吳良根

摘 要：由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機及專門的數(shù)據(jù)處理軟件組成的數(shù)字化實驗系統(tǒng)在化學實驗教學中有其獨到的優(yōu)勢。將傳統(tǒng)化學實驗手段與數(shù)字化實驗技術相融合，能較好地彌補傳統(tǒng)實驗的不足，發(fā)揮現(xiàn)代科技的優(yōu)勢，是化學實驗教學的潮流與方向。

關鍵詞：傳感器；數(shù)據(jù)采集器 ；計算機；數(shù)據(jù)處理軟件

傳統(tǒng)化學實驗主要以演示、驗證、定性為主，在培養(yǎng)學生的觀察能力、動手能力等方面發(fā)揮著不可替代的作用。而數(shù)字化實驗在當前各行各業(yè)的定量研究中方興未艾，大有燎原之勢。使用數(shù)字化實驗儀器開展化學實驗教學，可極大地彌補采用傳統(tǒng)實驗手段較難開展定量測定的缺陷，將傳統(tǒng)化學實驗手段與現(xiàn)代數(shù)字實驗相結(jié)合，是化學實驗教學的發(fā)展趨勢。

一、數(shù)字化實驗簡述

數(shù)字化實驗系統(tǒng)主要由傳感器（探頭）、數(shù)據(jù)采集器和計算機（包括相關數(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)分析的智能化實驗教學平臺，它使化學實驗室裝備獲得了數(shù)字化接口，可以有力地支持信息技術與化學實驗教學的全面整合[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和強大的函數(shù)圖像功能是數(shù)字化實驗主要的技術特征。借助這樣的技術支撐，我們可以對化學變化及現(xiàn)象進行多角度的感知和多視角的分析、研究。在中學化學教學中，由于其攜帶方便、測量精確、數(shù)據(jù)處理方便、自動生成表格和曲線、實驗結(jié)果直觀等優(yōu)勢而深受師生的喜愛[2]，成為中學化學實驗教學中備受關注的新熱點。

二、傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗教學整合的教學實例

化學是一門實驗科學，傳統(tǒng)實驗在幫助學生形成化學概念、理解和鞏固化學知識、獲得熟練的化學實驗技能、培養(yǎng)科學探究能力等方面發(fā)揮著積極的作用。但也有一些傳統(tǒng)實驗內(nèi)容陳舊，實驗現(xiàn)象模糊，缺乏時代感和創(chuàng)造力，很難激發(fā)學生學習的興趣。適度地將數(shù)字化實驗引入初中化學教學，發(fā)揮現(xiàn)代科技的作用，能很好地彌補傳統(tǒng)實驗的不足。下面以滬教版九年級《化學》“§1-2 化學研究些什么？”教學片段為例展開敘述。

片段一： 探究蠟燭燃燒時火焰的溫度

師：點燃一支蠟燭。請同學們仔細觀察，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：描述得非常準確。在點燃時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。請大家仔細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。蠟燭在燃燒時，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，哪層火焰的溫度會最高，哪層火焰的溫度會最低？可能的原因是什么呢？

生：討論，回答。

師：剛才同學們都發(fā)表了自己的觀點。在化學科學中，要評判結(jié)論是否正確，最公正的法官是化學實驗。讓我們一起通過實驗來判斷結(jié)論的對與錯吧。

實驗原理：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。

學生實驗：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：確實如此。由于蠟燭燃燒時需要空氣中的氧氣，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的溫度大概有多少度呢？

生：討論，猜測。

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

實驗原理：將高溫傳感器與數(shù)據(jù)采集器、計算機（安裝相關數(shù)據(jù)處理軟件）相連接，組合成一套測量高溫的數(shù)字化實驗設備。測量蠟燭火焰不同部位的溫度。

師生合作：老師點擊軟件上“開始”按鈕，學生將三支高溫傳感器同時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： 探究蠟燭燃燒時物質(zhì)的變化

師：同學們知道蠟燭燃燒以后，固體石蠟會越來越少直至消失，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：同學們在小學的自然課中都已經(jīng)學習過，二氧化碳氣體能夠使澄清的石灰水變渾濁。根據(jù)已有的知識，請同學們討論如何設計實驗驗證蠟燭燃燒后生成了二氧化碳和水？

生：交流、討論。

實驗原理：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）。

學生實驗：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：上面的實驗現(xiàn)象說明蠟燭在燃燒時生成了二氧化碳氣體和水。我們也可以設計數(shù)字化實驗進一步測定蠟燭在燃燒過程中的物質(zhì)變化。

實驗原理：在如圖6所示的密閉容器（上蓋上開有三個小孔，分別插入氧氣、二氧化碳和相對濕度傳感器進行密封）內(nèi)點燃蠟燭，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：老師點擊軟件上“開始”按鈕，學生點燃蠟燭，用密封罩罩住，觀察蠟燭的燃燒情況，同時觀察大屏幕上顯示的數(shù)據(jù)及曲線變化趨勢，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（體積分數(shù)）在不斷地減少，而二氧化碳濃度（ppm）和相對濕度（%）在不斷地增加（如圖7），從中可以得出蠟燭在燃燒時，需要不斷地消耗氧氣，同時生成了二氧化碳和水。

師：化學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變化。

請同學們根據(jù)定義，舉一些生活中物理變化和化學變化的例子。

……

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氣體。

師：很好。空氣是一種非常復雜的物質(zhì)，含有多種物質(zhì)。在漫長的人類發(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。現(xiàn)在我們設計實驗來測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，生成的是一種叫五氧化二磷的固體。

實驗原理：利用紅磷燃燒需要消耗密閉集氣瓶內(nèi)空氣中的氧氣，燃燒時生成的五氧化二磷是一種固體，集氣瓶內(nèi)壓強會減小的原理。用一集氣瓶及相配套的橡皮塞（橡皮塞上開三小孔，分別插入玻璃導管、燃燒匙和壓強傳感器），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變化曲線圖（如圖8）。

師生合作：老師點擊軟件上“開始”按鈕，學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。觀察實驗現(xiàn)象及大屏幕上顯示的壓強曲線圖；等到集氣瓶冷卻后，壓強曲線也穩(wěn)定后，打開止水夾，觀察現(xiàn)象。

生：紅磷燃燒時，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，進入的水約占集氣瓶體積的1/5。同時還能觀察到壓強曲線在開始時有一短暫的上升趨勢，接下來呈明顯的下降趨勢，直至穩(wěn)定（如圖9）。

師：分析得很好，同學們已經(jīng)留意到，燃燒過程中壓強曲線一開始呈上升的趨勢，也即一開始瓶內(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，放出熱量，瓶內(nèi)氣體受熱膨脹，壓力增大。

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

生：不能，應等瓶內(nèi)溫度冷卻到室溫時才可以打開。否則可能會使進入的水不到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內(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

將先進的數(shù)字化技術手段應用于化學實驗及其教學中，可以快捷、方便地為學生提供較為精確的實驗數(shù)據(jù)，幫助學生更好地理解實驗中所包含的化學核心概念和原理，能使學生提高科學探究的能力，體會技術在科學研究和社會生活中的重要意義，增強科技創(chuàng)新意識，全面提高科學素養(yǎng)。

（一）原理更科學

傳統(tǒng)化學主要以定性實驗為主，缺乏自動地采集、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定功能。難以培養(yǎng)學生自主、定量地搜集和處理信息的能力以及進行研究型學習的創(chuàng)造能力。數(shù)字化實驗系統(tǒng)通過傳感器進行檢測，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器由專門的數(shù)據(jù)分析軟件進行處理，可以定量測得各類不同的指標數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)準確、清晰，體現(xiàn)了定量化學實驗的科學性。

（二）證據(jù)更精準

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

（三）結(jié)論更可信

用傳統(tǒng)方法進行化學實驗時，實驗現(xiàn)象主要憑人的感官進行觀察，在觀察過程中難免會有遺漏、片面或受到其他因素的干擾等，會出現(xiàn)現(xiàn)象描述不準確、不全面、主次不分甚至顛倒黑白等問題。數(shù)字化實驗通過與計算機連接的傳感器實時采集數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)，相當于用傳感器和計算機代替人眼、手、紙和筆記錄數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄的時間連續(xù)性與準確性，獲得的結(jié)論更可信。

數(shù)字化實驗是實驗教學的一部分，是傳統(tǒng)化學實驗的有力補充。雖然使用數(shù)字化實驗進行化學教學有很大的優(yōu)點，但也有其局限（如費錢、費時等）。因此，數(shù)字化實驗技術的應用應恰到好處，要在深入理解和領會教學要求和學生認知規(guī)律的基礎上使用數(shù)字化技術，要為解決教學過程中的難點和障礙而使用。

參考文獻：

[1]白濤.基于手持技術的數(shù)字化實驗探索[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011：9-10.

[2]嚴西平.初中化學數(shù)字化實驗探索[J].化學教學，2013（12）：48-50.

[3]魏巍.數(shù)字化實驗室與中學化學實驗[J].化學教育，2006（11）：50-53.