基于數(shù)字化手持技術pH計的初中化學實驗教學

摘 要：圍繞基于數(shù)字化手持技術pH計的初中化學實驗教學路徑展開分析討論，以滬教版初中化學教材作為研究對象，闡述在酸堿度測定、酸堿度曲線測定等知識的學習過程中數(shù)字化手持技術pH計的應用方法，旨在培養(yǎng)學生良好的信息化素養(yǎng)，使其在掌握數(shù)字化技術的同時建立化學思維，提升實踐技能和創(chuàng)新能力。

關鍵詞：初中化學；數(shù)字化手持技術；滬教版教材；酸堿計

作者簡介：林玲（1987—），女，江蘇省昆山市第二中學。

化學實驗是研究、驗證化學理論的重要方法，強調(diào)通過化學反應、測量和觀察，探索化學物質(zhì)變化規(guī)律以及作用機理。在教學過程中，教師需要合理利用化學實驗，幫助學生理解理論知識，培養(yǎng)科學思維。但傳統(tǒng)的化學實驗中經(jīng)常出現(xiàn)測定誤差，實驗方式有待改進，為解決這一問題，本文認為應將數(shù)字化技術融入初中化學實驗教學。

一、數(shù)字化手持技術分析

數(shù)字化手持技術指的是一種實驗技術體系，以信息化技術、計算機設備為依托，由傳感器、數(shù)據(jù)采集器以及一系列配套程序組成。這一技術的主要優(yōu)勢在于操作便捷，易于攜帶，能夠直觀、實時地展現(xiàn)電壓、光強度、溫度、pH等數(shù)據(jù)信息。將其運用在化學實驗教學中，可以有效打破時空限制，使實驗能在各種場所順利開展。同時，數(shù)字化手持技術還能提高測量的精確度，測取傳統(tǒng)實驗中難以直接獲取的實驗信息，并通過分析軟件、儀器顯示屏，向操作者直觀展現(xiàn)自動計算后的數(shù)據(jù)結(jié)果，有利于激發(fā)學生的學習積極性，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。

手持式pH計是一種用于檢測液體酸堿度的裝置，環(huán)境適應力較強。本文以手持式pH計在初中化學實驗教學中的應用為例，列舉多種教學場景，旨在為數(shù)字技術融入化學課堂的研究提供參考。

二、溶液酸堿度測定實驗

（一）樣品

預先準備好測試樣品，包括36.5%的氯化氫溶液和氫氧化鈉溶液各4份，其中1份作為稀釋前對照組，其余3份分別進行1倍、10倍及多倍的稀釋處理。同時，準備純牛奶、碳酸飲料、橙汁。

（二）實驗要點

完成測定后應第一時間記錄相關數(shù)據(jù)。測定不同溶液時，需要預先使用蒸餾水清洗pH計，保證玻璃探頭清潔無雜質(zhì)、靈敏度高，清洗3—6次后，使用紙巾吸干多余水分。測試時，緩慢將pH計探頭浸入待測液體中，靜置約30秒，待數(shù)值穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。每組樣品至少進行3次測量，確保數(shù)據(jù)準確。在動態(tài)測定溶液酸堿度時，應將待滴定溶液放入燒杯，調(diào)節(jié)滴定管，定量加入酸或堿溶液，并依靠磁力攪拌裝置完成攪拌作業(yè)。磁力攪拌裝置利用磁場同性相斥、異性相吸的原理，結(jié)合磁場推動設備，使容器中帶有磁性的攪拌子快速旋轉(zhuǎn)，以此確保液體攪拌均勻、充分。實驗過程中需確保玻璃探頭完全浸入液體中，以避免測量誤差。

三、溶液稀釋過程中的酸堿度變化分析

（一）教學難點

教師在教學時需要充分考慮初中生的認知特點，了解他們的個性化需求，以激發(fā)學生的學習興趣為目標。初中生在剛接觸溶液酸堿性知識時，一般都能簡單區(qū)分不同溶液的酸堿性，但對稀釋過程中酸堿度的變化缺乏深入了解。滬教版初中《化學》不涉及溶液酸堿度的分析以及計算方法，使得學生對酸堿度的理解較為模糊。盡管教材對一些常見溶液的酸堿度范圍進行了說明，如牛奶的pH在6—7之間，醬油為弱堿性，pH約在4—5之間，但未詳細解釋上述液體的酸堿度表達了怎樣的變化趨勢，導致學生對酸堿度數(shù)值差異的理解較為片面。此外，在反復稀釋酸堿溶液后，溶液的酸堿值趨于7，即酸堿度變化曲線在稀釋倍數(shù)增加后幾乎無明顯變化。對于這種現(xiàn)象，很多學生往往一知半解。這表明，他們對酸堿度在稀釋過程中的變化的認識還停留在表面，缺乏主動進行定量分析的能力和機會。因此，教師在教學中需合理應用數(shù)字化手持技術，用直觀、形象化的方式呈現(xiàn)較為抽象、晦澀難懂的實驗數(shù)據(jù)，幫助學生理解［1］。

（二）教學路徑

在酸堿度測定過程中，可以先使用pH試紙獲得不同稀釋倍數(shù)溶液的酸堿度數(shù)據(jù)。比如，稀釋前，溶液的pH為0.45；稀釋1倍后，pH為0.80；稀釋10倍后，pH為1.32；再稀釋多倍后，pH為1.79。部分學生可能會認為pH變化1即為1倍稀釋的結(jié)果。然而，數(shù)據(jù)表明，稀釋1倍后，pH的變化幅度未達到1，而是在稀釋10倍后才接近1。這種現(xiàn)象可以幫助學生認識到實際數(shù)據(jù)與自身認知的差距，加深他們對溶液pH變化的理解。依托實驗探究，幫助學生培養(yǎng)定量分析能力，為后續(xù)的酸堿度計算和概念學習夯實基礎。此外，在多次稀釋過程中，酸堿度的變化幅度趨于平緩，稀釋后的酸堿度變化曲線也沒有呈現(xiàn)線性變化。這一現(xiàn)象有助于學生理解酸堿性溶液的稀釋原理，使傳統(tǒng)的圖形分析轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw概念分析。

四、溶液酸堿度曲線變化分析

（一）實驗內(nèi)容

在初中化學中，酸堿中和反應和pH曲線分析一直以來都是教學難點。傳統(tǒng)的實驗教學受到演示實驗的限制，學生在學習相關知識點時只能依靠教師提供的pH曲線進行淺層記憶。這種方式不僅不利于學生對知識的準確掌握，也使他們難以將所學知識應用于解決實際問題。為解決此類問題，本文設計了利用數(shù)字化手持技術pH計的測定實驗，完善學生的知識架構(gòu)。實驗所用裝置主要包括：

（1）反應裝置：用于進行液相單相反應以及液液、氣液、固液等多相反應過程的設備，包括滴定管、磁力攪拌器。滴定管用于控制溶液添加速率，磁力攪拌器確保酸堿反應充分進行。

（2）記錄裝置：包括平板和移動設備，搭載同屏技術，動態(tài)展現(xiàn)酸堿值的變化情況。

（3）測試系統(tǒng)：主要由pH計和計算機組成，通過將pH計與計算機連接，自動生成測試結(jié)果并繪制pH曲線圖［2］。

（二）實驗結(jié)果

實驗結(jié)果顯示，對于堿滴定酸溶液的過程，pH變化如下：實驗開始60秒后，pH為1.49；120秒后，pH達到1.8；180秒后，pH為2.3；210秒后，pH為4.9；240秒后，pH上升到11.7；300秒后，pH達到12.2。

對于酸滴定堿溶液的過程，pH變化如下：在實驗開始20秒后，pH為12.79；40秒后，pH為12.74；60秒后，pH為12.5；80秒后，pH為11.9；100秒后，pH降到2.6；120秒后，pH為2。

分析以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在不同時間段內(nèi)，pH變化差異顯著。從實驗開始至210秒后，pH變化約為4.2；而在210—240秒，pH變化接近7。實驗后期，pH變化在0.5左右，可見整個實驗過程中pH曲線變化呈現(xiàn)非線性特征。實驗開始和臨近結(jié)束階段，pH變化較為平緩，而在中和反應的突變點附近，pH波動較為劇烈。通過這種數(shù)據(jù)表現(xiàn)，可以幫助學生更好地理解酸堿中和反應中溶液pH曲線中的突變區(qū)域，以及溶液酸堿度的變化趨勢。

綜上所述，在化學實驗教學中融入直觀的數(shù)據(jù)展示，能夠提高化學實驗教學質(zhì)量，同時為學生培養(yǎng)良好的學習習慣奠定堅實基礎［3］。

五、有色液體酸堿度分析

在初中化學的酸堿度測試教學中，通?？梢酝ㄟ^指示劑或pH試紙的顏色變化來判斷溶液的酸堿性，并依據(jù)顏色的深淺來估測溶液的酸堿度。然而，這種方法的準確性還有待提升，特別是在測定識別度較低的有色液體時，可能產(chǎn)生較大誤差，難以確保讀數(shù)的精確性。例如，將紫色石蕊試劑加入酸性溶液中，溶液會變?yōu)榧t色，這是因為酸性溶液中的氫離子與試劑分子結(jié)合形成了紅色的酸式分子。這種紅色帶有紫色調(diào)，對于橙汁、可樂等有色液體來說，由于其固有顏色，使用紫色石蕊試劑進行酸堿度判斷可能會受到干擾。為了避免這樣的情況，可以引入數(shù)字化手持技術pH計，通過將玻璃探頭緩慢浸入待測溶液，直接從pH計上獲取準確的pH。例如，橙汁的pH為3.4，可樂的pH為2.9，奶茶的pH為6.3，牛奶的pH為6.2。相較于傳統(tǒng)的指示劑測定，數(shù)字化手持pH計提高了酸堿度檢測的效率，讓學生能直接獲取精確的pH，有效減少了測定

誤差［4］。

六、“酸和堿的中和反應”實驗教學

“酸和堿的中和反應”的教學內(nèi)容包括中和反應的基本原理、實際應用和實驗探究過程。其中，氫氧化鈉與鹽酸的中和反應實驗屬于重點，學生需要掌握溶液配制、滴定的注意事項，按照實驗操作標準選擇指示劑，觀察pH的動態(tài)變化。

實驗開始時，教師準備5 mL的氫氧化鈉溶液，加入少量無色酚酞指示劑。若溶液變紅，則確認其為堿性，隨后緩慢滴加稀鹽酸，同時攪拌，直至溶液由紅色轉(zhuǎn)為無色，表明氫氧化鈉溶液已被中和。在此期間，學生可以觀察到溶液顏色的變化，理解氫氧化鈉溶液與稀鹽酸的化學反應過程。由于教材多注重定性分析，未包含定量數(shù)據(jù)，限制了學生深入理解實驗細節(jié)和反應過程。對此，教師可借助數(shù)字化手持技術，用pH計精確測量并記錄酸堿中和反應的完整過程，幫助學生掌握實驗的電導率、溫度、pH變化等，了解酸堿中和反應的實質(zhì)。例如，通過pH傳感器實時監(jiān)測pH變化，觀察到氫氧化鈉溶液在加入鹽酸前呈堿性（pH＞7），隨著鹽酸的逐漸滴入，pH曲線持續(xù)下降，直至達到中性或酸性區(qū)域，充分展示了鹽酸與氫氧化鈉溶液的化學反應過程，如圖1所示。此外，還可利用溫度傳感器、電導率傳感器繪制溫度變化曲線圖、電導率變化曲線圖，從不同角度探究化學實驗的各項特征。教師通過合理引導，幫助學生總結(jié)酸堿中和反應的原理與結(jié)果，以此增添化學實驗教學的趣味性，提高學生學習積極性，依托數(shù)字化手持技術，賦予學生“透視”物質(zhì)反應變化的眼睛。

在課堂總結(jié)環(huán)節(jié)，教師可以組織學生利用數(shù)字化手持pH計測量生活中的有色液體，以拉近化學學科與實際生活的距離，讓學生掌握化學知識的應用方法，做到學以致用。經(jīng)過前期的系統(tǒng)性學習，學生已掌握酸堿中和反應的反應原理，學會了pH計的使用方法，因此教師可以讓他們試著檢測可樂、橙汁等有色液體的酸堿度。傳統(tǒng)的紫色石蕊試劑測試法中，橙汁和可樂的固有顏色會干擾試劑的顏色變化，影響結(jié)果判讀，而數(shù)字化手持pH計可以直接測定這些有色液體的pH值。需要注意的是，為了充分發(fā)揮數(shù)字化手持pH計的優(yōu)勢，在使用前應將pH計插入已標定的緩沖液中，隨后按下“cal”按鈕校準；拿出玻璃電極，用蒸餾水沖洗干凈并吹干；將電極緩慢放入待測溶液中，待數(shù)值穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。每次測量后應將玻璃電極取出清洗，以保持測量的精確性。

結(jié)語

綜上所述，數(shù)字化手持技術pH計在初中化學實驗教學中的應用能夠有效激發(fā)學生的學習興趣，幫助他們更好地掌握化學知識，通過具體化、立體化抽象概念，降低學生學習難度，使其培養(yǎng)良好的學科核心素養(yǎng)。

［參考文獻］

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