果蔬中維生素C含量”研究性學(xué)習(xí)為例。傳統(tǒng)的碘量法實(shí)驗(yàn)中，隨著碘單質(zhì)的加入，溶液中的維生素C還原碘單質(zhì)，溶液逐漸由無色變?yōu)樽仙ǖ鈫钨|(zhì)溶于水呈現(xiàn)紫色），變色時(shí)即為滴定終點(diǎn)，找到了滴定終點(diǎn)，就可以進(jìn)一步計(jì)算所測溶液中維生素C的含量。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段最大的阻礙在于溶液顏色的變化很難觀察，這意味著滴定終點(diǎn)很難把握，可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量不精準(zhǔn)。教師借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段，結(jié)合氧化還原電位滴定法展開實(shí)驗(yàn)，就可以解決上述問題。

在氧化還原滴定實(shí)驗(yàn)中，隨著氧化劑碘單質(zhì)的加入，溶液中的維生素C被氧化，溶液中氧化態(tài)物質(zhì)和還原態(tài)物質(zhì)的濃度逐漸變化，電位也會隨著變化，這樣就可以精準(zhǔn)記錄電位變化的數(shù)據(jù)，從而準(zhǔn)確判定滴定終點(diǎn)。教師可以引導(dǎo)學(xué)生用電勢電位傳感器記錄電位的變化，用滴數(shù)傳感器記錄標(biāo)準(zhǔn)碘溶液的消耗體積，進(jìn)而根據(jù)生成的“電勢電位—體積”圖像，計(jì)算所測溶液中維生素C的含量?；谝陨显恚處熆梢栽O(shè)計(jì)不同的研究問題，如比較幾種常見果蔬中維生素C含量的高低、研究外界條件對橙汁中維生素C含量的影響等，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)展開研究性學(xué)習(xí)，并將研究結(jié)果應(yīng)用于膳食指導(dǎo)。

由此可見，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，有助于提升學(xué)生探究的興趣，提高學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

（作者單位：李茂熾，襄陽市教育科學(xué)研究院；但世輝，襄陽市東風(fēng)中學(xué)）

［本文系湖北省教育科學(xué)規(guī)劃2021年度重點(diǎn)課題“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐策略研究”（課題編號：2021JA147）和中國教育裝備行業(yè)協(xié)會教育裝備研究院2022年度教育裝備科研課題“手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)在內(nèi)陸欠發(fā)達(dá)地區(qū)中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的實(shí)施策略研究”（課題編號：CEFR22031R26）的階段性成果］