對化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中現(xiàn)代技術(shù)和傳統(tǒng)手段相融合的探索
——以滬教版九年級《化學(xué)》“化學(xué)研究些什么？”為例

對化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中現(xiàn)代技術(shù)和傳統(tǒng)手段相融合的探索
——以滬教版九年級《化學(xué)》“化學(xué)研究些什么？”為例

■吳良根

傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)主要以演示、驗(yàn)證、定性分析為主，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)（又稱手持技術(shù)、掌上實(shí)驗(yàn)等）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。使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)，可極大地彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段較難開展定量測定的缺陷。將現(xiàn)代數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)融入傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，發(fā)揮傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段與現(xiàn)代技術(shù)各自的優(yōu)勢，取長補(bǔ)短，相得益彰，可極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情與信心，提高化學(xué)課堂教學(xué)效果。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)簡述

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有傳感器（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（如圖1），是一種集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析于一體的智能化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。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。

圖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(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，我們可以對化學(xué)變化及現(xiàn)象進(jìn)行多角度的分析、研究。在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，由于其攜帶方便、測量精確、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)勢而深受師生的喜愛，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)教學(xué)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的融合

以滬教版九年級《化學(xué)》中“化學(xué)研究些什么？”教學(xué)片斷為例。

片斷1：探究蠟燭燃燒時(shí)火焰的溫度。

在生活中經(jīng)常會(huì)使用蠟燭，然而對于蠟燭燃燒時(shí)不同層次火焰的溫度，學(xué)生一般不會(huì)很清楚，教材是這樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的：

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

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：觀察到插入到火焰最中間部分的木條基本沒有變黑，外面的部分已經(jīng)燒焦（如圖3）。

圖2

圖3

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：焰心的溫度最低，外焰溫度最高。

不足之處：木條插入火焰中的部位不同或插入的時(shí)間沒有控制好，容易使木條都烤焦，特別是外焰與內(nèi)焰的烤焦程度很難分辨。

利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)苤苯訙y出蠟燭燃燒時(shí)不同層次火焰的溫度，實(shí)驗(yàn)操作簡便且結(jié)論更直觀、可信。

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，組合成一套測量高溫的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，測量蠟燭火焰不同部位的溫度。

師生合作：教師點(diǎn)擊軟件上“開始”按鈕，學(xué)生將3支高溫傳感器同時(shí)插入蠟燭火焰中的不同部位（如圖4），觀察現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：可觀察到火焰3個(gè)部位的傳感器反映出來的溫度都迅速升高（如圖5），等數(shù)據(jù)基本平穩(wěn)后讀數(shù)分別是：790℃、620℃、510℃左右。

圖4

圖5

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：蠟燭燃燒時(shí)火焰分為3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。

片斷2：探究蠟燭燃燒時(shí)物質(zhì)的變化。

蠟燭燃燒后究竟生成了什么物質(zhì)？傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)利用二氧化碳能使澄清石灰水變渾濁的原理檢測是否生成二氧化碳，利用觀察到水霧的產(chǎn)生檢測是否有水生成。

實(shí)驗(yàn)原理：在蠟燭火焰上方罩一干燥的燒杯，觀察燒杯壁上是否出現(xiàn)一層水霧（如圖6）；

圖6

然后迅速倒轉(zhuǎn)燒杯，并倒入少量澄清的石灰水，振蕩，觀察石灰水是否變渾濁。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：蠟燭燃燒時(shí)，觀察到上方罩著的燒杯壁上出現(xiàn)一層水霧；倒轉(zhuǎn)燒杯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。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：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。

不足之處：瓶壁上觀察到有水霧，不一定是水（常溫下呈液體的物質(zhì)不一定是水）；如果燒杯中沒有收集到足夠的二氧化碳，澄清的石灰水變渾濁的現(xiàn)象不明顯。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中有多種物質(zhì)的專用傳感器，如氧氣傳感器、二氧化碳傳感器等，這些傳感器不僅能較精準(zhǔn)地測得物質(zhì)，而且能以數(shù)字和曲線的形式直觀呈現(xiàn)出來這些物質(zhì)數(shù)量的變化。

實(shí)驗(yàn)原理：在圖7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。

圖7

師生合作：教師點(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，分析容器內(nèi)物質(zhì)的變化情況。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：蠟燭燃燒程度越來越弱，火焰也越來越小。蠟燭在燃燒過程中，觀察到氧氣的含量（體積分?jǐn)?shù)）在不斷地減少，而二氧化碳濃度（ppm）和相對濕度（%）在不斷地增加（如圖8）。

圖8

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：蠟燭在燃燒過程中，需要消耗氧氣，同時(shí)生成二氧化碳和水。

片斷3：探究空氣中氧氣的含量。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是通過可燃物在密封容器中燃燒時(shí)因消耗掉氧氣使容器內(nèi)壓力減小的原理來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測定空氣中氧氣的體積含量。

實(shí)驗(yàn)原理：紅磷燃燒需要消耗密閉集氣瓶內(nèi)空氣中的氧氣，且燃燒時(shí)生成的五氧化二磷是一種固體，待燃燒結(jié)束后恢復(fù)到室溫，打開止水夾，由于集氣瓶內(nèi)壓強(qiáng)會(huì)減小，水就會(huì)由導(dǎo)管吸入到集氣瓶中，吸入的水的體積約為空氣中氧氣的體積（如圖9）。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：紅磷在集氣瓶中燃燒，產(chǎn)生大量的白煙。燃燒結(jié)束后，等集氣瓶冷卻到室溫，打開止水夾，觀察到燒杯中的水被吸入到集氣瓶中，且吸入的水約占集氣瓶體積的1/5。

圖9

不足之處：實(shí)驗(yàn)中集氣瓶內(nèi)壓力變小是通過吸水這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來體現(xiàn)的，這對初學(xué)化學(xué)的學(xué)生來講，不是非常的直觀。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中有壓強(qiáng)傳感器，密封容器內(nèi)壓強(qiáng)的變化可以通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)清晰地呈現(xiàn)出來。

實(shí)驗(yàn)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，冷卻到室溫，再打開止水夾，觀察右邊燒杯中的水會(huì)被吸進(jìn)集氣瓶的體積及壓強(qiáng)變化曲線圖（如圖10）。

圖10

師生合作：教師點(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，壓強(qiáng)曲線也穩(wěn)定，打開止水夾，觀察現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：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，吸進(jìn)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，接下來呈明顯的下降趨勢，直至穩(wěn)定（如圖11）。

圖11

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：紅磷開始燃燒時(shí)，放出熱量，瓶內(nèi)氣體受熱膨脹，壓力反而會(huì)增大。但隨著燃燒的進(jìn)行，瓶內(nèi)氧氣消耗，且生成物為固體，等集氣瓶溫度恢復(fù)到室溫，瓶內(nèi)壓力明顯減小。打開止水夾，吸入集氣瓶中水的體積就約為空氣中氧氣的體積。

三、思考與體會(huì)

將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以方便快速地為學(xué)生提供精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和直觀圖像，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，提高科學(xué)探究的水平和能力，增強(qiáng)科技創(chuàng)新意識，全面提高科學(xué)素養(yǎng)。

1.原理更科學(xué)。

傳統(tǒng)化學(xué)教學(xué)主要以定性實(shí)驗(yàn)為主，較難與電腦、網(wǎng)絡(luò)相對接，無法進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，極大地限制了學(xué)生自主地、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)所需的創(chuàng)造力的提升。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過傳感器進(jìn)行測量，由專門的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行處理，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。

2.證據(jù)更精準(zhǔn)。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置測得的數(shù)據(jù)與圖像可以使學(xué)生獲得更精確的實(shí)驗(yàn)信息。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比較，可以極大地避免學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)可能出現(xiàn)的失誤，減少數(shù)據(jù)不真實(shí)情況的出現(xiàn)，避免很多不必要的誤差，有利于分析數(shù)據(jù)和獲得正確的結(jié)論。

3.結(jié)論更可信。

傳統(tǒng)方法進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，主要憑人的感官觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，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，進(jìn)而會(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)通過傳感器實(shí)時(shí)采集和記錄數(shù)據(jù)，相當(dāng)于用計(jì)算機(jī)代替人的眼、手以及紙和筆進(jìn)行觀察和記錄，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄的連續(xù)性與準(zhǔn)確性，獲得的結(jié)論更可信。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)過程的有機(jī)組成部分，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)也僅是實(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)有很多的優(yōu)點(diǎn)，但也有其局限性（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，教師要為解決教學(xué)過程中的難點(diǎn)和障礙而使用，要在深入理解和領(lǐng)會(huì)教學(xué)要求及學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的基礎(chǔ)上使用數(shù)字化技術(shù)。

（作者為江蘇省蘇州市吳江區(qū)笠澤實(shí)驗(yàn)初級中學(xué)黨支部書記，江蘇省中學(xué)化學(xué)特級教師）