傳統(tǒng)與現(xiàn)代的有機(jī)融合：化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新趨勢(shì)

吳良根

摘 要：由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)及專門的數(shù)據(jù)處理軟件組成的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。將傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)手段與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)相融合，能較好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，發(fā)揮現(xiàn)代科技的優(yōu)勢(shì)，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的潮流與方向。

關(guān)鍵詞：傳感器；數(shù)據(jù)采集器 ；計(jì)算機(jī)；數(shù)據(jù)處理軟件

傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)主要以演示、驗(yàn)證、定性為主，在培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動(dòng)手能力等方面發(fā)揮著不可替代的作用。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在當(dāng)前各行各業(yè)的定量研究中方興未艾，大有燎原之勢(shì)。使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可極大地彌補(bǔ)采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段較難開展定量測(cè)定的缺陷，將傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)手段與現(xiàn)代數(shù)字實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由傳感器（探頭）、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)（包括相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件）共同構(gòu)成，是一種集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析的智能化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，它使化學(xué)實(shí)驗(yàn)室裝備獲得了數(shù)字化接口，可以有力地支持信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面整合[1]。

多類型的信息傳感器、多通道的數(shù)據(jù)采集器、多樣化的自主操控平臺(tái)和強(qiáng)大的函數(shù)圖像功能是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主要的技術(shù)特征。借助這樣的技術(shù)支撐，我們可以對(duì)化學(xué)變化及現(xiàn)象進(jìn)行多角度的感知和多視角的分析、研究。在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，由于其攜帶方便、測(cè)量精確、數(shù)據(jù)處理方便、自動(dòng)生成表格和曲線、實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀等優(yōu)勢(shì)而深受師生的喜愛[2]，成為中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中備受關(guān)注的新熱點(diǎn)。

二、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的教學(xué)實(shí)例

化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在幫助學(xué)生形成化學(xué)概念、理解和鞏固化學(xué)知識(shí)、獲得熟練的化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能、培養(yǎng)科學(xué)探究能力等方面發(fā)揮著積極的作用。但也有一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象模糊，缺乏時(shí)代感和創(chuàng)造力，很難激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。適度地將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)引入初中化學(xué)教學(xué)，發(fā)揮現(xiàn)代科技的作用，能很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足。下面以滬教版九年級(jí)《化學(xué)》“§1-2 化學(xué)研究些什么？”教學(xué)片段為例展開敘述。

片段一： 探究蠟燭燃燒時(shí)火焰的溫度

師：點(diǎn)燃一支蠟燭。請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)觀察，描述一下燃燒的現(xiàn)象。

生：蠟燭能在空氣中燃燒，發(fā)出紅白色的火焰，產(chǎn)生熱量，有部分石蠟熔化，慢慢地，蠟燭越來越短。

師：描述得非常準(zhǔn)確。在點(diǎn)燃時(shí)我們可以看到明顯的發(fā)光放熱現(xiàn)象，而且還能觀察到燭淚流淌，遇冷凝固。請(qǐng)大家仔細(xì)觀察蠟燭燃燒的火焰。

生：火焰好像分了幾層。

師：觀察得很仔細(xì)。蠟燭在燃燒時(shí)，其火焰分為三層，即：外焰、內(nèi)焰和焰心。三層火焰的溫度是不同的，你們猜猜看，哪層火焰的溫度會(huì)最高，哪層火焰的溫度會(huì)最低？可能的原因是什么呢？

生：討論，回答。

師：剛才同學(xué)們都發(fā)表了自己的觀點(diǎn)。在化學(xué)科學(xué)中，要評(píng)判結(jié)論是否正確，最公正的法官是化學(xué)實(shí)驗(yàn)。讓我們一起通過實(shí)驗(yàn)來判斷結(jié)論的對(duì)與錯(cuò)吧。

實(shí)驗(yàn)原理：將一根木條插入燃燒蠟燭的火焰中（如圖1），1～2s后拿出來，觀察木條燒焦情況。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：將一根木條插入蠟燭燃燒的火焰中，1～2s后拿出來，觀察插入到火焰最里面的部分木條基本沒有變黑，外面的部分已經(jīng)燒焦了（如圖2）。

生：焰心的溫度最低，外焰溫度最高。

師：確實(shí)如此。由于蠟燭燃燒時(shí)需要空氣中的氧氣，外焰部分跟氧氣的接觸量多，所以燃燒得充分，溫度也最高。相反，焰心部分接觸到的氧氣少，燃燒不充分，火焰的溫度也最低。那么蠟燭火焰燃燒時(shí)的溫度大概有多少度呢？

生：討論，猜測(cè)。

師：要測(cè)量溫度，就要使用溫度計(jì)。但一般的溫度計(jì)的量程只有100°C左右，萬一溫度太高，溫度計(jì)可能炸裂，會(huì)發(fā)生事故，所以需要用到能測(cè)量高溫的儀器。

實(shí)驗(yàn)原理：將高溫傳感器與數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)（安裝相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件）相連接，組合成一套測(cè)量高溫的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備。測(cè)量蠟燭火焰不同部位的溫度。

師生合作：老師點(diǎn)擊軟件上“開始”按鈕，學(xué)生將三支高溫傳感器同時(shí)插入蠟燭火焰中的不同部位（如圖3），觀察現(xiàn)象。

生：可觀察到火焰三個(gè)部位傳感器反映出來的溫度曲線都迅速升高（如圖4），等數(shù)據(jù)基本平穩(wěn)后讀數(shù)分別是790℃、620℃、510℃左右。

師：蠟燭燃燒時(shí)火焰分為三層，其中外焰部分溫度最高，其次是內(nèi)焰，而焰心部分的溫度最低。

……

片段二： 探究蠟燭燃燒時(shí)物質(zhì)的變化

師：同學(xué)們知道蠟燭燃燒以后，固體石蠟會(huì)越來越少直至消失，那么其中的物質(zhì)發(fā)生變化了嗎？如果發(fā)生了變化，那你知道燃燒后生成的是什么物質(zhì)嗎？

生：討論、交流。燃燒后，物質(zhì)變化了，生成二氧化碳和水。

師：同學(xué)們?cè)谛W(xué)的自然課中都已經(jīng)學(xué)習(xí)過，二氧化碳?xì)怏w能夠使澄清的石灰水變渾濁。根據(jù)已有的知識(shí)，請(qǐng)同學(xué)們討論如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證蠟燭燃燒后生成了二氧化碳和水？

生：交流、討論。

實(shí)驗(yàn)原理：在一燃著的蠟燭火焰上方罩一干燥的集氣瓶，觀察瓶壁上是否出現(xiàn)一層水霧；然后用玻璃片蓋住集氣瓶口，把集氣瓶倒過來，并倒入少量澄清的石灰水，振蕩，觀察石灰水是否變渾濁（如圖5）。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：在燃著的蠟燭火焰的上方罩一干燥的集氣瓶，觀察到瓶壁上出現(xiàn)一層水霧；然后用玻璃片蓋住集氣瓶口，把集氣瓶倒過來，并倒入少量澄清的石灰水，振蕩，觀察到澄清的石灰水變渾濁。

師：上面的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明蠟燭在燃燒時(shí)生成了二氧化碳?xì)怏w和水。我們也可以設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步測(cè)定蠟燭在燃燒過程中的物質(zhì)變化。

實(shí)驗(yàn)原理：在如圖6所示的密閉容器（上蓋上開有三個(gè)小孔，分別插入氧氣、二氧化碳和相對(duì)濕度傳感器進(jìn)行密封）內(nèi)點(diǎn)燃蠟燭，密閉容器內(nèi)的物質(zhì)（主要指氧氣、二氧化碳和水）的變化可通過氧氣傳感器、二氧化碳傳感器和濕度傳感器以數(shù)字和曲線的形式顯示出來。

師生合作：老師點(diǎn)擊軟件上“開始”按鈕，學(xué)生點(diǎn)燃蠟燭，用密封罩罩住，觀察蠟燭的燃燒情況，同時(shí)觀察大屏幕上顯示的數(shù)據(jù)及曲線變化趨勢(shì)，分析容器內(nèi)物質(zhì)的變化情況。

生：蠟燭在燃燒過程中，氧氣的含量（體積分?jǐn)?shù)）在不斷地減少，而二氧化碳濃度（ppm）和相對(duì)濕度（%）在不斷地增加（如圖7），從中可以得出蠟燭在燃燒時(shí)，需要不斷地消耗氧氣，同時(shí)生成了二氧化碳和水。

師：化學(xué)上把沒有生成其他物質(zhì)的變化叫作物理變化；生成了其他物質(zhì)的變化叫作化學(xué)變化。像上述的固體蠟燭熔化為蠟油的過程就是物理變化；而蠟燭燃燒后生成了水和二氧化碳的過程就是化學(xué)變化。

請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)定義，舉一些生活中物理變化和化學(xué)變化的例子。

……

片段三：探究空氣中氧氣的含量

師：空氣是一種單一物質(zhì)嗎？如果不是，那么空氣主要是由哪些物質(zhì)組成的？你比較熟悉的物質(zhì)有哪些？

生：空氣不是一種單一物質(zhì)，我知道空氣中含有氧氣和二氧化碳?xì)怏w。

師：很好?？諝馐且环N非常復(fù)雜的物質(zhì)，含有多種物質(zhì)。在漫長(zhǎng)的人類發(fā)展過程中，空氣中每一種成分的發(fā)現(xiàn)都是非常不容易的?，F(xiàn)在我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來測(cè)定空氣中氧氣的含量。

提供資料：

（1）氧氣能支持燃燒，一般物質(zhì)的燃燒都需要氧氣，而空氣中的其他氣體不能燃燒，也不能支持燃燒。

（2）紅磷在空氣中燃燒時(shí)，生成的是一種叫五氧化二磷的固體。

實(shí)驗(yàn)原理：利用紅磷燃燒需要消耗密閉集氣瓶?jī)?nèi)空氣中的氧氣，燃燒時(shí)生成的五氧化二磷是一種固體，集氣瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)會(huì)減小的原理。用一集氣瓶及相配套的橡皮塞（橡皮塞上開三小孔，分別插入玻璃導(dǎo)管、燃燒匙和壓強(qiáng)傳感器），燃燒匙中放入足量的紅磷，將紅磷引燃后迅速插入到集氣瓶中，燃燒結(jié)束后等冷卻到室溫后再打開止水夾，觀察右邊燒杯中的水被吸入集氣瓶的體積及壓強(qiáng)變化曲線圖（如圖8）。

師生合作：老師點(diǎn)擊軟件上“開始”按鈕，學(xué)生將燃燒匙中的紅磷在酒精燈上引燃后，迅速插入集氣瓶中，并旋緊橡皮塞。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及大屏幕上顯示的壓強(qiáng)曲線圖；等到集氣瓶冷卻后，壓強(qiáng)曲線也穩(wěn)定后，打開止水夾，觀察現(xiàn)象。

生：紅磷燃燒時(shí)，產(chǎn)生大量的白煙，然后慢慢地熄滅，等瓶子溫度冷卻到常溫（壓強(qiáng)曲線穩(wěn)定）后，打開止水夾，燒杯內(nèi)的水被吸入集氣瓶中，進(jìn)入的水約占集氣瓶體積的1/5。同時(shí)還能觀察到壓強(qiáng)曲線在開始時(shí)有一短暫的上升趨勢(shì)，接下來呈明顯的下降趨勢(shì)，直至穩(wěn)定（如圖9）。

師：分析得很好，同學(xué)們已經(jīng)留意到，燃燒過程中壓強(qiáng)曲線一開始呈上升的趨勢(shì)，也即一開始瓶?jī)?nèi)的壓力不減反增，能解釋是什么原因嗎？

生：思考、討論。紅磷燃燒時(shí)，放出熱量，瓶?jī)?nèi)氣體受熱膨脹，壓力增大。

師：回答得很好。為了得到較準(zhǔn)確的氧氣含量，能否在紅磷燃燒一結(jié)束，就打開止水夾？

生：不能，應(yīng)等瓶?jī)?nèi)溫度冷卻到室溫時(shí)才可以打開。否則可能會(huì)使進(jìn)入的水不到1/5。

師：集氣瓶中吸入水的體積約占集氣瓶體積的1/5，這說明了什么？

生：說明紅磷在密封容器中燃燒后瓶?jī)?nèi)壓力最終減少，集氣瓶中氧氣的體積約占空氣體積的1/5。

……

三、思考與體會(huì)

將先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)手段應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)中，可以快捷、方便地為學(xué)生提供較為精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)中所包含的化學(xué)核心概念和原理，能使學(xué)生提高科學(xué)探究的能力，體會(huì)技術(shù)在科學(xué)研究和社會(huì)生活中的重要意義，增強(qiáng)科技創(chuàng)新意識(shí)，全面提高科學(xué)素養(yǎng)。

（一）原理更科學(xué)

傳統(tǒng)化學(xué)主要以定性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏自動(dòng)地采集、處理大量數(shù)據(jù)的功能，很難與多媒體電腦連接，也缺乏便攜式在室外測(cè)定功能。難以培養(yǎng)學(xué)生自主、定量地搜集和處理信息的能力以及進(jìn)行研究型學(xué)習(xí)的創(chuàng)造能力。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過傳感器進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器由專門的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行處理，可以定量測(cè)得各類不同的指標(biāo)數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、清晰，體現(xiàn)了定量化學(xué)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。

（二）證據(jù)更精準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式相比更加符合客觀規(guī)律。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備是由采集器、傳感器、實(shí)驗(yàn)附件以及相應(yīng)軟件組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以使學(xué)生更精確地采集數(shù)據(jù)，這在很大程度上避免了學(xué)生在采集數(shù)據(jù)時(shí)可能出現(xiàn)的失誤，減少了學(xué)生采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不可用的情況，同時(shí)也避免了很多不必要的誤差，有利于學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)分析以及結(jié)論的得出。利用探究實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)出來的數(shù)據(jù)和證據(jù)以數(shù)字、圖表為主，更客觀、真實(shí)地展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程[3]。

（三）結(jié)論更可信

用傳統(tǒng)方法進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象主要憑人的感官進(jìn)行觀察，在觀察過程中難免會(huì)有遺漏、片面或受到其他因素的干擾等，會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)象描述不準(zhǔn)確、不全面、主次不分甚至顛倒黑白等問題。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)通過與計(jì)算機(jī)連接的傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)，相當(dāng)于用傳感器和計(jì)算機(jī)代替人眼、手、紙和筆記錄數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間連續(xù)性與準(zhǔn)確性，獲得的結(jié)論更可信。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一部分，是傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的有力補(bǔ)充。雖然使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行化學(xué)教學(xué)有很大的優(yōu)點(diǎn)，但也有其局限（如費(fèi)錢、費(fèi)時(shí)等）。因此，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)恰到好處，要在深入理解和領(lǐng)會(huì)教學(xué)要求和學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的基礎(chǔ)上使用數(shù)字化技術(shù)，要為解決教學(xué)過程中的難點(diǎn)和障礙而使用。

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