數字化手持技術在高中化學教學中的應用

謝云龍

摘要：“手持技術數字化實驗”又稱“掌上技術”，由數據采集器、傳感器和配套軟件組成，是通過定量采集數據與計算機連接的數字化化學實驗技術系統。與傳統實驗相比，手持技術數字化實驗具備便攜、實時、準確、綜合、直觀等特點。傳統實驗主要通過實驗現象定性分析得出結論，而手持技術數字化實驗主要通過采集數據、分析數據定量推理得出結論，有助于發展學生的定量思維以及證據推理能力。

關鍵詞：高中化學;手持技術;定量分析;實際教學應用

引言

化學是一門以實驗為基礎的學科，傳統實驗存在一定的弊端，大多能夠做到定性，定量的實驗較少，手持技術因其直觀、便捷、準確、實時特點，從2003年以來受到大量的關注，利用手持技術進行化學教學推動了中學化教學的改革。基于化學學科核心素下將手持技術應用到中學化學教學中，它不僅可以培養學生的化學學科核心養，而且可以利用手持技術的優勢準確實時地得到實驗數據并將實驗數據科學處理，讓學生體驗科學探究的過程，提高學生科學研究的能力，將原理性知識進轉化。

一、手持技術的基本組成和基本原理

手持技術主要由傳感器、數據采集器、軟件和計算機四個部分組成。傳感器：能把可識別的各種物理量轉化為可用輸出信號的裝置。傳感器是手持技術的核心部件。化學實驗中常用的傳感器有：pH傳感器、電導率傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣傳感器、不銹鋼溫度傳感器、色度傳感器、滴數傳感器等。數據采集器：實驗過程中的物理信號轉變為數字信號、模擬信號輸出，全程跟蹤實驗過程中的數據變化并以多種形式顯示實驗結果的裝置。軟件：用于控制數據采集的計算機程序。計算機：將數據采集器輸入的信號，通過應用軟件進行分析處理，并以多種形式實時顯示在計算機的屏幕上。手持技術的基本原理：通過傳感器對物理量進行識別，然后將物理量轉換成電信號，再通過數據采集器和配套軟件將這些電信號轉換成數字，并以數字圖組合的方式顯示在計算機屏幕上。

二、手持技術的有效使用

依據反應特點選擇傳感器，并不意味一定可以得到有效的證據。實驗者需要分析如何利用傳感器得到有效的數據。H2O2分解反應過程中放熱較多，據實驗測算，0.6%H2O2溶液（以MnO2為催化劑）20s時溫度可由24.5℃上升到48.6℃。若以此反應來探究濃度對化學反應速率的影響，由于同時有溫度與濃度的變化，得到的證據無法有效用于推理。探究濃度對化學反應速率影響時，選用氧氣傳感器比溫度傳感器得到的數據更具有說服力。Na2S2O3與H2SO4反應過程中有SO2生成，從理論上講可以使用SO2傳感器進行測定，但由于SO2具有溶解性，如照此實驗幾乎看不到有氣體冒出，也得不到有效數據。隨著反應的進行，H2SO4中c（H+）減小。理論上講可以用pH傳感器測量反應過程中c（H+）的變化，但因反應有SO2溶在水中，有H+電離出來，故c（H+）變化不唯一，得到的數據也不是有效的。選用色度計做實驗得到的結果更準確。

三、教學成果實施效果好、實施評價高

本教學成果培養了一大批適應基礎教育改革發展和教育信息化建設需要的高水平中小學信息技術化學教學的師資。手持技術能夠直觀地呈現出變量變化的趨勢，以定量的形式得到實驗數據，通過實驗數據得到曲線，從曲線來分析反應過程中變化的本質。以宏觀—觀—符號—曲線的方式來理解原理性知識，在過程中能夠間接地培養學生的化學科核心素養。例如，運用手持技術探究電離平衡的影響因素這節課中，加入酸銨可以看到醋酸的pH逐漸增大最后趨于不變，可以促進學生“變化觀念與平衡思想”的化學學科核心素養的發展。通過對學生化學學科核心素養的前測和測發現，實驗班學生的化學學科核心素養水平明顯提高，說明手持技術能夠更地培養學生的化學學科核心素養。通過對弱電解質的電離、鹽類的水解、難溶解質的溶解平衡的測試卷分析，看出實驗班學生的成績明顯高于對照班，特別是中等或中等偏上題目的理上，實驗班與對照班的差距明顯，這說明使用手持技術能夠更好地理解水溶液的離子平衡的知識。對學生進行訪談，可以看出學生能夠接受手持技術，手持術激發了學生學習的興趣，課堂氣氛更好了，從教師為主體往學生為主體轉換，激發了學的學習積極性，從而學習成績有所提高。手持技術數字化化學實驗的教學價值獲得一線教師的普遍認可。不少一線教師能自主利用手持技術數字化化學實驗教學資源，引導學生開展基于手持技術數字化化學實驗的科學探究活動，并將其運用于課堂教學實踐中，與本團隊共同開發行之有效的創新教學案例。

結束語

應用手持技術進行教學對學生的成績和化學學科核心素養都有影響，手持技術與傳統實驗相比有更多的優點，對于已經引進手持技術的學校，化學教們應該去學習它的原理，學習如何操作，并將其作為實驗教學的輔助工具，兩結合起來，發揮各自的優勢，更好地教學。

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