手持技術數字化實驗在化學教學中的應用

李茂熾 但世輝

“手持技術數字化實驗”是依托由傳感器、數據采集器和裝有配套軟件的電腦端組成的收集與處理實驗數據的信息技術系統，進行實驗的一種實驗手段。該實驗手段不但簡化了實驗操作，而且能夠定量收集溫度、pH值、電導率、壓強、氧氣濃度等實驗數據，并以圖表等可視化形式呈現實驗結果，有利于學生探析微觀世界，認知抽象概念，提高學習興趣和信息技術應用能力。數字化實驗能夠在哪些方面服務于初中化學教學呢？

一、豐富驗證性實驗的檢測手段

驗證性實驗是實驗者在對研究對象有一定認知的基礎上提出假設，并驗證假設是否正確的實驗。這種實驗重在實驗操作的設計和實驗結果的分析，而非實驗探究的過程，適合依托數字化實驗來實現。

以次氯酸分解（HClO？2HCl+O2↑）實驗為例。該實驗需要驗證是否有氧氣生成，若用傳統實驗方法，學生要先收集生成的氣體，再用帶火星的木條能否在氣體中復燃來檢驗氧氣是否存在。理論上學生會看到木條復燃，但實際操作中情況并不理想。由于次氯酸分解生成氧氣的速率很慢，大概需要5分鐘才能收集到足夠使木條復燃的氧氣，并且次氯酸分解的條件為光照，倘若遇上陰雨天則實驗耗時更長，不利于課堂教學。這是傳統實驗方法難以克服的問題。鑒于此，教師可以在教學中引入數字化實驗，將探測溶解氧的傳感器放入次氯酸溶液中，再連接上數據采集器和筆記本電腦（如圖1），借助數字化實驗的數據可視化優勢，讓學生在極短的時間內通過電腦屏幕看到隨著次氯酸的分解，溶解氧含量逐漸增多的情況（如圖2）。

數字化實驗的過程不需要光照，用時較少，操作簡單，實驗數據直觀、清晰，學生很容易通過實驗數據分析出實驗有氧氣生成，有利于達成學習目標。

二、簡化探究性實驗的研究過程

探究性實驗是實驗者在不知曉實驗結果的前提下，通過自主探究得出實驗結論，進而形成科學概念的一種認知活動。傳統實驗教學往往按照“理論分析—設計實驗—完成實驗并觀察現象—得出結論”的程序進行。這種模式下，學生需要記錄和分析多個實驗現象，探究過程比較復雜煩瑣，而且，學生對實驗結果的分析帶有“猜測”意味，歸納出的實驗結論往往具有片面性。以探究“鈉和水反應時水面上形成的白色物質”實驗為例。傳統實驗用濕潤的酚酞試紙檢驗鈉和水反應產生的白色煙霧，實驗者可以清晰地觀察到試紙變紅，但此操作只能證明白色煙霧是一系列堿性物質，它到底是Na2O、NaOH，還是Na2CO3，則無法準確判定。教師如果引導學生借助數字化實驗展開探究，用濕度傳感器和pH傳感器收集實驗數據，學生就可以通過生成的圖像直觀地看到白色煙霧的濕度先上升后下降的變化趨勢（如圖3），以及白色煙霧的堿性先快速變強再略有下降的變化趨勢（如圖4）。

根據圖4第5～10秒所示圖像分析，濕度上升的原因是鈉和水反應放熱，放出的熱量導致水蒸氣揮發。同時，分析圖3和圖4第12秒左右的圖像變化可知，放出的熱量使金屬鈉揮發，在空氣中和水蒸氣反應生成氫氧化鈉，消耗了水蒸氣而使空氣中的濕度下降，并使白色煙霧中的氫氧化鈉溶液的濃度變大、堿性快速變強，而在第12秒之后，隨著白色煙霧散開，其濕度和堿性自然下降。由此，學生得出結論：鈉和水反應生成的白色物質是由水蒸氣及受熱后揮發出來的鈉原子和氧氣反應生成的氫氧化鈉構成的混合體系。

數字化實驗手段使實驗探究過程更簡潔，實驗現象有數據支持，增強了實驗結論的準確性和可信度。

三、擴展研究性學習的項目內容

化學教學中，研究性學習指學生在教師的指導下，依據研究問題，分組獨立完成文獻查閱、方案設計、實際操作、數據處理、結論整理等實驗環節，從而掌握豐富的化學知識和科學的實驗研究方法、體會到小組合作重要性的學習過程。中學生可以借助數字化實驗設備攜帶方便、操作簡單、結論精準等優勢，高質量地完成相關研究。

以“測定果蔬中維生素C含量”研究性學習為例。傳統的碘量法實驗中，隨著碘單質的加入，溶液中的維生素C還原碘單質，溶液逐漸由無色變為紫色（碘單質溶于水呈現紫色），變色時即為滴定終點，找到了滴定終點，就可以進一步計算所測溶液中維生素C的含量。傳統實驗手段最大的阻礙在于溶液顏色的變化很難觀察，這意味著滴定終點很難把握，可能導致實驗數據測量不精準。教師借助數字化實驗手段，結合氧化還原電位滴定法展開實驗，就可以解決上述問題。

在氧化還原滴定實驗中，隨著氧化劑碘單質的加入，溶液中的維生素C被氧化，溶液中氧化態物質和還原態物質的濃度逐漸變化，電位也會隨著變化，這樣就可以精準記錄電位變化的數據，從而準確判定滴定終點。教師可以引導學生用電勢電位傳感器記錄電位的變化，用滴數傳感器記錄標準碘溶液的消耗體積，進而根據生成的“電勢電位—體積”圖像，計算所測溶液中維生素C的含量。基于以上原理，教師可以設計不同的研究問題，如比較幾種常見果蔬中維生素C含量的高低、研究外界條件對橙汁中維生素C含量的影響等，引導學生結合數字化實驗展開研究性學習，并將研究結果應用于膳食指導。

由此可見，數字化實驗可為學生創設真實的問題情境，有助于提升學生探究的興趣，提高學生的化學核心素養。

（作者單位：李茂熾，襄陽市教育科學研究院；但世輝，襄陽市東風中學）

［本文系湖北省教育科學規劃2021年度重點課題“數字化實驗在中學化學教學中的實踐策略研究”（課題編號：2021JA147）和中國教育裝備行業協會教育裝備研究院2022年度教育裝備科研課題“手持技術實驗在內陸欠發達地區中學化學教學中的實施策略研究”（課題編號：CEFR22031R26）的階段性成果］