數(shù)字化實驗在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

陳曉曄

摘要：數(shù)字化實驗相對于傳統(tǒng)實驗有明顯的優(yōu)點，分辨率、精確度高，快速、連續(xù)地采集和處理數(shù)據(jù)，實驗現(xiàn)象更加形象、具體。本文通過對“中和熱的測定”實驗裝置的改進，運用溫度傳感器測量溫度變化，利用計算機記錄數(shù)據(jù)，繪制溫度變化曲線，直觀呈現(xiàn)出實驗結(jié)果，并在教學(xué)中進行應(yīng)用與思考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗 化學(xué)實驗 中和熱的測定

【分類號】G633.8

隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新技術(shù)走進我們的視野、我們的校園。我們教師的授課和學(xué)生的學(xué)習(xí)并不是一成不變的，而是需要適應(yīng)周圍環(huán)境的改變隨時做出相應(yīng)的調(diào)整，這就需要我們教師不斷吸收新事物，并且將其帶進課堂。化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，傳統(tǒng)的瓶瓶罐罐的實驗已經(jīng)不能滿足中學(xué)化學(xué)實驗的要求，新型的數(shù)字化實驗已深入社會生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，對我們化學(xué)課堂也產(chǎn)生了巨大的沖擊。數(shù)字化實驗一方面彌補了傳統(tǒng)實驗工具的缺陷，革新了化學(xué)實驗的儀器，拓展了化學(xué)實驗的內(nèi)容；另一方面，使實驗的方法更加先進，實驗的數(shù)據(jù)更加準確，實驗的步驟更加清晰。數(shù)字化實驗對我們的教學(xué)提出更高的要求，是教學(xué)改革的前沿課題。

一、 數(shù)字化實驗的儀器

數(shù)字化實驗平臺主要是由傳感器、計算機、數(shù)據(jù)采集器以及通用軟件等構(gòu)成，把各種信號轉(zhuǎn)化成電流信號，然后傳入到計算機當(dāng)中，通過通用軟件的分析和處理，把相關(guān)的信息以圖表等形式呈現(xiàn)出來。在教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化實驗?zāi)軌驅(qū)鹘y(tǒng)模式下的實驗不足加以彌補，能夠?qū)⒒瘜W(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象及本質(zhì)逐步地轉(zhuǎn)化為可以進行監(jiān)測的信號，這樣也有利于學(xué)生深入研究化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)規(guī)律，并且數(shù)字化實驗系統(tǒng)具備了直觀、先進、準確、實時等諸多方面的特點，能夠提高教學(xué)效率。通過數(shù)字化實驗在化學(xué)教學(xué)中的運用，能夠使化學(xué)課堂教學(xué)更加優(yōu)化，在降低課堂教學(xué)內(nèi)容難度的同時，提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

1. 傳感器：由各種感應(yīng)元件組成，它們在不同的環(huán)境下改變自身特征，如熱敏電阻、壓敏電阻、光敏電阻等，它是實驗測量的核心部件。通過“感”和“傳”兩個動作來反饋事物的變化過程，其中“感”將物理量的變化轉(zhuǎn)化成電流信號的變化；“傳”將變化的電流信號傳遞到數(shù)據(jù)采集器裝置，再把處理好的數(shù)據(jù)傳遞給計算機平臺。在化學(xué)教學(xué)中常用的傳感器包括溫度傳感器、pH值傳感器、電導(dǎo)率傳感器、色度傳感器、氣體傳感器、濁度傳感器、氧化還原傳感器等等。

2. 數(shù)據(jù)采集器：采集傳感器感知的數(shù)據(jù)，并傳給計算機及內(nèi)部處理軟件進一步放大。

3. 計算機及通用軟件處理：負責(zé)處理由采集器傳遞的信息，通過圖表等的形式來展示實驗變化的規(guī)律。

二、數(shù)字化實驗的具體應(yīng)用——以“中和熱的測定”為例

針對高中化學(xué)課本上的傳統(tǒng)的學(xué)生實驗“中和熱的測定”，我將傳統(tǒng)的溫度計改變?yōu)閿?shù)字傳感器（連接數(shù)據(jù)采集器和計算機）記錄實驗中溫度的變化，使得這個實驗更加簡單，精確。

1. 實驗原理

50mL0.50mol/L鹽酸與50mL0.55mol/L NaOH溶液發(fā)生中和反應(yīng)時放出的熱量為：（m1+m2）·c·（t2-t1）= 0.1×4.18×（t2-t1） kJ。

該反應(yīng)生成的H2O為0.025 mol，生成1molH2O時放出的熱量即為中和熱

中和熱實驗測定裝置利用溫度計來測量反應(yīng)前后的溫度，運用公式計算反應(yīng)放出的熱量。因此，在實驗的每一階段溶液的溫度一定要測量準確，及時記錄。

2. 實驗儀器、藥品

大燒杯（500mL）、小燒杯（100mL）、量筒（50mL）兩個、泡沫塑料、泡沫塑料板 （中心有兩個小孔）、環(huán)形玻璃攪拌棒。0.50mol/L鹽酸、0.55mol/L NaOH溶液、蒸餾水、吸水紙。溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機。

實驗整套裝置。將小燒杯放在大燒杯里，燒杯口平齊，中間用泡沫塑料填滿。在泡沫塑料板上打兩個孔，把溫度傳感器和環(huán)形玻璃棒分別從孔中插入，蓋在兩個燒杯上，就是一個簡易的量熱器。

3.實驗步驟

①組裝儀器：連接計算機、數(shù)據(jù)采集器及溫度傳感器。點擊進入桌面程序，打開普通模式，設(shè)置記錄頻率每秒2次，采集時間為連續(xù)。

組裝中和熱實驗裝置，將傳統(tǒng)溫度計改為溫度傳感器。

②藥品取用：用量筒量取50mLNaOH溶液，將溫度傳感器的探針置于溶液中，點擊“開始”，記錄NaOH溶液的溫度，待傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后，點擊“停止”，保存數(shù)據(jù)為TOH。將溫度傳感器從NaOH溶液中取出，然后用蒸餾水清洗干凈，用吸水紙擦干。

用另一個量筒量取50mLHCl溶液并加入到小燒杯中，把套有蓋板的溫度傳感器和環(huán)形玻璃攪拌棒放入HCl溶液中，點擊“開始”，記錄HCl溶液的溫度。待傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后，停止采集，保存數(shù)據(jù)為TH。計算兩種溶液的平均溫度記為T1。

③酸堿混合：先點擊“開始”，記錄溶液的溫度變化，然后將量筒中的NaOH溶液迅速加入小燒杯中，蓋好蓋板，用環(huán)形玻璃攪拌棒上下來回移動，使溶液均勻反應(yīng)，同時觀察數(shù)據(jù)采集器上的數(shù)據(jù)及曲線的變化趨勢。待溫度讀數(shù)穩(wěn)定不再升高時，點擊“停止”，記錄并保存數(shù)據(jù)為T2。

中和反應(yīng)前反應(yīng)器中HCl溶液的溫度穩(wěn)定，加人NaOH溶液后溫度迅速升高，約20s的時間后溫度基本不再升高，曲線出現(xiàn)平臺，溫度再次達到穩(wěn)定。

⑤按照上述步驟重復(fù)進行兩次實驗。

⑥數(shù)據(jù)處理：輸入公式：Q=C*m*T3/n

“T3變化=T2-T1=24.5-21.1=3.4”（我的實驗數(shù)據(jù)），代入公式，計算結(jié)果，得“Q=56.8KJ/mol”。

通過三次重復(fù)實驗，根據(jù)計算公式可以求出此反應(yīng)的中和熱。教師參考書中給出稀HCl與稀NaOH溶液反應(yīng)，中和熱的理論值為（57. 3kJ/mol），相對誤差為0.9%。

4. 實驗教學(xué)效果

通過上述實驗可知，數(shù)字化實驗采集數(shù)據(jù)非常方便，在相同的時間內(nèi)，采集到的數(shù)據(jù)量也很大，并且即時用圖表的形式在顯示屏上展示出來，一目了然。

課后與學(xué)生交流，學(xué)生們都很興奮，尤其是男同學(xué)，表現(xiàn)出極大的熱情。雖然只是一個小小的改動，但是卻引來完全不同的效果。

三、數(shù)字化實驗的優(yōu)點

1. 數(shù)字化實驗可以快速連續(xù)采集數(shù)據(jù)、同步顯示出連續(xù)圖像，而這是傳統(tǒng)實驗無法完成的。學(xué)生通過圖像分析、現(xiàn)象歸納，更容易找出物理量的變化，可以幫助學(xué)生認知、理解實驗本質(zhì)。“中和熱的測定”是學(xué)生實驗，要求讀出混合溶液的最高溫度并記錄數(shù)據(jù)。但是在實際實驗中，溫度計的精確度不夠，溫度的變化稍縱即逝，難以觀察，從實驗測定的數(shù)據(jù)計算出的中和熱數(shù)值與理論值相差較大。而數(shù)字化實驗中將傳統(tǒng)的溫度計改為溫度傳感器，溫度讀數(shù)可以精確到0.1℃，大大減小了誤差；溫度的變化以曲線、表格的形式呈現(xiàn)，方便學(xué)生更好、更直觀的讀數(shù)。

2. 數(shù)字化實驗采用計算機自動控制，系統(tǒng)能夠在很短的時間內(nèi)采集和處理大量數(shù)據(jù)，并利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理和作圖功能，將數(shù)據(jù)反映成圖像來描述瞬間量的變化過程，實現(xiàn)了由傳統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)“點采集”轉(zhuǎn)向到“線采集”，用極短的時間記錄大量的實驗數(shù)據(jù)，可以有效地解決暫態(tài)現(xiàn)象、難測量等傳統(tǒng)實驗無法解決的問題。

3. 數(shù)字化實驗可以克服傳統(tǒng)實驗儀器的諸多弊端。它利用各種傳感器可以測量傳統(tǒng)測量工具所不能達到的精度。

四、數(shù)字化實驗需要注意的問題

盡管數(shù)字化實驗在信息技術(shù)與實驗教學(xué)整合過程中有著不可替代的作用，但還是需要注意以下幾個方面的問題：

1. 數(shù)字化實驗逐步進入學(xué)校的課堂，并參與課堂教學(xué)。在使用的過程中需要一批專業(yè)人員來操作，因此，需要加大師資的培訓(xùn)和學(xué)生的培訓(xùn)，才能夠發(fā)揮它的作用，使其成為在推進素質(zhì)教育、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和探索精神的強有力的工具。

2. 傳感器的精度并非越高越好，對于初學(xué)者而言，主要學(xué)習(xí)的不是測量的準確性，而是掌握實驗操作的方法、數(shù)據(jù)處理的方法，測量精度過高對于初學(xué)者進行誤差分析可能帶來不便。

3. 注重儀器的保護，防止傳感器與采集器的觸點接觸不良，引起測量的故障。

4. 不要忽視常規(guī)測量工具，如溫度計、酸堿pH計等。并且，在一些簡單的實驗中用常規(guī)教學(xué)儀器完成比較方便，也能夠滿足實驗教學(xué)的需要。我們不能避重就輕，不能為了使用“新式武器”而拋棄傳統(tǒng)實驗手段，畢竟要以有利于教學(xué)為基本出發(fā)點。

五、中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實驗的前景

通過數(shù)字化實驗在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的運用，依靠現(xiàn)代先進的教學(xué)技術(shù)和教學(xué)手段，通過動靜結(jié)合、圖文并茂的形式把知識更加形象的展示給學(xué)生，使知識的掌握變得更加容易，學(xué)生對抽象的化學(xué)概念和原理的認識更加清晰、深刻。在調(diào)動學(xué)生多個感官參與課堂教學(xué)的同時，幫助學(xué)生更多、更快地獲得教學(xué)信息，從感性認識上升到理性認識。同時，便于學(xué)生把獲得的結(jié)果運用于實際生活當(dāng)中，解決更多的生活問題，從而調(diào)動學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的探究欲望。

數(shù)字化實驗除了在“中和熱的測定”教學(xué)中的應(yīng)用外，在很多定量實驗中都可以應(yīng)用，數(shù)字化實驗教學(xué)對學(xué)生化學(xué)水平以及綜合能力的提高有著推動作用，對教師教學(xué)能力以及專業(yè)水平的提高也有著促進作用。通過運用數(shù)字化實驗教學(xué)開展化學(xué)教學(xué)工作，有利于新課標的實現(xiàn)，推動新課改的進程。

將傳感器、計算機等信息技術(shù)設(shè)備應(yīng)用到中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)當(dāng)中，本身就是開闊視野、與時俱進的舉措，同時也為科學(xué)方法的培養(yǎng)和科學(xué)精神的塑造提供了鮮活的素材。工具的發(fā)展是腦的擴展、手的延伸，是人類文明進步的階梯。有了飛機，人類領(lǐng)略到天空的高遠；有了宇宙飛船，人類體驗到太空的深邃；有了先進的實驗手段，學(xué)生們必定能夠收獲意想不到的成功。

參考文獻

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