數(shù)字傳感器在初中化學實驗教學中的應用
——以“物質在水中的分散（二）”一課為例

江蘇常熟市周行中學（215500）張圣杰

一、教學思路

“物質在水中的分散（二）”是滬教版九年級化學第六章第一節(jié)的內容，本節(jié)課的內容分為兩部分，即物質溶解時的能量變化和水溶液的某些性質。教學中，教師設計3 個“活動與探究”活動幫助學生認識物質溶解過程中的能量變化以及水溶液的某些性質，同時結合生活場景引導學生交流討論，并結合一些拓展訓練幫助學生掌握這節(jié)課的主要內容。物質在水中的分散是比較常見的生活現(xiàn)象，學生對此已有初步的了解。同時，學生已具備初步的觀察、描述實驗現(xiàn)象的能力和一定的邏輯思維能力。在具體的實驗教學中，如何有效發(fā)揮數(shù)字傳感器的作用，幫助學生更好地理解變化的本質，實現(xiàn)定性與定量的結合呢？本文主要以三個“活動與探究”活動展開詳細論述。

二、主要教學活動

【活動與探究1】實驗探究硝酸銨、氯化鈉和氫氧化鈉在溶于水的過程中的能量變化。

有些物質在溶于水的過程中會釋放出熱量，然而能量變化不易觀察，所以學生僅憑直觀觀察與感知是很難直接體會得到的。為了探究硝酸銨、氯化鈉和氫氧化鈉在溶于水的過程中的能量變化，教師讓學生4 人一組進行分組實驗。每個小組均提供燒杯（3 個）、溫度傳感器、水（30 mL）、玻璃棒、藥匙、硝酸銨、氯化鈉和氫氧化鈉。各小組利用實驗器材展開實驗，記錄硝酸銨、氯化鈉和氫氧化鈉在溶于水的過程中的能量變化，最后展示實驗結果。

教學設想：通過小組合作共同設計實驗，提高學生的團隊合作能力，培養(yǎng)學生實踐操作的能力；通過實驗結果展示培養(yǎng)學生整理、分析與總結的能力。

結果展示：從實驗數(shù)據(jù)記錄中選擇學生趨于一致的實驗結果進行展示（如表1）。

表1 實驗結果展示

整理歸納：不同的物質在水中溶解時，通常會產生不同的能量變化，表現(xiàn)形式有向外放熱或者吸熱。物質特性不同，溶于水時的溫度變化也不盡相同。有些物質在水中溶解會放熱使溶液溫度升高，如氫氧化鈉、濃硫酸、氧化鈣等；有些物質在水中溶解會吸熱使溶液溫度降低，如硝酸銨；有些物質在水中溶解時溫度基本不變，如氯化鈉。這樣進行整理歸納，可加深學生對所學知識的理解。

【活動與探究2】探究水溶液的導電性。

1.1.1 供試小麥品系 供試材料為早熟冬小麥品系冬育5號(寧夏農林科學院農作物研究所育成)。冬育5號經(jīng)過多年生產試驗，表現(xiàn)良好，是目前寧夏引黃灌區(qū)表現(xiàn)早熟、穩(wěn)產的冬小麥新品系，是近年來寧夏引黃灌區(qū)“一年兩熟”制的主栽冬小麥品系。

水溶液的導電性很難用肉眼觀察。為了探究水溶液是否具有導電性，教師可以指導學生了解教材中的溶液導電性實驗裝置并加以改進。給各小組提供5 個燒杯，在燒杯中分別加入一定量的水、食鹽溶液、蔗糖溶液、稀硫酸溶液和氫氧化鈉溶液。學生用電導率傳感器分別進行測定并記錄數(shù)據(jù)，小組匯報實驗結果。

教學設想：通過實踐操作，讓學生深刻理解和牢固掌握教材中的知識，并提高實踐操作能力。應用數(shù)字傳感器，直觀準確地呈現(xiàn)水溶液的導電性，減小傳統(tǒng)實驗中存在的誤差。

結果展示：各小組派代表介紹實驗結果并展示傳感器的測定圖像（如圖1）。

圖1

通過測定，發(fā)現(xiàn)上述5 種溶液中能導電的是食鹽溶液、稀硫酸溶液和氫氧化鈉溶液，不能導電的是水和蔗糖溶液。

整理歸納：物質溶于水發(fā)生電離使溶液具有導電性，溶液導電能力與電解質種類、離子濃度以及電荷數(shù)等都有關。因此，不同種類的電解質溶于水，盡管其他條件相同，所形成的溶液導電能力也會有所區(qū)別。首先，溶液的導電能力與電解質的強弱有關，強電解質在水中完全電離，而弱電解質只是部分電離，在其他條件相同時，強電解質的導電能力強于弱電解質的導電能力。其次，溶液的導電能力與電荷數(shù)有關，在其他條件相同時，帶電荷數(shù)多的粒子溶液導電能力強于帶電荷數(shù)少的粒子溶液。再次，溶液的導電能力與溶液中的離子濃度有關，在其他條件相同時，離子濃度越大的溶液其導電能力越強。另外，溶液的導電能力還與溶液的溫度有關，通常情況下，溫度高的溶液導電性更好。在本節(jié)課的實驗中，我們認識到某些物質在水中溶解時能生成自由移動的離子，所以這些物質的水溶液能導電。如食鹽溶于水生成大量自由移動的Na+和Cl-，稀硫酸溶液中含有大量自由移動的H+和，所以食鹽溶液和稀硫酸溶液能夠導電；而蔗糖溶于水后，以分子的形式存在于水中，不能形成自由移動的離子，且水的導電性非常弱，因此蔗糖水溶液不能導電。通過這種形象直觀的方式解釋有些水溶液能導電而有些水溶液不能導電的原因，可讓學生加深對水溶液導電性的理解。此外，還可進一步拓展到金屬能導電的原因，讓學生學會舉一反三。

【活動與探究3】探究水溶液的凝固點。

在標準氣壓下，純水的凝固點是0 ℃，沸點是100 ℃，那么當蔗糖、食鹽在水中溶解時其凝固點如何變化呢？純水、蔗糖溶液和食鹽溶液在低溫凝固時會在容器外壁產生冰霜，由于外部條件不易控制極易對實驗結果產生影響，而僅利用演示實驗的方式又不利于全體學生觀察理解。因此，為了讓學生直觀感受不同水溶液的凝固點，教師在探究水溶液凝固點的實驗中引入了溫度傳感器。溫度傳感器可將實驗過程中溫度的探測情況實時顯示于屏幕上，便于學生感知水溶液凝固時的溫度變化，這樣可避免冰霜現(xiàn)象或其他人為因素對實驗結果造成影響。為了讓學生對水溶液的凝固點有深刻的理解，教師給每個小組各提供1個燒杯、3支試管、3種溶液以及1 臺溫度傳感器，由小組各自設計實驗，分組觀察并分別記錄溫度傳感器中數(shù)值的變化，匯總實驗結果并派代表對實驗結果進行展示。

教學設想：引導學生測定純水、蔗糖溶液和食鹽溶液凝固時的溫度，并應用溫度傳感器直觀準確地呈現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)，減小傳統(tǒng)實驗中存在的誤差。

結果展示：各小組派代表介紹實驗結果（如表2）并展示傳感器的測定圖像（如圖2）。

表2 實驗結果

圖2

通過實驗操作，學生得出了純水的凝固點是0 ℃，蔗糖溶液的凝固點是-2.6 ℃，食鹽溶液的凝固點是-2.5 ℃。

整理歸納：少量固體物質溶于水，使稀溶液的凝固溫度降低；通過研究發(fā)現(xiàn)沸騰溫度會升高。

緊接著，教師結合生活場景引導學生交流討論，并結合一些拓展訓練幫助學生進一步掌握水溶液的相關性質。

三、建議與思考

初中化學知識理論性較強，學生僅憑借直觀想象是很難理解的。在實驗中應用數(shù)字傳感器，可將看不見的知識外顯，使其直觀地呈現(xiàn)在學生面前，這樣既可以加深學生的理解，調動學生學習化學的積極性，又可以幫助教師順利完成教學任務。為了更好地將數(shù)字傳感器應用于初中化學教學，教師應做好以下幾點。

第一，遵循數(shù)字傳感器的適用性原則。傳感器能以圖像或數(shù)字等形式將變化不明或不易觀察的化學現(xiàn)象加以展現(xiàn)，其在化學實驗中有著巨大的應用價值，但并不適用于所有實驗。比如在進行燃燒實驗時，學生需要觀察燃燒現(xiàn)象，而非燃燒中溫度的變化，如果教師在燃燒實驗中應用溫度傳感器，不僅會加大實驗難度，還不符合燃燒實驗的初衷，本末倒置。此外，有些實驗雖然應用數(shù)字傳感器能很快得出結論，但應用傳統(tǒng)實驗方式更能達到教材設計的目的。比如測定空氣中的氧氣，在傳統(tǒng)實驗中能讓學生著重學習壓強變化會使氣體或液體流動，而數(shù)字傳感器就無法達到這一教學目的。

第二，學會分析思考。盡管數(shù)字傳感器的應用為化學教學注入了新鮮的血液，而諸多學者對傳感技術進入課堂也做了大量的探索研究，但是至今傳感技術仍沒有能真正與化學課堂教學相結合，教師要分析思考是哪方面的原因導致的。此外，教師還應認真分析如何讓數(shù)字傳感器在化學實驗中發(fā)揮作用。教師要通過觀摩分析其他優(yōu)秀教師的化學教學活動、開展微格教學、進行專門訓練或者反思教學經(jīng)驗等多種形式，將數(shù)字傳感器在化學實驗教學中的應用落到實處。

第三，做到資源共享。目前，對傳感器的研究總體呈現(xiàn)出一種“多而散”的特點，這給集中研究探討帶來一定的難度，因此資源共享可為教師提供豐富的教學資源，促進教師取得良好的研究效果。教師可以通過查閱相關資料，組建化學教研團隊，利用現(xiàn)代化信息技術進行線上資源分享，在平臺發(fā)表相關言論，促進大家共同分析思考并能做到學以致用。

第四，促進跨學科交流。因為傳感器的應用需要與計算機技術相結合，所以在應用傳感器進行具體實驗操作時可能會遇到以下問題：傳感器如何與計算機相連？如何設置參數(shù)以呈現(xiàn)理想的實驗結果？等等。遇到此類問題，教師要與相關專業(yè)的教師溝通交流，進而合力解決問題。

將數(shù)字傳感器應用于初中化學實驗教學中能實現(xiàn)以下目標：

（1）讓枯燥乏味的理論知識“活”起來，使學生更易于把握知識點，了解學習重點和難點，激發(fā)學生對化學學習的熱情。

（2）實現(xiàn)計算機和化學的跨學科組合，在拓寬學生化學學習視野的同時，加深學生對跨學科知識的把握，促進學生學科綜合素質的提高。

（3）通過學生對實驗的設計、操作、觀察、整理、分析和總結的過程，提高學生整合知識的能力，逐步提升學生的科學素養(yǎng)。

（4）借助數(shù)字技術使實驗過程更為直接清晰，有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。

綜上，傳統(tǒng)的初中化學實驗教學往往從定性角度引導學生認識實驗，無法及時驗證學生對化學內容的思考。而數(shù)字傳感器在初中化學實驗教學中的應用將定性與定量有機結合，可提升學生的推理能力、創(chuàng)新能力和實踐能力，同時促進學生化學學科核心素養(yǎng)的全面提升。