初中化學(xué)課堂數(shù)字化手持技術(shù)的應(yīng)用
——以“酸堿中和反應(yīng)”為例

哈爾濱市第三十六中學(xué) 鄒麗丹

化學(xué)實(shí)驗(yàn)中原有的定性實(shí)驗(yàn)，不再能滿足學(xué)生的探知需求，為了增質(zhì)提效，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是探究物質(zhì)及物質(zhì)間反應(yīng)情況或程度的一種工具，將反應(yīng)過程中的抽象或微觀的現(xiàn)象以直觀的數(shù)據(jù)或曲線等形式呈現(xiàn)，作為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工具，可以創(chuàng)造出高效的學(xué)習(xí)環(huán)境，便于學(xué)生第一時(shí)間理解和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，掌握實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)原理， 這對(duì)于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著至關(guān)重要的作用。

一、數(shù)字化手持技術(shù)的應(yīng)用背景

如今，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，科技能力不斷加強(qiáng)，我們的教學(xué)工作面臨著新的挑戰(zhàn)，尤其是在每章節(jié)的重難點(diǎn)突破方式上，需要滿足更高的學(xué)業(yè)質(zhì)量要求。 化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的分析，學(xué)生可以走進(jìn)物質(zhì)世界、揭示物質(zhì)奧秘。但不是所有的實(shí)驗(yàn)都有明顯的現(xiàn)象，也不是所有的實(shí)驗(yàn)都能通過物理性觀察得出結(jié)論。 為了避免出現(xiàn)學(xué)生機(jī)械性記憶的情況，讓學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)原理，真正學(xué)習(xí)到實(shí)驗(yàn)基本技能，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須開發(fā)新思路， 利用技術(shù)手段將化學(xué)實(shí)驗(yàn)由繁入簡(jiǎn)、由隱入顯，肩負(fù)起提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的使命。

“手持技術(shù)”也被稱為掌上實(shí)驗(yàn)室，是由微電子技術(shù)和電腦兩者結(jié)合的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)， 手持技術(shù)儀器一般包括：電腦、傳感器、數(shù)據(jù)采集器還有相應(yīng)的軟件。手持技術(shù)能一同完成數(shù)據(jù)的采集和分析，以曲線的形式呈現(xiàn)在電腦上，具有直觀性、實(shí)時(shí)性、定量性等特點(diǎn)。 將手持技術(shù)應(yīng)用到初中的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和探究性學(xué)習(xí)中，能有效地轉(zhuǎn)變學(xué)生已往的抽象實(shí)驗(yàn)、預(yù)設(shè)性實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)方式，能簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)的分析過程，利用直觀且客觀的數(shù)據(jù)及曲線等信息，更便于得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，形成化學(xué)觀念，有針對(duì)性地解決實(shí)際問題上， 數(shù)字化手持技術(shù)的實(shí)驗(yàn)探究，體現(xiàn)出了當(dāng)下基礎(chǔ)教育改革的理念和思想。

二、數(shù)字化手持技術(shù)的應(yīng)用策略

以統(tǒng)編版化學(xué)教材（五四制）九年級(jí)第三單元課題2“酸與堿的中和反應(yīng)”的教學(xué)過程為例，在盛裝5 mLNaOH 溶液的小燒杯中滴入無色酚酞溶液，燒杯中的溶液由無色變?yōu)榧t色，說明溶液是堿性的，再向此紅色溶液中逐滴加入稀鹽酸，邊加邊攪拌，至溶液由紅色變?yōu)闊o色為止，說明溶液此時(shí)已不顯堿性。 學(xué)生通過觀察到溶液顏色的改變，推理判斷溶液中的NaOH 已經(jīng)被消耗，從而證明NaOH 與稀鹽酸發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。 通過反應(yīng)物被耗盡，得到兩種物質(zhì)間反應(yīng)的發(fā)生， 學(xué)生通過定性和推理的方式得出結(jié)論，并沒有直觀獲取物質(zhì)減少的過程和被消耗的相關(guān)數(shù)據(jù)。此實(shí)驗(yàn)的弊端是在NaOH 被部分消耗的時(shí)候，無法證明反應(yīng)物在減少，即教材上的實(shí)驗(yàn)只能定性得到結(jié)果，實(shí)現(xiàn)不了一部分反應(yīng)物參加反應(yīng)的定量情況。

但如果利用數(shù)字化手持技術(shù)輔助教材實(shí)驗(yàn)， 由原始的定性變成定性和定量相結(jié)合， 由原始的宏觀現(xiàn)象變成通過微觀反應(yīng)來解釋宏觀現(xiàn)象， 由抽象的實(shí)驗(yàn)變成直觀的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，采用宏微結(jié)合的思想，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的理解更加充分。本實(shí)驗(yàn)可以采用數(shù)字化手持技術(shù)，從體驗(yàn)pH 變化、 溫度變化和電導(dǎo)率變化的過程， 多角度呈現(xiàn)NaOH 與稀鹽酸發(fā)生中和反應(yīng)的現(xiàn)象。通過數(shù)字化手持技術(shù)獲得的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，有助于分析酸堿中和反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，進(jìn)而形成認(rèn)識(shí)復(fù)分解反應(yīng)的微觀視角。 中和反應(yīng)中pH、溫度、電導(dǎo)率等變化的數(shù)值曲線實(shí)證，體現(xiàn)出化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析的一般過程， 初步形成研究無明顯現(xiàn)象反應(yīng)的思維模型。

（一）利用pH 傳感器完成NaOH 溶液與稀鹽酸的實(shí)驗(yàn)探究（見表1）

表1 pH 變化分析表

此實(shí)驗(yàn)中pH 的變化特別明顯（見圖1），曲線變化較大，能夠直接看到pH 由大于7 到接近7，在持續(xù)加入鹽酸的過程中，pH 最終小于7，能觀察到OH-逐漸減少至消失的過程。

圖1 pH 變化曲線圖

（二）利用溫度傳感器完成NaOH 溶液與稀鹽酸的實(shí)驗(yàn)探究（見表2）

表2 溫度變化分析

由于溫度傳感器靈敏度高， 因此得出的曲線為鋸齒狀（見圖2），在這里引導(dǎo)學(xué)生對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用曲線來大致描繪溫度的變化趨勢(shì)，即可得到清晰的曲線圖。 引導(dǎo)學(xué)生分析圖中的相關(guān)信息，總結(jié)得出中和反應(yīng)為放熱反應(yīng)的特點(diǎn)。

圖2 溫度變化曲線圖

但問題出現(xiàn)了，熱量來源于哪些微粒的結(jié)合？

通過完成該化學(xué)反應(yīng)的方程式，可以發(fā)現(xiàn)，熱量要么來源于氫離子和氫氧根離子結(jié)合，要么來源于氯離子和鈉離子結(jié)合。 這樣一來教師可以設(shè)計(jì)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)的方案（硝酸鈉和氯化鉀的混合），同時(shí)也體現(xiàn)出控制變量的思想，混合過程中溫度無明顯變化， 通過兩組溫度變化圖進(jìn)行對(duì)比，可以看出中和反應(yīng)放出的熱量來源于H+和OH-離子的結(jié)合，進(jìn)而也證明了NaOH 與鹽酸發(fā)生了反應(yīng)。

（三）利用電導(dǎo)率傳感器完成NaOH 溶液與稀鹽酸的實(shí)驗(yàn)探究（見表3）

可以看出，在常溫、常壓下，溶液中涉及到的離子只有Na+、Cl-、H+或OH-，與溫度測(cè)量一樣，體現(xiàn)控制變量的思想，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程中，同樣增加對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)定鹽酸加氯化鈉、鹽酸加氫氧化鈉的電導(dǎo)率圖進(jìn)行對(duì)比，可以很明顯的發(fā)現(xiàn)兩幅圖的區(qū)別在于中和反應(yīng)的電導(dǎo)率是有回升（見圖3），能得到中和反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，進(jìn)而證明了NaOH 與鹽酸發(fā)生了反應(yīng)。

圖3 電導(dǎo)率變化曲線圖

表3 電導(dǎo)率變化分析表

實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分 析實(shí)驗(yàn)結(jié)論電導(dǎo)率傳感器電導(dǎo)率曲線先逐漸下降，再逐漸上升。未滴入鹽酸時(shí)，NaOH溶液中大量存在Na+和OH-， 溶液導(dǎo)電性較強(qiáng)， 隨著鹽酸與NaOH 發(fā)生反應(yīng)，溶液中H+與OH- 反應(yīng)生成導(dǎo)電性弱的水，溶液導(dǎo)電性減弱，當(dāng)減弱到最低點(diǎn)時(shí)，說明兩者恰好完全反應(yīng)，曲線接著升高， 說明鹽酸過量，大量存在H+ 和Cl-，溶液導(dǎo)電性增強(qiáng)。NaOH 溶液與鹽酸發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)

結(jié)合三個(gè)實(shí)驗(yàn)，從不同的角度和量的變化，展示給學(xué)生最直觀的數(shù)據(jù)現(xiàn)象， 得出酸堿中和反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是H+和OH-結(jié)合生成水分子，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出研究無明顯現(xiàn)象反應(yīng)的一般方法：反應(yīng)物被消耗或耗盡。 應(yīng)用了數(shù)字化手持技術(shù)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，把不同的物理量以變化曲線的形式展示出來，讓學(xué)生從多角度看到了NaOH 與鹽酸反應(yīng)的現(xiàn)象， 學(xué)生更直觀地看到反應(yīng)中物質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)的變化過程，從而更深刻地理解了中和反應(yīng)[2]。在定性的基礎(chǔ)上，在結(jié)合定量的分析得出反應(yīng)能夠發(fā)生的結(jié)論。

三、結(jié)論與反思

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》中明確提出，輔助學(xué)生能用嚴(yán)謹(jǐn)性強(qiáng)、科學(xué)性強(qiáng)的語言和必要有效的信息技術(shù)手段合理描述并整理出探究的過程和結(jié)果，并能從多視角對(duì)常見的化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全面地探討和分析。 可見，數(shù)字化的手持技術(shù)作為提升課堂教學(xué)質(zhì)量的有力手段，可以為化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)提質(zhì)增效。

用數(shù)字化手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)來理解物質(zhì)間的變化，能夠幫助學(xué)生建立研究無明顯現(xiàn)象反應(yīng)的思維模型，將復(fù)雜實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，讓學(xué)生基于數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行證據(jù)推理、實(shí)驗(yàn)結(jié)論處理和分析。 可以說，數(shù)字化手持技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂中發(fā)揮的作用就是賦予了學(xué)生一雙可以透視物質(zhì)間反應(yīng)的“眼睛”，讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂變得簡(jiǎn)單而有效[3]。