摘 要:隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,中學(xué)組織了多方面的研究活動,但很多實驗數(shù)據(jù)的收集會顯得力不從心。而數(shù)字化傳感實驗的應(yīng)用能為研究性學(xué)習(xí)提供工具支持,使一些難以開展的實驗變得直觀、簡單。所以,數(shù)字化傳感實驗在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。文章以“空氣中氧氣含量的測定”為例,對數(shù)字化傳感實驗在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用進行了分析,以期為相關(guān)教育工作者提供參考。
關(guān)鍵詞:傳感器;氧氣含量;化學(xué)實驗教學(xué)
中圖分類號:G427 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:2095-9192(2022)17-0070-03
引 ?言
氧氣在空氣中的含量幾乎是恒定的,那么如何測定氧氣在空氣中的含量呢?物質(zhì)在氧氣中的燃燒真的會完全進行嗎?文章著重介紹在化學(xué)教學(xué)中利用新科技來測定空氣中氧氣的含量。
一、理論基礎(chǔ)
空氣是與人類息息相關(guān)的物質(zhì),而空氣成分的測定也吸引了眾多科學(xué)家進行不斷的探究。在傳統(tǒng)中學(xué)教學(xué)中,一般是利用燃燒法測定空氣中氧氣的含量,而這一方法無法準確測得與理論上相同的數(shù)據(jù)。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,目前中學(xué)測定空氣中氧氣含量的方法也在不斷改進[1]。
利用數(shù)字化傳感實驗就可以測定空氣中氧氣的含量。數(shù)字化傳感實驗?zāi)茏詣邮占疤幚頂?shù)據(jù),極大地方便了教師的日常教學(xué)。本文重點介紹“空氣中氧氣含量的測定”這一節(jié)課中的實驗過程可能引發(fā)的問題,分析了數(shù)字化傳感實驗在化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[2]。
經(jīng)過一段時間的學(xué)習(xí),學(xué)生已經(jīng)熟悉了化學(xué)實驗室的環(huán)境,掌握了實驗室安全規(guī)則,初步學(xué)會了常見化學(xué)實驗儀器的使用和藥品取用、酒精燈的使用等基本實驗技能,為“測定空氣中的氧氣含量”的實驗奠定了基礎(chǔ)。空氣中的氧氣含量約有21%,教師可以幫助學(xué)生鞏固這一常識,并自然地引入“空氣中氧氣含量的測定”這一重要知識點,為學(xué)生后續(xù)混合物中某一組分的測定奠定基礎(chǔ)。
二、教學(xué)過程
本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo):(1)能說出空氣的成分;(2)掌握空氣中氧氣含量測定的原理;(3)體會科學(xué)家的思想并學(xué)會科學(xué)探究的基本方法。雖然本課內(nèi)容較為簡單,但是涉及的內(nèi)容非常豐富。
知識維度:從定性、定量兩個角度認識空氣的組成。
技能維度:需要學(xué)生獨立操作,包括藥品的取用、酒精燈的使用等。
方法維度:形成測定混合物某一組分含量的思路;會對實驗數(shù)據(jù)進行基本的處理和分析。
筆者結(jié)合實際情況對本節(jié)課的教學(xué)過程可能出現(xiàn)的問題提出如下設(shè)定及建議。
引入:播放視頻,介紹空氣中氧氣含量恒定的重要性,引出空氣成分的發(fā)現(xiàn)史及拉瓦錫測定空氣中氧氣含量的實驗,體會科學(xué)家探索科學(xué)的艱辛及在探索科學(xué)過程中的嚴謹態(tài)度。
思考:如何根據(jù)氧氣的性質(zhì)來測定空氣中氧氣的含量?
回答:氧氣能支持燃燒。根據(jù)燃燒前后空氣含量的變化來測定氧氣的含量。
講述:相同條件(溫度、體積)下,氣體的含量之比等于氣體壓強比。因此,可以利用這一點來測定一個固體體積的容器內(nèi)可燃性物質(zhì)充分燃燒后壓強的變化,從而測得空氣中氧氣的含量。
原理:接通電路使電爐絲發(fā)熱,紅磷燃燒消耗具支錐形瓶內(nèi)的氧氣。氧氣被消耗引起具支錐形瓶內(nèi)壓強變化,所以可利用壓強傳感器測得燃燒前后壓強的變化,從而測得空氣中氧氣的含量。
實驗裝置和藥品:具支錐形瓶、接有電熱絲且具有接線柱的燃燒匙、壓強傳感器、溫度傳感器、自制改裝電源、紅磷。
實驗前準備:(1)橡膠塞打孔,安裝好溫度傳感器及帶有電爐絲的燃燒匙并固定密封好。(2)檢查好裝置氣密性。按照圖1裝好,微熱錐形瓶,右側(cè)導(dǎo)管有氣泡冒出后,撤去熱源,如果在導(dǎo)管口形成一段水柱且一段時間不變化,證明氣密性良好。(3)在具支錐形瓶的支管口裝好壓強傳感器,并把溫度傳感器、壓強傳感器分別與計算機相連接(如圖2)。
實驗關(guān)鍵:(1)紅磷充分燃燒,產(chǎn)物完全吸收;
(2)裝置的密閉性至關(guān)重要;(3)反應(yīng)前后測定壓強時應(yīng)注意溫度一致。
實驗過程:(1)在燃燒匙中裝入足量的紅磷,錐形瓶底部加入適量的水(促進產(chǎn)物五氧化二磷完全吸收);(2)塞緊橡膠塞,閉合電路的開關(guān),觀察實驗現(xiàn)象;(3)充分冷卻后,記錄計算機中顯示的壓強變化,處理數(shù)據(jù);(4)重復(fù)實驗3次,求出氧氣的平均含量。
現(xiàn)象及數(shù)據(jù):表1數(shù)據(jù)為實際實驗過程所測。
發(fā)現(xiàn)問題:空氣中氧氣的含量為17.5%,比預(yù)測值(21%)低。
原因分析:通過查資料得知,物質(zhì)都有一定的氧指數(shù)。氧指數(shù)簡稱OI,是在規(guī)定條件下,試樣在氧氣、氮氣的混合氣流中,維持可燃性物質(zhì)平穩(wěn)燃燒所需的最低氧氣濃度,以氧氣所占體積百分數(shù)表示。氧指數(shù)越小,越易燃燒;反之,氧指數(shù)越大,越難燃燒。故在保證裝置氣密性良好,且嚴格控制反應(yīng)前后溫度的情況下,測得的氧氣含量低于預(yù)估值。最可能的原因是紅磷雖然為可燃性物質(zhì),但是有可能在氧氣濃度低于一定值后無法繼續(xù)燃燒,導(dǎo)致測得的氧氣含量偏低。
根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知,氧氣濃度低于3.5%就無法燃燒。
解決方案:(1)提前準備好純凈的氮氣和氧氣,并按不同體積比混合;(2)按圖3組裝好實驗裝置,檢查氣密性;(3)裝好紅磷,打開1、2兩個止水夾,把混合氣體通入裝有紅磷的裝置一段時間;(4)閉合電路的開關(guān),觀察是否燃燒;(5)記錄數(shù)據(jù)(見表2),并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論。
三、實驗意義
本節(jié)課重點是通過數(shù)字化傳感實驗進行化學(xué)教學(xué),讓學(xué)生充分感受到科學(xué)家研究科學(xué)的嚴謹態(tài)度及付出的巨大努力;通過數(shù)字化傳感實驗教學(xué)來提高學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng),使其感受到科技發(fā)展在科學(xué)研究方面所起到的巨大作用。
數(shù)字化傳感實驗由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和配套軟件組成。教師可將其與計算機連接并采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù),這樣能夠彌補傳統(tǒng)實驗的缺陷,讓學(xué)生了解先進的科學(xué)技術(shù),培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)思維能力,提高學(xué)生的探究水平。但是使用數(shù)字化傳感實驗會弱化常規(guī)實驗的操作規(guī)范,影響學(xué)生對實驗現(xiàn)象的細致觀察,且能采用數(shù)字化傳感實驗的實驗不是很多,所以其在推廣方面也存在一定的局限性[3]。
目前來看,適合使用數(shù)字化傳感實驗的化學(xué)實驗主要有離子反應(yīng)、中和反應(yīng)、燃燒反應(yīng)等相關(guān)實驗。高考題目中有很多與圖像分析相關(guān)的題目,自變量和因變量也比較多,有濃度、溫度、催化劑、壓強、表面積、pH、轉(zhuǎn)化率、體積分數(shù)、反應(yīng)速率、導(dǎo)電率、離子濃度比值等。這類題目難度比較大,學(xué)生如果能在日常學(xué)習(xí)中學(xué)會處理數(shù)字化傳感實驗的相關(guān)數(shù)據(jù),對這些數(shù)據(jù)及圖像的處理也會掌握得更加透徹,解答過程也更加得心應(yīng)手。
結(jié) ?語
本文中,教師通過對教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題進行反思,積極思考并收集資料,帶領(lǐng)學(xué)生改進并制作實驗儀器,再通過傳感器等數(shù)字儀器進行實驗驗證,最后得出結(jié)論。每一步都環(huán)環(huán)相扣,緊密連接。學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中,其思維被一步步地引導(dǎo)到正確的方向上,為后面定性、定量實驗打下了基礎(chǔ)。教師在嘗試改進實驗的過程中,也得到了鍛煉與啟發(fā),有很大的收獲。在以后的教學(xué)中,教師也可以多嘗試進行一些教學(xué)上的改進,不斷與時俱進,同時穿插一些新科技的應(yīng)用。
[參考文獻]
梁金紅.數(shù)字化傳感實驗在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用策略:以初中化學(xué)測定空氣里氧氣的含量實驗為例[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2020(20):20-21.
洪茲田,陳女婷.建構(gòu)思維模型 創(chuàng)新實驗手段:一道“測定空氣中氧氣含量”實驗拓展題分析及引發(fā)的思考[J].中小學(xué)實驗與裝備,2020,30(02):58-61.
張香珠.例談初中化學(xué)實驗教學(xué)中的素養(yǎng)教育:以解讀“測定空氣中氧氣含量實驗”為例[J].考試周刊,2019(72):149-150.
作者簡介:朱麗萍(1983.1-),女,福建莆田人,
任教于福建省莆田第二中學(xué),一級教師,本科學(xué)歷,2021年獲“莆田市高中教育先進個人”稱號。