數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在空氣組成中的教學(xué)研究

孫覓覓

摘要：在大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)字化傳感器與化學(xué)教學(xué)的融合越來(lái)越受到人們的關(guān)注。本文以《空氣中氧氣含量的測(cè)定》這一節(jié)課為載體，由于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)存在各種局限性和誤差性，故筆者借助數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與圖像的有機(jī)結(jié)合，在獲得更為科學(xué)性結(jié)論的同時(shí)，還能提高課堂效率，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化傳感器;氧氣含量;課堂效率

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的組成和特征

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是指用傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)以及相關(guān)軟件進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

（一）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的組成

現(xiàn)代的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、專(zhuān)業(yè)軟件、傳感器和采集器幾部分組成，其中傳感器是作為整個(gè)系統(tǒng)的核心。工作人員做實(shí)驗(yàn)時(shí)，所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)都是由傳感器的探頭獲得，如氣體的壓力、溫度，濃度等。再通過(guò)數(shù)據(jù)采集器，將傳感器在實(shí)驗(yàn)時(shí)所獲得的相關(guān)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所需要的數(shù)字信號(hào)并完成輸送，最終在由專(zhuān)業(yè)軟件將這些數(shù)據(jù)處理成工作人員所需要的數(shù)值或者圖像。

（二）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的特征

方便操作與攜帶，能夠?qū)崟r(shí)地反饋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這些都是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)所獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)多個(gè)傳感器同時(shí)連接同一個(gè)數(shù)據(jù)采集器時(shí)，還可以同時(shí)提供各種不同的數(shù)據(jù)，并且都能及時(shí)的反饋，這使得不同學(xué)科在學(xué)術(shù)交流上起到了促進(jìn)的作用。由于傳感器的技術(shù)含量高，一般來(lái)說(shuō)所測(cè)得到的數(shù)據(jù)都是非常精準(zhǔn)的，能滿足不同學(xué)科的交流和學(xué)習(xí)。

根據(jù)現(xiàn)有的研究和筆者個(gè)人的感受，總結(jié)出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具有以下特征：

（1）高效性：方便快捷的優(yōu)點(diǎn)大大提高了課堂教學(xué)效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常直觀明了，很大程度上節(jié)省了學(xué)生記錄數(shù)據(jù)與繪制圖像的時(shí)間，讓學(xué)生能夠更大程度地參與進(jìn)實(shí)驗(yàn)的分析中來(lái)，能讓學(xué)生更多的發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題，并提高學(xué)生思考與解決問(wèn)題的效率與能力。

（2）直觀性：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀呈現(xiàn)，讓初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)變得豐富。傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)往往現(xiàn)象不夠明顯，難以說(shuō)服學(xué)生。而傳感器是一種很靈敏的工具，可以檢測(cè)到微弱的信號(hào)，將不明顯的現(xiàn)象以數(shù)據(jù)形式放大，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。另外，圖像的呈現(xiàn)可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程當(dāng)中，直觀清晰地分辨出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化曲線，讓學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)有一個(gè)更透徹的理解。

（3）綜合性：切實(shí)提高學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的探索能力。初中階段的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，大多是對(duì)書(shū)本知識(shí)的驗(yàn)證，學(xué)生沒(méi)有參與到知識(shí)的探索當(dāng)中。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生很好地參與到探究性實(shí)驗(yàn)當(dāng)中來(lái)，老師提出問(wèn)題，學(xué)生經(jīng)過(guò)思考與討論，然后利用數(shù)字化儀器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。讓他們參與到知識(shí)的探究當(dāng)中來(lái)，提高他們的主動(dòng)積極性。

二、 空氣中氧氣含量測(cè)定方案研究

早在200多年前，我們偉大的科學(xué)家拉瓦錫就用看得見(jiàn)的汞的體積來(lái)表示看不見(jiàn)的氣體體積的變化。但由于汞有毒，并不是實(shí)驗(yàn)室的最佳藥品。課本中為什么選擇紅磷，而不是木炭、鐵絲、鎂帶等藥品呢？因?yàn)槟咎繒?huì)與空氣中的氧氣反應(yīng)而生成二氧化碳?xì)怏w，會(huì)彌補(bǔ)消耗掉氧氣的氣體，對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾。鐵絲只在純氧環(huán)境中才能燃燒;鎂不僅能和空氣當(dāng)中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，還能在與氮?dú)獍l(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氮化鎂固體，同時(shí)還能和二氧化碳?xì)怏w發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鎂以及碳單質(zhì)這兩種物質(zhì)，所以在選擇藥品的時(shí)候，要選擇只能與氧氣發(fā)生反應(yīng)的藥品，同時(shí)滿足生成物是固體或者液體的藥品。很多人認(rèn)為紅磷是最佳選擇，而且筆者在準(zhǔn)備授課教材的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)許多教科書(shū)中都提到了過(guò)量的紅磷可以把集氣瓶里面的氧氣消耗殆盡，實(shí)際結(jié)果卻大相徑庭。在當(dāng)紅磷熄滅時(shí)，集氣瓶里依然會(huì)殘留許多的氧氣。所以，用紅磷測(cè)定空氣中氧氣的含量是不準(zhǔn)確的。究竟是不是這樣呢？就需要用到氧氣傳感器了來(lái)驗(yàn)證，將它通過(guò)數(shù)據(jù)采集器連接到電腦，就可以實(shí)時(shí)地、準(zhǔn)確地測(cè)定氧氣含量了。

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)空氣中氧氣的初始值是20.05 %，點(diǎn)燃紅磷后迅速放入集氣瓶中，此時(shí)氧氣受熱膨脹含量回到初始值，之后很快下降到最低點(diǎn)8.67 %，說(shuō)明集氣瓶中氧氣被消耗，最后溫度在9.36 %。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，過(guò)量的紅磷并不能將集氣瓶里的氧氣全部消耗殆盡，這主要是因?yàn)榧t磷的著火點(diǎn)為240 ℃，而當(dāng)氧氣的含量降低到一定量時(shí)，氧氣燃燒所釋放的溫度不足以達(dá)到240 ℃，此時(shí)紅磷熄滅。所以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是可以讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)課本當(dāng)中所提到的實(shí)驗(yàn)是有問(wèn)題存在的，對(duì)于探索新的科學(xué)知識(shí)，我們一定要保持著質(zhì)疑的態(tài)度。這時(shí)，教師也可以提出新的問(wèn)題，比如在密閉的環(huán)境當(dāng)中，找出燃燒可以完全消耗密閉環(huán)境當(dāng)中氧氣的物質(zhì)，讓學(xué)生們?nèi)ふ倚碌目梢詼y(cè)定氧氣含量的科學(xué)方法，以此來(lái)打開(kāi)學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證思維。

通過(guò)實(shí)踐證明初中階段的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)完全可以把數(shù)字化傳感技術(shù)融入進(jìn)來(lái)，作為傳統(tǒng)課堂教學(xué)的升級(jí)，對(duì)于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，以及教師教學(xué)水準(zhǔn)和職業(yè)素養(yǎng)的提升都有顯著的作用。但是，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理以及圖像分析對(duì)于初中生來(lái)講難度太大，如何將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相融合，是接下來(lái)教師應(yīng)該思考和解決的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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