數(shù)字傳感器在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

張圣杰

[摘 要]數(shù)字傳感器可將物理變化和化學(xué)變化直觀、清晰地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，使實(shí)驗(yàn)過程可視化，增強(qiáng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。文章以“物質(zhì)在水中的分散（二）”一課為例，通過在實(shí)驗(yàn)探究中應(yīng)用數(shù)字傳感器，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)溶于水時(shí)的能量變化以及性質(zhì)變化，并聯(lián)系生活實(shí)際加深學(xué)生對(duì)水溶液某些性質(zhì)的理解。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字傳感器;初中化學(xué);物質(zhì)在水中的分散

[中圖分類號(hào)]? ? G633.8? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2022）14-0070-03

傳感器是一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的檢測裝置，在敏感元件和轉(zhuǎn)換元件作用下通過輸出不同形式的信號(hào)達(dá)到信息傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。傳感技術(shù)的運(yùn)用最早源于國外，隨著傳感技術(shù)的傳播，我國個(gè)別地區(qū)開始使用，但直至今日，傳感器在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用還處于起步階段。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段不同，傳感器的應(yīng)用能夠在極短的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄、處理等，并以表格、曲線等形式將相關(guān)的量直觀呈現(xiàn)，便于學(xué)生理解。數(shù)字傳感器在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用有利于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)在拓寬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了定性向定量的轉(zhuǎn)變，達(dá)到初中化學(xué)課程與計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)整合的目的。下面，本文以“物質(zhì)在水中的分散（二）”一課為例，闡述如何在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字傳感器以實(shí)現(xiàn)有效教學(xué)。

一、教學(xué)思路

“物質(zhì)在水中的分散（二）”是滬教版九年級(jí)化學(xué)第六章第一節(jié)的內(nèi)容，本節(jié)課的內(nèi)容分為兩部分，即物質(zhì)溶解時(shí)的能量變化和水溶液的某些性質(zhì)。教學(xué)中，教師設(shè)計(jì)3個(gè)“活動(dòng)與探究”活動(dòng)幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)溶解過程中的能量變化以及水溶液的某些性質(zhì)，同時(shí)結(jié)合生活場景引導(dǎo)學(xué)生交流討論，并結(jié)合一些拓展訓(xùn)練幫助學(xué)生掌握這節(jié)課的主要內(nèi)容。物質(zhì)在水中的分散是比較常見的生活現(xiàn)象，學(xué)生對(duì)此已有初步的了解。同時(shí)，學(xué)生已具備初步的觀察、描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力和一定的邏輯思維能力。在具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如何有效發(fā)揮數(shù)字傳感器的作用，幫助學(xué)生更好地理解變化的本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)定性與定量的結(jié)合呢？本文主要以三個(gè)“活動(dòng)與探究”活動(dòng)展開詳細(xì)論述。

二、主要教學(xué)活動(dòng)

【活動(dòng)與探究1】實(shí)驗(yàn)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(zhì)在溶于水的過程中會(huì)釋放出熱量，然而能量變化不易觀察，所以學(xué)生僅憑直觀觀察與感知是很難直接體會(huì)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(xué)生4人一組進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。每個(gè)小組均提供燒杯（3個(gè)）、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(shí)驗(yàn)器材展開實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果。

教學(xué)設(shè)想：通過小組合作共同設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐操作的能力;通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示培養(yǎng)學(xué)生整理、分析與總結(jié)的能力。

結(jié)果展示：從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄中選擇學(xué)生趨于一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行展示（如表1）。

整理歸納：不同的物質(zhì)在水中溶解時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生不同的能量變化，表現(xiàn)形式有向外放熱或者吸熱。物質(zhì)特性不同，溶于水時(shí)的溫度變化也不盡相同。有些物質(zhì)在水中溶解會(huì)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(zhì)在水中溶解會(huì)吸熱使溶液溫度降低，如硝酸銨;有些物質(zhì)在水中溶解時(shí)溫度基本不變，如氯化鈉。這樣進(jìn)行整理歸納，可加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。

【活動(dòng)與探究2】探究水溶液的導(dǎo)電性。

水溶液的導(dǎo)電性很難用肉眼觀察。為了探究水溶液是否具有導(dǎo)電性，教師可以指導(dǎo)學(xué)生了解教材中的溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)裝置并加以改進(jìn)。給各小組提供5個(gè)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(xué)生用電導(dǎo)率傳感器分別進(jìn)行測定并記錄數(shù)據(jù)，小組匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

教學(xué)設(shè)想：通過實(shí)踐操作，讓學(xué)生深刻理解和牢固掌握教材中的知識(shí)，并提高實(shí)踐操作能力。應(yīng)用數(shù)字傳感器，直觀準(zhǔn)確地呈現(xiàn)水溶液的導(dǎo)電性，減小傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的誤差。

結(jié)果展示：各小組派代表介紹實(shí)驗(yàn)結(jié)果并展示傳感器的測定圖像（如圖1）。

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

整理歸納：物質(zhì)溶于水發(fā)生電離使溶液具有導(dǎo)電性，溶液導(dǎo)電能力與電解質(zhì)種類、離子濃度以及電荷數(shù)等都有關(guān)。因此，不同種類的電解質(zhì)溶于水，盡管其他條件相同，所形成的溶液導(dǎo)電能力也會(huì)有所區(qū)別。首先，溶液的導(dǎo)電能力與電解質(zhì)的強(qiáng)弱有關(guān)，強(qiáng)電解質(zhì)在水中完全電離，而弱電解質(zhì)只是部分電離，在其他條件相同時(shí)，強(qiáng)電解質(zhì)的導(dǎo)電能力強(qiáng)于弱電解質(zhì)的導(dǎo)電能力。其次，溶液的導(dǎo)電能力與電荷數(shù)有關(guān)，在其他條件相同時(shí)，帶電荷數(shù)多的粒子溶液導(dǎo)電能力強(qiáng)于帶電荷數(shù)少的粒子溶液。再次，溶液的導(dǎo)電能力與溶液中的離子濃度有關(guān)，在其他條件相同時(shí)，離子濃度越大的溶液其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。另外，溶液的導(dǎo)電能力還與溶液的溫度有關(guān)，通常情況下，溫度高的溶液導(dǎo)電性更好。在本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)中，我們認(rèn)識(shí)到某些物質(zhì)在水中溶解時(shí)能生成自由移動(dòng)的離子，所以這些物質(zhì)的水溶液能導(dǎo)電。如食鹽溶于水生成大量自由移動(dòng)的Na+和Cl-，稀硫酸溶液中含有大量自由移動(dòng)的H+和SO[2-4]，所以食鹽溶液和稀硫酸溶液能夠?qū)щ?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(dòng)的離子，且水的導(dǎo)電性非常弱，因此蔗糖水溶液不能導(dǎo)電。通過這種形象直觀的方式解釋有些水溶液能導(dǎo)電而有些水溶液不能導(dǎo)電的原因，可讓學(xué)生加深對(duì)水溶液導(dǎo)電性的理解。此外，還可進(jìn)一步拓展到金屬能導(dǎo)電的原因，讓學(xué)生學(xué)會(huì)舉一反三。

【活動(dòng)與探究3】探究水溶液的凝固點(diǎn)。

在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下，純水的凝固點(diǎn)是0 ℃，沸點(diǎn)是100 ℃，那么當(dāng)蔗糖、食鹽在水中溶解時(shí)其凝固點(diǎn)如何變化呢？純水、蔗糖溶液和食鹽溶液在低溫凝固時(shí)會(huì)在容器外壁產(chǎn)生冰霜，由于外部條件不易控制極易對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，而僅利用演示實(shí)驗(yàn)的方式又不利于全體學(xué)生觀察理解。因此，為了讓學(xué)生直觀感受不同水溶液的凝固點(diǎn)，教師在探究水溶液凝固點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)中引入了溫度傳感器。溫度傳感器可將實(shí)驗(yàn)過程中溫度的探測情況實(shí)時(shí)顯示于屏幕上，便于學(xué)生感知水溶液凝固時(shí)的溫度變化，這樣可避免冰霜現(xiàn)象或其他人為因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。為了讓學(xué)生對(duì)水溶液的凝固點(diǎn)有深刻的理解，教師給每個(gè)小組各提供1個(gè)燒杯、3支試管、3種溶液以及1臺(tái)溫度傳感器，由小組各自設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，分組觀察并分別記錄溫度傳感器中數(shù)值的變化，匯總實(shí)驗(yàn)結(jié)果并派代表對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行展示。

教學(xué)設(shè)想：引導(dǎo)學(xué)生測定純水、蔗糖溶液和食鹽溶液凝固時(shí)的溫度，并應(yīng)用溫度傳感器直觀準(zhǔn)確地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，減小傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的誤差。

結(jié)果展示：各小組派代表介紹實(shí)驗(yàn)結(jié)果（如表2）并展示傳感器的測定圖像（如圖2）。

通過實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生得出了純水的凝固點(diǎn)是0 ℃，蔗糖溶液的凝固點(diǎn)是-2.6 ℃，食鹽溶液的凝固點(diǎn)是-2.5 ℃。

整理歸納：少量固體物質(zhì)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(huì)升高。

緊接著，教師結(jié)合生活場景引導(dǎo)學(xué)生交流討論，并結(jié)合一些拓展訓(xùn)練幫助學(xué)生進(jìn)一步掌握水溶液的相關(guān)性質(zhì)。

三、建議與思考

初中化學(xué)知識(shí)理論性較強(qiáng)，學(xué)生僅憑借直觀想象是很難理解的。在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用數(shù)字傳感器，可將看不見的知識(shí)外顯，使其直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，這樣既可以加深學(xué)生的理解，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性，又可以幫助教師順利完成教學(xué)任務(wù)。為了更好地將數(shù)字傳感器應(yīng)用于初中化學(xué)教學(xué)，教師應(yīng)做好以下幾點(diǎn)。

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(xué)現(xiàn)象加以展現(xiàn)，其在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，但并不適用于所有實(shí)驗(yàn)。比如在進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)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(shí)驗(yàn)中應(yīng)用溫度傳感器，不僅會(huì)加大實(shí)驗(yàn)難度，還不符合燃燒實(shí)驗(yàn)的初衷，本末倒置。此外，有些實(shí)驗(yàn)雖然應(yīng)用數(shù)字傳感器能很快得出結(jié)論，但應(yīng)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式更能達(dá)到教材設(shè)計(jì)的目的。比如測定空氣中的氧氣，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中能讓學(xué)生著重學(xué)習(xí)壓強(qiáng)變化會(huì)使氣體或液體流動(dòng)，而數(shù)字傳感器就無法達(dá)到這一教學(xué)目的。

第二，學(xué)會(huì)分析思考。盡管數(shù)字傳感器的應(yīng)用為化學(xué)教學(xué)注入了新鮮的血液，而諸多學(xué)者對(duì)傳感技術(shù)進(jìn)入課堂也做了大量的探索研究，但是至今傳感技術(shù)仍沒有能真正與化學(xué)課堂教學(xué)相結(jié)合，教師要分析思考是哪方面的原因?qū)е碌摹４送猓處熯€應(yīng)認(rèn)真分析如何讓數(shù)字傳感器在化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(xué)教學(xué)活動(dòng)、開展微格教學(xué)、進(jìn)行專門訓(xùn)練或者反思教學(xué)經(jīng)驗(yàn)等多種形式，將數(shù)字傳感器在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用落到實(shí)處。

第三，做到資源共享。目前，對(duì)傳感器的研究總體呈現(xiàn)出一種“多而散”的特點(diǎn)，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(xué)資源，促進(jìn)教師取得良好的研究效果。教師可以通過查閱相關(guān)資料，組建化學(xué)教研團(tuán)隊(duì)，利用現(xiàn)代化信息技術(shù)進(jìn)行線上資源分享，在平臺(tái)發(fā)表相關(guān)言論，促進(jìn)大家共同分析思考并能做到學(xué)以致用。

第四，促進(jìn)跨學(xué)科交流。因?yàn)閭鞲衅鞯膽?yīng)用需要與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，所以在應(yīng)用傳感器進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)操作時(shí)可能會(huì)遇到以下問題：傳感器如何與計(jì)算機(jī)相連？如何設(shè)置參數(shù)以呈現(xiàn)理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果？等等。遇到此類問題，教師要與相關(guān)專業(yè)的教師溝通交流，進(jìn)而合力解決問題。

將數(shù)字傳感器應(yīng)用于初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）讓枯燥乏味的理論知識(shí)“活”起來，使學(xué)生更易于把握知識(shí)點(diǎn)，了解學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的熱情。

（2）實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和化學(xué)的跨學(xué)科組合，在拓寬學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)視野的同時(shí)，加深學(xué)生對(duì)跨學(xué)科知識(shí)的把握，促進(jìn)學(xué)生學(xué)科綜合素質(zhì)的提高。

（3）通過學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、操作、觀察、整理、分析和總結(jié)的過程，提高學(xué)生整合知識(shí)的能力，逐步提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（4）借助數(shù)字技術(shù)使實(shí)驗(yàn)過程更為直接清晰，有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。

綜上，傳統(tǒng)的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往從定性角度引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)，無法及時(shí)驗(yàn)證學(xué)生對(duì)化學(xué)內(nèi)容的思考。而數(shù)字傳感器在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用將定性與定量有機(jī)結(jié)合，可提升學(xué)生的推理能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，同時(shí)促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的全面提升。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 楊蕊.數(shù)字化傳感器在初中化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用：以“二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)”為例[J].云南教育（中學(xué)教師），2020（11）：17-19.

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[4]? 徐壽友. 傳感器在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探析[J]. 新課程（中學(xué)），2018（7）：19.

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（責(zé)任編輯 黃春香）