視聽一體化溶液導(dǎo)電實驗裝置的設(shè)計

謝丹敏 李純剛

摘要：?針對現(xiàn)行教科書中“溶液的導(dǎo)電實驗”存在儀器組裝耗時長、電極清洗繁瑣、學(xué)生易混淆溶液的導(dǎo)電性等問題，在分析相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，利用信號燈、語音播放器、數(shù)顯電流表、電磁繼電器等設(shè)計了一套視聽一體化溶液導(dǎo)電實驗裝置，實驗操作簡單、現(xiàn)象明顯、趣味性強。該裝置還可用于其他溶液導(dǎo)電性的判斷實驗。

關(guān)鍵詞：?視聽一體化;?溶液導(dǎo)電性;?實驗裝置改進;?實驗探究

文章編號：?10056629（2021）07007504

中圖分類號：?G633.8

文獻標(biāo)識碼：?B

1?問題提出

化學(xué)實驗是進行科學(xué)探究的重要手段和方式，對于落實發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，具有其他教學(xué)內(nèi)容和形式所不能替代的作用[1]。“溶液的導(dǎo)電性實驗”從讓學(xué)生觀察溶液是否導(dǎo)電的現(xiàn)象到揭示溶液導(dǎo)電背后的原因，由宏觀現(xiàn)象辨識到微觀實質(zhì)的探析是幫助學(xué)生從具體形象思維過渡到抽象邏輯思維，

將感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識的重要實驗?，F(xiàn)行義務(wù)教育教科書[2]為了說明溶液的導(dǎo)電性，安排了這樣一個實驗裝置關(guān)串聯(lián)，實驗時將石墨電極分別插入裝有待測溶液的燒杯中，閉合開關(guān)，通過觀察小燈泡是否發(fā)光來判斷溶液是否具有導(dǎo)電性。

在進行課堂演示實驗時，我們發(fā)現(xiàn)該實驗存在以下不足：

（1）?儀器的組裝較復(fù)雜，耗時較長;

（2）?每做完一種溶液的導(dǎo)電性實驗都需用蒸餾水清洗電極，操作上較為繁瑣;

（3）?演示時學(xué)生往往僅關(guān)注燈泡是否發(fā)光，對溶液的導(dǎo)電性及其原因關(guān)注不夠。

2?文獻簡述

通過中國知網(wǎng)進行檢索，得到若干篇相關(guān)文獻。發(fā)現(xiàn)許多教師對該實驗做了創(chuàng)新設(shè)計，但仍存在一些問題沒有克服。陳挺芳[3]設(shè)計的實驗裝置，操作簡便，能夠同時測定溶液的導(dǎo)電性，但直接使用220V電源，實驗存在一定的安全隱患，且由于使用電源電壓過大，有時蒸餾水和蔗糖水在課堂上也會出現(xiàn)導(dǎo)電現(xiàn)象，造成教學(xué)的“尷尬”。王都留[4]設(shè)計的裝置，用音樂賀卡中的蜂鳴器替代燈泡發(fā)亮來說明溶液的導(dǎo)電性，增加了實驗的趣味性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但課堂熱鬧的背后還是有不少學(xué)生只顧聽音樂響聲，而忘了關(guān)注是哪種溶液導(dǎo)電。劉繼能[5]設(shè)計的裝置小巧輕便、方便攜帶、節(jié)能安全，但做完第1個實驗必須將電極清洗干凈后才可做第2個實驗，操作步驟較為繁瑣、耗時，另外電極浸在溶液中時間較長，二極管容易燒壞。

3?設(shè)計思路

根據(jù)溶液導(dǎo)電實驗的特點，本研究從實驗的簡約化、可視化、定量化、一體化出發(fā)，努力做到實驗具有科學(xué)性、探究性、趣味性和安全性。演示溶液的導(dǎo)電性實驗時，將不同溶液分別連入裝置接口，閉合相應(yīng)開關(guān)，觀察信號燈是否亮暗、語音播放器是否語音播報、數(shù)顯電流表是否顯數(shù)，通過聲、光、電一體化的形式演示溶液的導(dǎo)電情況;在知道溶液的導(dǎo)電本質(zhì)后，將未知導(dǎo)電性的溶液連入裝置接口，閉合相應(yīng)開關(guān)，裝置自動判斷溶液導(dǎo)電情況。自制視聽一體化溶液導(dǎo)電實驗裝置的精巧設(shè)計，最終實現(xiàn)了多種形式呈現(xiàn)溶液的導(dǎo)電情況、驗證其他溶液的導(dǎo)電性等，確保實驗者使用該裝置能很好地演示實驗內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生高階思維[6]。

4?設(shè)計方案

參照實驗設(shè)計理念，溶液導(dǎo)電性的演示可以分別將食鹽溶液、稀硫酸、氫氧化鈉溶液連入裝置接口，通過閉合相應(yīng)開關(guān)，信號燈亮、語音播放器發(fā)出相應(yīng)語音播報、數(shù)顯電流表顯示相應(yīng)數(shù)字;不能導(dǎo)電溶液的演示可分別把蒸餾水、蔗糖溶液連入裝置接口，通過閉合相應(yīng)開關(guān)，信號燈不亮、語音播放器不發(fā)出語音播報、數(shù)顯電流表顯示為0.00A;其他溶液的導(dǎo)電性判斷可將酒精溶液、碳酸鈉溶液連入裝置接口，通過閉合相應(yīng)開關(guān)，若溶液能導(dǎo)電，則信號燈亮、語音播放器發(fā)出“我能導(dǎo)電”的語音播報、電流表顯示數(shù)字;若溶液不能導(dǎo)電，則信號燈不亮、語音播放器發(fā)出“我不能導(dǎo)電”的語音播報、數(shù)顯電流表顯示為0.00A來實現(xiàn)。

5?實驗原理

如圖2所示，接通學(xué)生電源后，在溶液連入口連入對應(yīng)的溶液，如1、?3、?5溶液連入口分別是導(dǎo)電的食鹽溶液、稀硫酸、氫氧化鈉溶液，閉合雙聯(lián)開關(guān)（S1S′1），

圖2?視聽一體化溶液導(dǎo)電實驗裝置電路圖

S1接通繼電器電路，S′1接通語音播放器線路，繼電器K1中有電流通過，使得開關(guān)K11被吸合，引發(fā)信號燈和語音播放器進入工作狀態(tài)，信號燈亮，聲道1控制語音播放器語音播報，同時電流表有數(shù)字顯示。閉合雙聯(lián)開關(guān)（S3S′3）和（S5S′5），原理同（S1S′1），閉合雙聯(lián)開關(guān)（S2S′2）、?（S4S′4），由于溶液連入口連入的分別為不導(dǎo)電的蒸餾水和蔗糖溶液，繼電器中沒有電流，電路處于斷路狀態(tài)，所以信號燈不亮，語音播放器不進行語音播報，同時電流表示數(shù)為0.00?A。閉合雙聯(lián)開關(guān)（S6S′6），當(dāng)溶液連入口連入的為導(dǎo)電溶液時，通過繼電器K6引發(fā)信號燈和語音播放器進入工作狀態(tài)，信號燈亮，聲道4控制語音播放器進行語音播報，同時電流表有數(shù)字顯示。當(dāng)溶液連入口連入的為不導(dǎo)電溶液時，繼電器K6的常閉電路形成通路，聲道5控制語音播放器進行語音播報。

6?裝置設(shè)計

6.1?制作材料

JQ960多聲道語音播放器（參數(shù)：?DC12V供電，功率20W）1個、電磁繼電器（型號：?IEC255，參數(shù)：?DC12V供電）1個、CS5135直流數(shù)顯電流表（參數(shù)：?DC12V獨立供電）1個、AD1622DS信號燈（參數(shù)：?DC12V供電）1個、J1202型學(xué)生電源1個、雙聯(lián)開關(guān)6個、香蕉頭接線柱1對、香蕉插頭轉(zhuǎn)鱷魚夾線2根、導(dǎo)線若干、木板1塊

6.2?制作過程

（1）?用真人語音合成軟件分別合成5個音頻文件，內(nèi)容如下：?①“大家好，我是食鹽溶液，我能導(dǎo)電”;②“大家好，我是稀硫酸，我能導(dǎo)電”;③“大家好，我是氫氧化鈉溶液，我能導(dǎo)電”;④“我能導(dǎo)電”;⑤“我不能導(dǎo)電”。打開語音播放器后蓋，將模塊的MINI?USB連接電腦，打開“我的電腦”，雙擊“CD驅(qū)動器”，電腦會出現(xiàn)一個更新內(nèi)容的上位機軟件，選中“音頻加載”，單擊“瀏覽”分別依次選中音頻文件①～⑤，單擊“打開”，相應(yīng)音頻被添加到上位機軟件中，選中“更新下載”選項卡，單擊更新，當(dāng)出現(xiàn)“校驗成功”，則表示語音已經(jīng)下載到模塊的spi?flash里。此時接通語音播放器，第一線路（聲道1）語音播放為“大家好，我是食鹽溶液，我能導(dǎo)電”;第二線路（聲道2）語音播放為“大家好，我是稀硫酸，我能導(dǎo)電”;第三線路（聲道3）語音播放為“大家好，我是氫氧化鈉溶液，我能導(dǎo)電”;第四線路（聲道4）語音播放為“我能導(dǎo)電”;第五線路（聲道5）語音播放為“我不能導(dǎo)電”。

（2）?將木板按如圖3尺寸加工成木制實驗箱，并在面板上部適當(dāng)位置從左往右依次打1個直徑為2.5cm的圓孔，1個直徑為8.5cm的圓孔，1個4.8cm×2.8cm的方孔，在面板中部適當(dāng)位置從左往右依次打6個2.5cm×3.0cm的方孔，在面板下部中間位置打2個直徑為1.5cm的圓孔。

（3）?將信號燈、語音播放器、數(shù)顯電流表、雙聯(lián)開關(guān)、香蕉頭接線柱裝入對應(yīng)的孔內(nèi)，用導(dǎo)線按圖2電路圖將各個零部件相連接，組裝成視聽一體化的溶液導(dǎo)電實驗裝置（如圖4所示）。

7?實驗內(nèi)容

7.1?溶液導(dǎo)電性的演示

（1）?接通上述視聽一體化溶液導(dǎo)電實驗裝置的電源，將香蕉插頭插入接線柱，將鱷魚夾夾在裝有食鹽溶液燒杯的碳棒（在直徑為6cm的PVC硬質(zhì)塑料片上鉆兩個直徑為0.7cm的圓孔后，插入1號干電池的碳棒制成，下同）兩極上。打開開關(guān)K1，信號燈亮，語音播放器發(fā)出：“大家好，我是食鹽溶液，我能導(dǎo)電”的聲音，電流表顯示數(shù)為0.09A，說明食鹽溶液能導(dǎo)電。

（2）?關(guān)閉開關(guān)K1，將鱷魚夾夾在裝有蒸餾水燒杯的碳棒兩極上。打開開關(guān)K2，信號燈不亮，語音播放器不響，電流表示數(shù)為0.00?A，說明蒸餾水不能導(dǎo)電。

（3）?關(guān)閉開關(guān)K2，將鱷魚夾夾在裝有稀硫酸燒杯的碳棒兩極上。打開開關(guān)K3，信號燈亮，語音播放器發(fā)出：“大家好，我是稀硫酸，我能導(dǎo)電”的聲音，電流表顯示數(shù)為0.09A，說明稀硫酸能導(dǎo)電。

（4）?關(guān)閉開關(guān)K3，將鱷魚夾夾在裝有蔗糖水燒杯的碳棒兩極上。打開開關(guān)K4，信號燈不亮，語音播放器不響，電流表示數(shù)為0.00?A，說明蔗糖水不能導(dǎo)電。

（5）?關(guān)閉開關(guān)K4，將鱷魚夾夾在裝有氫氧化鈉溶液燒杯的碳棒兩極上。打開開關(guān)K5，信號燈亮，語音播放器發(fā)出：“大家好，我是氫氧化鈉溶液，我能導(dǎo)電”的聲音，電流表顯示數(shù)為0.08A，說明氫氧化鈉溶液能導(dǎo)電。

7.2?其他溶液的導(dǎo)電性判斷

（1）?關(guān)閉開關(guān)K5，將鱷魚夾夾在裝有碳酸鈉溶液燒杯的碳棒兩極上。打開開關(guān)K6，信號燈亮，語音播放器發(fā)出：“我能導(dǎo)電”的聲音，電流表示數(shù)為0.10A，說明碳酸鈉溶液能導(dǎo)電。

（2）?關(guān)閉開關(guān)K6，將鱷魚夾夾在裝有酒精溶液燒杯的碳棒兩極上。打開開關(guān)K6，信號燈不亮，語音播放器發(fā)出：“我不能導(dǎo)電”的聲音，電流表顯示數(shù)為0.00A，說明酒精溶液不能導(dǎo)電。

8?設(shè)計感想

8.1?開展實驗教學(xué)，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)

通過在課堂開展實驗教學(xué)，可以讓學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題，探求和解決問題，經(jīng)歷知識的形成過程，落實培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)[7]。利用本裝置開展實驗教學(xué)時，教師可以演示完蒸餾水、食鹽溶液、蔗糖溶液、稀硫酸、氫氧化鈉溶液的導(dǎo)電性實驗后，引導(dǎo)學(xué)生從微觀的角度分析各組物質(zhì)的微粒構(gòu)成，學(xué)生討論得出含有離子的物質(zhì)才能夠?qū)щ?，這時教師可將食鹽固體連入電路，打開開關(guān)K6，語音播放器發(fā)出：“我不能導(dǎo)電”的聲音，此時與學(xué)生形成認(rèn)知沖突。教師立即播放食鹽固體和食鹽溶液連入裝置微粒的變化情況的Flash動畫，學(xué)生觀察后發(fā)現(xiàn)，溶液中含有可以自由移動的離子才能導(dǎo)電。隨后教師展示碳酸鈉溶液和酒精溶液，引導(dǎo)學(xué)生分析這兩種溶液的微粒構(gòu)成，哪種溶液能夠?qū)щ?，哪種溶液不能導(dǎo)電。學(xué)生通過分析推測得出結(jié)論后，將上述兩種溶液分別連入裝置，打開開關(guān)K6，驗證溶液的導(dǎo)電性。

8.2?挖掘裝置功能，凸顯學(xué)科實驗價值

溶液導(dǎo)電性的演示和未知導(dǎo)電性溶液的導(dǎo)電性判斷僅僅是本裝置的兩個基本功能，利用該裝置還可以演示不同濃度溶液的導(dǎo)電情況，如分別將不同濃度的食鹽溶液連入裝置，打開開關(guān)K1，除了語音播放器發(fā)出：“大家好，我是食鹽溶液，我能導(dǎo)電”的聲音，還可以對比觀察信號燈亮暗程度和電流表顯示的示數(shù)變化;也可以演示中和反應(yīng)過程中離子數(shù)目的變化過程，如將氫氧化鋇溶液連入裝置，打開開關(guān)K6，向氫氧化鋇溶液中逐滴加入稀硫酸，邊加邊用玻璃棒攪拌，實驗過程中，將呈現(xiàn)從信號燈亮、語音播放器發(fā)出：“我能導(dǎo)電”的聲音以及電流表能顯數(shù);到信號燈逐漸變暗、語音播放器發(fā)出：“我不能導(dǎo)電”的聲音以及電流表顯數(shù)為0.00A;再到信號燈逐漸變亮、語音播放器發(fā)出：“我能導(dǎo)電”的聲音以及電流表顯數(shù)的再次出現(xiàn)。整個過程趣味盎然，凸現(xiàn)學(xué)科的實驗價值。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定.?普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].?北京：?人民教育出版社，?2018.

[2]中學(xué)化學(xué)國家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組.?義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級上冊）[M].?上海：?上海教育出版社，?2013：?63.

[3]陳挺芳.?電解質(zhì)溶液導(dǎo)電實驗器的制作與應(yīng)用[J].?浙江教育技術(shù)，?2010，?（2）：?48～49.

[4]王都留.?自制電解質(zhì)導(dǎo)電儀[J].?實驗教學(xué)與儀器，?2005，?（10）：?31.

[5]劉繼能.?溶液導(dǎo)電一體化實驗演示器[J].?化學(xué)教育（中英文），?2017，?38（15）：?46～48.

[6]吳孫富，?秦麗，?張圣濤.?例談深度學(xué)習(xí)與深度教學(xué)的關(guān)系[J].?化學(xué)教學(xué)，?2016，?（5）：?22～26.

[7]黃恭福，?鄒海龍.?學(xué)科核心素養(yǎng)視域下的中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)研究綜述[J].?化學(xué)教學(xué)，?2020，?（2）：?26.