數(shù)字傳感器在初中化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用
——以“物質(zhì)在水中的分散（二）”一課為例

江蘇常熟市周行中學(xué)（215500）張圣杰

一、教學(xué)思路

“物質(zhì)在水中的分散（二）”是滬教版九年級化學(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)溶解時的能量變化和水溶液的某些性質(zhì)。教學(xué)中，教師設(shè)計3 個“活動與探究”活動幫助學(xué)生認識物質(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)生對此已有初步的了解。同時，學(xué)生已具備初步的觀察、描述實驗現(xiàn)象的能力和一定的邏輯思維能力。在具體的實驗教學(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)，實現(xiàn)定性與定量的結(jié)合呢？本文主要以三個“活動與探究”活動展開詳細論述。

二、主要教學(xué)活動

【活動與探究1】實驗探究硝酸銨、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 人一組進行分組實驗。每個小組均提供燒杯（3 個）、溫度傳感器、水（30 mL）、玻璃棒、藥匙、硝酸銨、氯化鈉和氫氧化鈉。各小組利用實驗器材展開實驗，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，最后展示實驗結(jié)果。

教學(xué)設(shè)想：通過小組合作共同設(shè)計實驗，提高學(xué)生的團隊合作能力，培養(yǎng)學(xué)生實踐操作的能力；通過實驗結(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：從實驗數(shù)據(jù)記錄中選擇學(xué)生趨于一致的實驗結(jié)果進行展示（如表1）。

表1 實驗結(jié)果展示

整理歸納：不同的物質(zhì)在水中溶解時，通常會產(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，溶于水時的溫度變化也不盡相同。有些物質(zhì)在水中溶解會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)在水中溶解會吸熱使溶液溫度降低，如硝酸銨；有些物質(zhì)在水中溶解時溫度基本不變，如氯化鈉。這樣進行整理歸納，可加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解。

【活動與探究2】探究水溶液的導(dǎo)電性。

1.1.1 供試小麥品系 供試材料為早熟冬小麥品系冬育5號(寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)作物研究所育成)。冬育5號經(jīng)過多年生產(chǎn)試驗，表現(xiàn)良好，是目前寧夏引黃灌區(qū)表現(xiàn)早熟、穩(wěn)產(chǎn)的冬小麥新品系，是近年來寧夏引黃灌區(qū)“一年兩熟”制的主栽冬小麥品系。

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)電性實驗裝置并加以改進。給各小組提供5 個燒杯，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)率傳感器分別進行測定并記錄數(shù)據(jù)，小組匯報實驗結(jié)果。

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

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

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)電能力也會有所區(qū)別。首先，溶液的導(dǎo)電能力與電解質(zhì)的強弱有關(guān)，強電解質(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，強電解質(zhì)的導(dǎo)電能力強于弱電解質(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，帶電荷數(shù)多的粒子溶液導(dǎo)電能力強于帶電荷數(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，離子濃度越大的溶液其導(dǎo)電能力越強。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)課的實驗中，我們認識到某些物質(zhì)在水中溶解時能生成自由移動的離子，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的Na+和Cl-，稀硫酸溶液中含有大量自由移動的H+和，所以食鹽溶液和稀硫酸溶液能夠?qū)щ姡欢崽侨苡谒螅苑肿拥男问酱嬖谟谒校荒苄纬勺杂梢苿拥碾x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)生加深對水溶液導(dǎo)電性的理解。此外，還可進一步拓展到金屬能導(dǎo)電的原因，讓學(xué)生學(xué)會舉一反三。

【活動與探究3】探究水溶液的凝固點。

在標準氣壓下，純水的凝固點是0 ℃，沸點是100 ℃，那么當蔗糖、食鹽在水中溶解時其凝固點如何變化呢？純水、蔗糖溶液和食鹽溶液在低溫凝固時會在容器外壁產(chǎn)生冰霜，由于外部條件不易控制極易對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，而僅利用演示實驗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，教師在探究水溶液凝固點的實驗中引入了溫度傳感器。溫度傳感器可將實驗過程中溫度的探測情況實時顯示于屏幕上，便于學(xué)生感知水溶液凝固時的溫度變化，這樣可避免冰霜現(xiàn)象或其他人為因素對實驗結(jié)果造成影響。為了讓學(xué)生對水溶液的凝固點有深刻的理解，教師給每個小組各提供1個燒杯、3支試管、3種溶液以及1 臺溫度傳感器，由小組各自設(shè)計實驗，分組觀察并分別記錄溫度傳感器中數(shù)值的變化，匯總實驗結(jié)果并派代表對實驗結(jié)果進行展示。

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的溫度，并應(yīng)用溫度傳感器直觀準確地呈現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)，減小傳統(tǒng)實驗中存在的誤差。

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

表2 實驗結(jié)果

圖2

通過實驗操作，學(xué)生得出了純水的凝固點是0 ℃，蔗糖溶液的凝固點是-2.6 ℃，食鹽溶液的凝固點是-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)知識理論性較強，學(xué)生僅憑借直觀想象是很難理解的。在實驗中應(yīng)用數(shù)字傳感器，可將看不見的知識外顯，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。

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)實驗中有著巨大的應(yīng)用價值，但并不適用于所有實驗。比如在進行燃燒實驗時，學(xué)生需要觀察燃燒現(xiàn)象，而非燃燒中溫度的變化，如果教師在燃燒實驗中應(yīng)用溫度傳感器，不僅會加大實驗難度，還不符合燃燒實驗的初衷，本末倒置。此外，有些實驗雖然應(yīng)用數(shù)字傳感器能很快得出結(jié)論，但應(yīng)用傳統(tǒng)實驗方式更能達到教材設(shè)計的目的。比如測定空氣中的氧氣，在傳統(tǒng)實驗中能讓學(xué)生著重學(xué)習(xí)壓強變化會使氣體或液體流動，而數(shù)字傳感器就無法達到這一教學(xué)目的。

第二，學(xué)會分析思考。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)者對傳感技術(shù)進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)認真分析如何讓數(shù)字傳感器在化學(xué)實驗中發(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、開展微格教學(xué)、進行專門訓(xùn)練或者反思教學(xué)經(jīng)驗等多種形式，將數(shù)字傳感器在化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用落到實處。

第三，做到資源共享。目前，對傳感器的研究總體呈現(xiàn)出一種“多而散”的特點，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)教研團隊，利用現(xiàn)代化信息技術(shù)進行線上資源分享，在平臺發(fā)表相關(guān)言論，促進大家共同分析思考并能做到學(xué)以致用。

第四，促進跨學(xué)科交流。因為傳感器的應(yīng)用需要與計算機技術(shù)相結(jié)合，所以在應(yīng)用傳感器進行具體實驗操作時可能會遇到以下問題：傳感器如何與計算機相連？如何設(shè)置參數(shù)以呈現(xiàn)理想的實驗結(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，進而合力解決問題。

將數(shù)字傳感器應(yīng)用于初中化學(xué)實驗教學(xué)中能實現(xiàn)以下目標：

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

（2）實現(xiàn)計算機和化學(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，加深學(xué)生對跨學(xué)科知識的把握，促進學(xué)生學(xué)科綜合素質(zhì)的提高。

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

（4）借助數(shù)字技術(shù)使實驗過程更為直接清晰，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)實驗教學(xué)往往從定性角度引導(dǎo)學(xué)生認識實驗，無法及時驗證學(xué)生對化學(xué)內(nèi)容的思考。而數(shù)字傳感器在初中化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用將定性與定量有機結(jié)合，可提升學(xué)生的推理能力、創(chuàng)新能力和實踐能力，同時促進學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的全面提升。