數(shù)字化手持技術在高中化學教學中的應用

謝云龍

摘要：“手持技術數(shù)字化實驗”又稱“掌上技術”，由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和配套軟件組成，是通過定量采集數(shù)據(jù)與計算機連接的數(shù)字化化學實驗技術系統(tǒng)。與傳統(tǒng)實驗相比，手持技術數(shù)字化實驗具備便攜、實時、準確、綜合、直觀等特點。傳統(tǒng)實驗主要通過實驗現(xiàn)象定性分析得出結論，而手持技術數(shù)字化實驗主要通過采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)定量推理得出結論，有助于發(fā)展學生的定量思維以及證據(jù)推理能力。

關鍵詞：高中化學;手持技術;定量分析;實際教學應用

引言

化學是一門以實驗為基礎的學科，傳統(tǒng)實驗存在一定的弊端，大多能夠做到定性，定量的實驗較少，手持技術因其直觀、便捷、準確、實時特點，從2003年以來受到大量的關注，利用手持技術進行化學教學推動了中學化教學的改革。基于化學學科核心素下將手持技術應用到中學化學教學中，它不僅可以培養(yǎng)學生的化學學科核心養(yǎng)，而且可以利用手持技術的優(yōu)勢準確實時地得到實驗數(shù)據(jù)并將實驗數(shù)據(jù)科學處理，讓學生體驗科學探究的過程，提高學生科學研究的能力，將原理性知識進轉化。

一、手持技術的基本組成和基本原理

手持技術主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、軟件和計算機四個部分組成。傳感器：能把可識別的各種物理量轉化為可用輸出信號的裝置。傳感器是手持技術的核心部件?；瘜W實驗中常用的傳感器有：pH傳感器、電導率傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣傳感器、不銹鋼溫度傳感器、色度傳感器、滴數(shù)傳感器等。數(shù)據(jù)采集器：實驗過程中的物理信號轉變?yōu)閿?shù)字信號、模擬信號輸出，全程跟蹤實驗過程中的數(shù)據(jù)變化并以多種形式顯示實驗結果的裝置。軟件：用于控制數(shù)據(jù)采集的計算機程序。計算機：將數(shù)據(jù)采集器輸入的信號，通過應用軟件進行分析處理，并以多種形式實時顯示在計算機的屏幕上。手持技術的基本原理：通過傳感器對物理量進行識別，然后將物理量轉換成電信號，再通過數(shù)據(jù)采集器和配套軟件將這些電信號轉換成數(shù)字，并以數(shù)字圖組合的方式顯示在計算機屏幕上。

二、手持技術的有效使用

依據(jù)反應特點選擇傳感器，并不意味一定可以得到有效的證據(jù)。實驗者需要分析如何利用傳感器得到有效的數(shù)據(jù)。H2O2分解反應過程中放熱較多，據(jù)實驗測算，0.6%H2O2溶液（以MnO2為催化劑）20s時溫度可由24.5℃上升到48.6℃。若以此反應來探究濃度對化學反應速率的影響，由于同時有溫度與濃度的變化，得到的證據(jù)無法有效用于推理。探究濃度對化學反應速率影響時，選用氧氣傳感器比溫度傳感器得到的數(shù)據(jù)更具有說服力。Na2S2O3與H2SO4反應過程中有SO2生成，從理論上講可以使用SO2傳感器進行測定，但由于SO2具有溶解性，如照此實驗幾乎看不到有氣體冒出，也得不到有效數(shù)據(jù)。隨著反應的進行，H2SO4中c（H+）減小。理論上講可以用pH傳感器測量反應過程中c（H+）的變化，但因反應有SO2溶在水中，有H+電離出來，故c（H+）變化不唯一，得到的數(shù)據(jù)也不是有效的。選用色度計做實驗得到的結果更準確。

三、教學成果實施效果好、實施評價高

本教學成果培養(yǎng)了一大批適應基礎教育改革發(fā)展和教育信息化建設需要的高水平中小學信息技術化學教學的師資。手持技術能夠直觀地呈現(xiàn)出變量變化的趨勢，以定量的形式得到實驗數(shù)據(jù)，通過實驗數(shù)據(jù)得到曲線，從曲線來分析反應過程中變化的本質。以宏觀—觀—符號—曲線的方式來理解原理性知識，在過程中能夠間接地培養(yǎng)學生的化學科核心素養(yǎng)。例如，運用手持技術探究電離平衡的影響因素這節(jié)課中，加入酸銨可以看到醋酸的pH逐漸增大最后趨于不變，可以促進學生“變化觀念與平衡思想”的化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。通過對學生化學學科核心素養(yǎng)的前測和測發(fā)現(xiàn)，實驗班學生的化學學科核心素養(yǎng)水平明顯提高，說明手持技術能夠更地培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)。通過對弱電解質的電離、鹽類的水解、難溶解質的溶解平衡的測試卷分析，看出實驗班學生的成績明顯高于對照班，特別是中等或中等偏上題目的理上，實驗班與對照班的差距明顯，這說明使用手持技術能夠更好地理解水溶液的離子平衡的知識。對學生進行訪談，可以看出學生能夠接受手持技術，手持術激發(fā)了學生學習的興趣，課堂氣氛更好了，從教師為主體往學生為主體轉換，激發(fā)了學的學習積極性，從而學習成績有所提高。手持技術數(shù)字化化學實驗的教學價值獲得一線教師的普遍認可。不少一線教師能自主利用手持技術數(shù)字化化學實驗教學資源，引導學生開展基于手持技術數(shù)字化化學實驗的科學探究活動，并將其運用于課堂教學實踐中，與本團隊共同開發(fā)行之有效的創(chuàng)新教學案例。

結束語

應用手持技術進行教學對學生的成績和化學學科核心素養(yǎng)都有影響，手持技術與傳統(tǒng)實驗相比有更多的優(yōu)點，對于已經引進手持技術的學校，化學教們應該去學習它的原理，學習如何操作，并將其作為實驗教學的輔助工具，兩結合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，更好地教學。

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