手持技術(shù)在化學(xué)理論課堂的應(yīng)用研究

王璽

摘 要：隨著手持傳感技術(shù)的引入，在化學(xué)理論課上落實(shí)核心素養(yǎng)有了新的方法，通過(guò)不同手持傳感器的數(shù)據(jù)采集，讓化學(xué)理論課從傳統(tǒng)教學(xué)中得以改進(jìn)，從粗略到精細(xì)的探究過(guò)程，從無(wú)形到有形的感受過(guò)程，從知識(shí)告知到數(shù)據(jù)體會(huì)結(jié)論，整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究意識(shí)，宏微結(jié)合思想以及證據(jù)推理的能力，與傳統(tǒng)教學(xué)相比可以將微觀變化以圖像形式表達(dá)，突破理論課的難點(diǎn)，讓學(xué)生感受真實(shí)的化學(xué)變化，很好落實(shí)了核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：手持技術(shù);傳感器;化學(xué)理論課;核心素養(yǎng)

近年來(lái)，隨著《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出的包括“宏觀辨析與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任”等五個(gè)要素的高中化學(xué)核心素養(yǎng)（簡(jiǎn)稱“化學(xué)核心素養(yǎng)”），教師圍繞化學(xué)核心素養(yǎng)展開(kāi)教學(xué)和研究，如何在課堂教學(xué)中實(shí)現(xiàn)化學(xué)核心素養(yǎng)的落實(shí)成為實(shí)現(xiàn)課堂有效性的標(biāo)準(zhǔn)。在化學(xué)教學(xué)課堂中中學(xué)化學(xué)理論主要指化學(xué)知識(shí)中的基本概念理論的形成及理解和應(yīng)用化學(xué)概念是將化學(xué)現(xiàn)象、化學(xué)事實(shí)經(jīng)過(guò)比較、綜合、分析、歸納、類比等方法抽象出來(lái)的理性知識(shí)，它是已經(jīng)剝離了現(xiàn)象的一種更高級(jí)的思維形態(tài)，傳統(tǒng)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)無(wú)法反映其化學(xué)現(xiàn)象事實(shí)的本質(zhì)，在中學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程存在著一定的難度。而信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)基礎(chǔ)教育起到了重要的作用，為突破化學(xué)理論課的難點(diǎn)必定可以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。其中數(shù)字化手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)相結(jié)合的新型數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段（簡(jiǎn)稱手持技術(shù)），集數(shù)據(jù)采集分析于一體，具有便攜性、智能性、開(kāi)放性等特點(diǎn)，不同傳感器對(duì)數(shù)據(jù)的采集的直觀性和準(zhǔn)確性，結(jié)合實(shí)時(shí)繪圖功能，對(duì)學(xué)生理解抽象的理論知識(shí)和解釋圖像的能力提供了定量的實(shí)驗(yàn)支持，為化學(xué)理論課堂落實(shí)化學(xué)核心素提供了很大的幫助。

通過(guò)對(duì)手持技術(shù)在中學(xué)化學(xué)日常教學(xué)中的應(yīng)用，尤其是中學(xué)化學(xué)理論課中對(duì)化學(xué)核心素養(yǎng)的落實(shí)有一些應(yīng)用心得，筆者將根據(jù)幾種常見(jiàn)的不同傳感器在不同課例中的應(yīng)用來(lái)探討手持技術(shù)在化學(xué)理論課發(fā)揮的作用。實(shí)驗(yàn)用傳感器是朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集器V8.0及其傳感器。

一、從粗略到精細(xì)的探究過(guò)程：pH傳感器在實(shí)際課堂中的應(yīng)用

以理論課鹽類水解為例，傳統(tǒng)教學(xué)中以有色的氯化鐵溶液為實(shí)驗(yàn)溶液，采用改變濃度和溫度的條件來(lái)探究鹽類水解的本質(zhì)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是以觀察顏色變化和pH計(jì)來(lái)測(cè)量pH值的變化，來(lái)研究鹽類的水解，實(shí)驗(yàn)中只能定性的研究平衡的移動(dòng)，研究的結(jié)果存在著顏色變化不明顯，pH變化不夠精確，沒(méi)有體驗(yàn)平衡移動(dòng)的過(guò)程等實(shí)際問(wèn)題。此實(shí)驗(yàn)中引入手持技術(shù)中pH傳感器可以得到pH-時(shí)間關(guān)系曲線來(lái)觀察精確pH變化來(lái)感受平衡移動(dòng)過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)一：取20mL0.1mol/L氯化鐵溶液于燒杯中并不斷攪拌，加熱溶液，根據(jù)pH采集器得到pH-時(shí)間關(guān)系曲線圖1，形象描述受溫度影響時(shí)氫離子濃度變化，溫度升高氫離子濃度增大，水解被促進(jìn)，得到平衡正向移動(dòng)的結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)二：取20mL0.1mol/L氯化鐵溶液于燒杯中并不斷攪拌，向溶液中滴加數(shù)滴1mol/L氫氧化鈉溶液，根據(jù)pH采集器得到pH-時(shí)間關(guān)系曲線圖2，形象體現(xiàn)因初始加入鹽酸氫離子濃度瞬間減小pH增大，后平衡向正向移動(dòng)氫離子濃度增大pH減小，但pH大于初始pH。

實(shí)驗(yàn)三：取20mL0.1mol/L氯化鐵溶液于燒杯中并不斷攪拌，向溶液中滴加數(shù)滴1mol/L鹽酸溶液，根據(jù)pH采集器得到pH-時(shí)間關(guān)系曲線圖3，形象體現(xiàn)因初始加入鹽酸氫離子濃度瞬間增大pH減小，后平衡向逆向移動(dòng)氫離子濃度減小pH增大，但pH小于初始pH。

以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)可以清晰地感受到氫離子濃度變化后受平衡影響發(fā)生移動(dòng)的過(guò)程，對(duì)學(xué)生理解勒夏特列原理，鹽類水解的本質(zhì)有了直觀的了解。

手持技術(shù)的引入，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)現(xiàn)從宏觀辨識(shí)到微觀探析，從粗略的定性實(shí)驗(yàn)觀察到精確定量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來(lái)深入理解鹽類水解的實(shí)質(zhì)和影響因素，不僅突破了化學(xué)理論抽象的問(wèn)題，幫助學(xué)生宏微結(jié)合視角進(jìn)行分析，體驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)化學(xué)變化是有限度可調(diào)控的，使化學(xué)核心素養(yǎng)得到落實(shí)。

二、從無(wú)形到有形感受過(guò)程：電導(dǎo)率傳感器在實(shí)際課堂中的應(yīng)用

以理論課“強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)”為例，如何來(lái)判斷完全電離和部分電離的定義，以及溶液離子濃度的大小，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)利用同濃度溶液通電使電燈發(fā)光的強(qiáng)弱來(lái)判斷，存在亮度判斷以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備較復(fù)雜的情況。通過(guò)電導(dǎo)率傳感器對(duì)溶液導(dǎo)電能力的判斷，得到電導(dǎo)率-時(shí)間曲線可以很好的判斷溶液離子濃度的大小，更清晰地理解強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)的定義。

實(shí)驗(yàn)一：各取20mL0.2mol/L氨水和0.1mol/LBa（OH）2測(cè)定其電導(dǎo)率，得到電導(dǎo)率為1.1646mS/cm與16.432mS/cm定量的體現(xiàn)強(qiáng)弱電解質(zhì)的區(qū)別;

實(shí)驗(yàn)二：用0.1mol/L稀硫酸滴定20mL0.1mol/L氫氧化鋇溶液，邊滴定邊攪拌，觀察電導(dǎo)率的變化，得到電導(dǎo)率-時(shí)間曲線圖4，直觀地表現(xiàn)出離子濃度先減小后增大的趨勢(shì)，很好的解釋了Ba（OH）2+H2SO4==BaSO4↓+2H2O溶液中強(qiáng)電解質(zhì)溶質(zhì)變化從而出現(xiàn)離子濃度變化的趨勢(shì);

實(shí)驗(yàn)三：用0.2mol/L醋酸滴定20mL0.2mol/L氨水溶液，邊滴定邊攪拌，觀察電導(dǎo)率的變化，得到電導(dǎo)率-時(shí)間曲線圖5，可以實(shí)際看到實(shí)驗(yàn)過(guò)程表現(xiàn)出離子濃度先增大后略減小，很好解釋了NH3·H2O+CH3COOH==CH3COONH4+H2O從弱電解質(zhì)生成強(qiáng)電解質(zhì)離子濃度的變化趨勢(shì)，曲線圖4和曲線圖5兩幅圖的比較能夠加深強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)的區(qū)別，加深其理解和應(yīng)用。

手持技術(shù)的應(yīng)用對(duì)化學(xué)學(xué)科中無(wú)法以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)解釋的實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)，從實(shí)際數(shù)據(jù)為依據(jù)出發(fā)，推理出科學(xué)理論的正確性，落實(shí)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求學(xué)的態(tài)度。

三、從知識(shí)告知到數(shù)據(jù)體會(huì)結(jié)論：其他傳感器的應(yīng)用

（一）認(rèn)識(shí)原電池化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能中利用鹽橋可以使電流更穩(wěn)定，無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，往往簡(jiǎn)單告知其作用，無(wú)法切身體會(huì)到結(jié)論，而通過(guò)電流傳感器的實(shí)驗(yàn)采集，可以觀察到電流-時(shí)間曲線并且形象地體現(xiàn)出來(lái)。例如：Zn|稀硫酸|Cu原電池的電流-時(shí)間曲線圖6;Zn|ZnSO4‖CuSO4|Cu飽和氯化鉀+瓊脂做鹽橋原電池，得到電流-時(shí)間曲線圖7。直觀體現(xiàn)雙池鹽橋原電池電流的穩(wěn)定性。

（二）研究金屬電化學(xué)腐蝕中壓強(qiáng)傳感器、氧氣濃度傳感器在電化學(xué)腐蝕中的應(yīng)用，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中針對(duì)反應(yīng)過(guò)程中通過(guò)液面的變化來(lái)判斷壓強(qiáng)的變化，變化程度和實(shí)驗(yàn)誤差較大，過(guò)程不容易觀察，通過(guò)壓強(qiáng)傳感器和氧氣濃度傳感器的采集，得到壓強(qiáng)-時(shí)間曲線圖8和氧氣%-時(shí)間曲線圖9?？梢宰寣W(xué)生更直觀地認(rèn)識(shí)到電化學(xué)腐蝕過(guò)程中氧氣的作用，尤其是吸氧腐蝕的理解，不是停留在教師告知的階段，而是以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為依據(jù)。

相同傳感器的應(yīng)用案例就不一一列舉，其他類型的傳感器的應(yīng)用也需要慢慢積累，總之借助傳感器技術(shù)能實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，通過(guò)直觀地觀察變量，學(xué)生更容易理解實(shí)驗(yàn)的微觀原理及其本質(zhì)，如利用實(shí)時(shí)繪圖技術(shù)（傳感器技術(shù)）的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)，證實(shí)該教學(xué)方法比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果更好，學(xué)生解釋圖像的能力顯著提高。整個(gè)過(guò)程培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究意識(shí)，宏微結(jié)合思想以及證據(jù)推理的能力，與傳統(tǒng)教學(xué)相比可以將微觀變化以圖像形式表達(dá)，突破理論課的難點(diǎn)，讓學(xué)生感受真實(shí)的化學(xué)變化，很好落實(shí)了核心素養(yǎng)。

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