数字化技术应用于化学实验教学的尝试

传感器技术在高中化学教学中的应用初探实验是化学的灵魂.在化学教学中,尤其是化学概念、化学理论,通过化学实验创设各种情境,有利于学生对问题的理解和深化.本文结合传感器技术在<水溶液中的离子平衡>教学中的优化选择,总结传感器技术的特点、最佳适用范围以及实验实例,在化学新课程教学改革中展开了探索与实践.新课程背景下传感器在高中化学实验中的应用研究北师大二附中郭晓雪摘要本文主要从三方面介绍了在新课程理念下将传感器应用于高中化学教学中的应用案例讨论了传感器对化学教学的影响。关键词新课程理念传感器化学实验教学数据转换一、新课程理念对化学实验教学的要求新的高中化学课程标准明确指出“通过实验探究掌握基本的化学实验技能和方法进一步体验实验探究的基本过程认识实验在化学科学研究和化学学习中的重要作用提高化学实验能力。”因此新课标理念下的高中化学教学要通过以化学实验为主的多种探究活动使学生体验科学探究过程激发学习情趣强化科学探究意识促进学习方式的转变培养学生的创新精神。二、传感器技术应用于化学实验教学是一次教学手段的革新随着课程改革的不断深化对于化学实验教学的认识也在不断深化先进的科学技术不断引入到化学实验中。利用传感器进行化学实验教学不仅开拓了现代化学实验教学的一个新的领域而且改变并弥补了传统实验方法的不足使实验不仅关注定性研究而且进行定量研究而且更符合学生的认知规律。我们传统实验过于强调直接观察让学生产生就有一种错觉一说化学实验就和烧杯、试管、酒精灯„„联系在一起看不到实验现象就不叫化学实验所以在化学实验中如果不能直接观察和看得到就好像没法做实验研究了认为真正的科学实验就是这样子。化学学科的现代化实验不是靠直接去测量观察而进行研究的一般都要变成一种物理信号然后进行转换测量和转换处理。传感器技术的引入会让学生意识到有些化学现象虽然不能直接观察到但是并不意味着它们没有发生可以借助一些工具把那些看不到的现象变得可观察、可分析。三、传感器技术在化学实验中的案例研究在化学实验中可用多种传感器如pH传感器、电导率传感器、二氧化碳传感器、温度传感器、压强传感器、色度计传感器等。通过传感器进行实验改变了以往传统的实验方法更使一些以前无法做到的实验得以实现。同时就某些知识点可以进行一些拓展实验激励学生进行探究性学习从而培养学生的自主探索、发现探究和合作学习的能力。具体主要体现在如下几个方面：一、通过传感器可以增强常规化学实验的可操作性及可观测性案例1通过以上结果可以看出碳酸钠溶于水的确伴有温度升高的现象而碳酸氢钠溶于水伴有温度降低的现象。在实验室里使用温度计和通过手触摸可以分别定量和定性的检测温度的变化但是这两种方法的灵敏度都相对比较低仅凭观察、触摸很难获得真实可靠的实验结果。而利用传感技术则大大增强了检测的灵敏度只需要很少的量就能看到很明显的实验效果。案例2在“化学平衡的影响因素”的教学过程中压强对平衡的影响是个难点。传统实验中教师往往用针筒压缩NO2气体让学生观察气体颜色的变化来体会平衡的移动但是这样的颜色变化很不明显学生观察也很不方便。压强传感器的出现很好地解决了这个问题它通过压强变化曲线图让学生更加清楚地看到压强的变化规律帮助学生更好地理解平衡移动的影响因素。[实验过程]图1压强对平衡的影响实验装置图药品质量碳酸钠温度碳酸氢钠的温度°°°°°°通过以上结果可以看出碳酸钠溶于水的确伴有温度升高的现象而碳酸氢钠溶于水伴有温度降低的现象。在实验室里使用温度计和通过手触摸可以分别定量和定性的检测温度的变化但是这两种方法的灵敏度都相对比较低仅凭观察、触摸很难获得真实可靠的实验结果。而利用传感技术则大大增强了检测的灵敏度只需要很少的量就能看到很明显的实验效果。案例2在“化学平衡的影响因素”的教学过程中压强对平衡的影响是个难点。传统实验中教师往往用针筒压缩NO2气体让学生观察气体颜色的变化来体会平衡的移动但是这样的颜色变化很不明显学生观察也很不方便。压强传感器的出现很好地解决了这个问题它通过压强变化曲线图让学生更加清楚地看到压强的变化规律帮助学生更好地理解平衡移动的影响因素。[实验过程]图1压强对平衡的影响实验装置图a、两个针筒分别充好空气和NO2气体固定在铁夹台商并连接好压强传感器b、用力向下压固定器的上木板迅速固定好双拧螺丝观察投影屏幕上的压强曲线变化图。可以观察到充空气针筒的压强曲线在螺丝固定后不再变化保持水平而充NO2气体的针筒的压强曲线在螺丝固定后逐渐下降说明平衡在向着减小压强的方向移动。c、松开针筒活塞再固定好双拧螺丝减压后再次观察压强曲线变化。可以观察到充空气针筒的压强曲线在螺丝固定后不再变化保持水平而充NO2气体的针筒的压强曲线在螺丝固定后逐渐上升也说明平衡在向着增大压强的方向移动。d、实验后将废气通入NaOH溶液中进行处理。[实验结果]：二、通过传感器可以对教材内容进行拓展实验。在高中化学中有一些比较重要的章节因其内容的理论性、抽象性比较强又没有可操作性的实验导致其在传统教学中很难让学生理解透。例如新课程选修模块4“化学反应原理”中的“弱电解质的电离”这一节一直被视为教学难点。通过传感器实验具有了可操作性。可以利用电导率传感器和PH传感器通过采集实验数据绘制相关曲线让学生理解透强弱电解质的概念并将冰醋酸溶于水的抽象过程转化成一个具体的可观测的量化过程。以下是对本节内容的一些相关探究实验。实验探究1温度对电离平衡的影响【实验过程】在两个小烧杯中分别加入等浓度等体积的醋酸溶液一份在常温下测其PH值另一份放在水浴中加热等微热后测定其PH值。【实验结果】常温PH=微热PH=实验探究2浓度对电离平衡的影响【实验过程】在常温下将2ml的醋酸溶液用蒸馏水稀释100倍后测其稀释前后PH值的变化。【实验结果】稀释前PH=稀释后PH=【实验过程】在常温下将冰醋酸用蒸馏水不断稀释利用电导率传感器观察稀释前后溶液电导率随浓度变化的曲线图。【实验结果】实验探究4同浓度、同体积的盐酸溶液、醋酸溶液中分别加入足量镁条、观察比较反应速率的快慢和变化同PH、等体积的盐酸溶液、醋酸溶液中分别加入足量镁条、观察比较反应速率的快慢和变化。实验说明用PH传感器将盐酸和醋酸配成相同PH的溶液在和镁条反应之前将其数值显示在大屏幕上PH=,增加实验的真实性。利用传感器技术把弱电解质的电离过程以量化的形式真真切切地展现在了学生地面前。将操作实验带来的兴趣随之带入了对于问题的思考中。有数值和图的读取学生解决问题就相对容易了这就是传感器实验所带来的独特的优势从学生更容易感知、理解的角度探讨了弱电解质电离的宏观表现形式。另外在整个实验过程中还培养了学生的观察能力和图像分析的能力。三传感器可以作为研究性学习的一个在新课程改革中“研究性学习”的重要性受到强调传感器可以为研究性学习提供工具支持。比如野外采样如果不用传感器实验系统在数据采集和处理上是难以实现的。而借助于传感器可以使实验变得简单且容易认知。仪器会自动显示给学生清晰的实验结果而不需进行复杂的数据处理工作。以下是用传感器进行研究性学习的一个案例利用二氧化碳传感器对教室内二氧化碳浓度进行测定。【实验目的】在一般空间的洁净空气中CO2含量约占%左右但如果达到%—%使人感到不适如果浓度达到2%使人头痛恶心血压升高达到5%会使人窒息。冬天门窗关闭的上课教室CO2的浓度比较高。有必要测定其含量。【实验方法】利用二氧化碳传感器对课前课后教室内二氧化碳的含量进行监测【实验数据及分析】四节课的二氧化碳浓度含量如下表所示表2二氧化碳含量变化记录表第一节第二节第三节第四节课前课后【实验体会】利用传感器学生很容易的就获得了课前课后教室内二氧化碳含量变化的数据,它不受时间空间的限制操作简单数据真实可靠将实验从定性分析上升到了定量分析。通过此次探究性学习让学生认识并会使用新型仪器培养了学生的科学态度、创新精神及社会责任心使学生学会关心环境、关心社会并对室内的空气清洁提出许多合理化的建议。四、传感器技术应用于化学实验教学的前景展望丰富的传感器可以增强学生的实践体验,信息化的实验手段可以拓展学生探究日常生活中化学变化的能力。利用传感技术较高精度的测量可以检测反应过程中许多实验现象或物理参数的微弱变化通过设定不同的采集速率使我们就像电影中的慢镜头一样来研究瞬间反应中的细微变化像快镜头一样来浓缩历时较长的化学变化过程。同时由于传感技术多种指标的检测功能使一批原理简单、操作复杂的定量实验变得简便易行可供中学化学教学选用。例如化学平衡常数的测定、化学反应速率的测定、含铁物质中铁元素含量的测定、影响淀粉和碘的显色因素等。这些定量实验的引入对于学生定量研究意识和能力培养将起到积极地促进作用。参考文献[1]钱扬义.手持技术在理科实验中的应用研究.北京:高等教育出版社,2022:229-233[2]王磊魏锐《传感技术-化学实验探究手册》北京师范大学出版社2022年[3]邓锋钱扬义.化学教育202227637—39[4]邓锋钱扬义.化学教育202230135—37[5]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书.化学必修1、选修4.数字化技术应用于化学实验教学的尝试浙江省宁波镇海区龙赛中学武玉强315201摘要：数字化技术能为我们的常规化学实验教学带来什么？它为化学实验课堂的转型、课堂教学效益的提升提供了怎样的可能性？文章介绍了数字化技术的特点、数字化技术应用于实验课堂教学的尝试，提出了数字化技术与化学实验教学整合的方法与策略。关键词：化学实验探究性实验教学数字化技术一、化学实验教学是化学学科的灵魂化学是一门以实验为基础的自然科学。化学科学的形成和发展离不开实验，化学实验教学是化学学科的灵魂，是化学课程的魅力和激发学生学习兴趣的重要源泉。通过实验不仅能使学生加深理解、巩固化学基础知识，而且可以培养学生形成科学的思维方式，掌握科学的研究方法。同时也是培养和发展学生观察能力、探究能力、思维能力和创新能力的重要方法和手段。二、探究性实验教学是新课程的重要内容新课改中，科学探究作为重要的理念被列入课程目标和内容标准之中。因此探究性实验教学多被推崇和广泛运用。科学探究的基本模式是：问题--观察--假定--推理--检验。探究性实验是指在教师指导下，学生围绕某个问题独自进行实验，观察现象，分析结果，从中发现科学概念或原理，以获得知识的一种教学活动。但探究性实验活动需要大量时间，且过于注重了严谨的实验操作、实验现象与实验结果，却忽视了整个实验过程中隐含的深层次原理的理解和体验。三、让数字化技术为探究性实验插上“翅膀”数字化技术就是依靠计算机、数据采集器、传感器等仪器设备进行实验分析与探究的活动。化学实验教学过程中，数字化技术的应用改变了教师传统的化学实验理念，规范了教师实验的行为，实现了高中化学教学的新革命。数字化技术应用于探究性实验，这是学生接触到了除试管、烧杯之外更加先进的实验器材和操作。这种全新的探究方式，激发了学生探索的兴趣。该技术利用特殊设备，通过便捷简单的手段可以获得实时、定量、连续、精确的实验结果，同时对数据进行分析整理，更好的阐述原理。其中结合数据和曲线，学生可以直接观察实验的动态变化过程，从数据中体验化学微观世界的变化，帮助学生从定性认识转变到定量思维，提高了课堂教学效率。它的快速直观，缓解了课堂教学时间紧张的问题。它的灵活、方便、易用改变或解决了部分传统探究实验过度要求规范操作导致的重细节忽视整体实验过程深层次体验的问题，即从原来关注实验现象与结果转变成关注实验过程与原理。在定性实验中引入了定量要素，把很多原来只能意会的问题数字化、外显化，使实验更趋于真实情境，使推论变得真实可信，加深了对知识的理解，从而达到良好的实验教学效果。它的引入使知识的生成过程情景化、问题化、活动化和趣味化，提高了学生学习化学知识的兴趣和热情。也培养了学生实验操作与处理数据的能力。培养了学生的科学素养。四、数字化实验教学的实践与尝试数字化实验在我校虽起步较晚，但大家兴致盎然。探究化学实验室里，摆放着学校采购来的部分数字化实验器材。为更早、更快地应用于实验教学，学校组织化学组全体成员去上海外国语大学附属中学，参加了全国化学数字化实验教学应用成果交流与培训。随后还邀请威尼尔厂家的专家来我校进行了具体指导。目前就数字化技术如何应用于探究性实验教学，如何与课堂教学更为合理、紧密地整合，我校化学教师正在进行着积极的实践与探索。我们将数字化技术手段尝试应用于下列探究性实验中，现列举如下：序号数字化实验案例相关化学理论传感器1溶质在溶解过程中的能量变化现象化学变化中的能量变化温度传感器2中和反应中的热效应3溶液酸碱度测定电解质溶液、强弱电解质、盐类水解pH传感器4各种溶液导电性的测定电导率传感器5强弱电解质的鉴别pH传感器、电导率传感器6酸碱中和滴定pH传感器、滴数传感器7温度对弱电解质电离的影响pH传感器、温度传感器8活泼金属与酸反应的速率化学反应速率、化学平衡理论气压传感器数字化技术将实验的动态过程直观地显示在大屏幕的图像中。让人一目了然。理论上，新课程中有不少探究性实验可用数字化实验实现，这将是我们要去逐一探索实践的。五、数字化技术与化学实验整合的方法与策略1、将传统的定量实验数字化新课程中许多经典的定量实验，可以寻求更先进的数字化技术的突破与支持。如测定大理石与盐酸反应生成二氧化碳的化学反应速率。2、将粗略的定性实验数字化新课程中许多定性实验比较粗略，如浓硫酸有强氧化性，但浓度至少为多少时才可称为浓硫酸？铝与氢氧化钠溶液反应，氢氧化钠溶液浓度多大才可以？钢铁的吸氧腐蚀条件是表面水膜酸性很弱或呈中性、并溶解有一定量的氧气。表面水膜酸度较高时发生析氢腐蚀，那么水膜PH值在什么范围发生析氢腐蚀？在什么范围发生吸氧腐蚀？等等。3、将难于观察的实验数字化肉眼难以观察的现象，可以借助传感技术来帮助。如NO2和N2O4平衡移动问题，观察颜色变化不明显，可以借助压强传感器测压强来判断。4、将难以证明的实验数字化有些证明化学原理的实验存在理论上的问题或操作上的困难，可以用数字化技术这把利剑。例如如何证明碳酸钠与盐酸反应是分两步进行的，可以借助PH传感器测定PH值来把握。六、让传统实验与数字化实验互补而相得益彰基于中学化学教学的需要，传统实验有它的优势也有它的不足，数字化实验也一样，两者不可偏废。实际教学中若能将两者恰当地结合，将会使实验教学更加完美。实际教学中，可以从传统试管实验展开探究讨论，提出问题后设计数字化实验进行验证、探究。如同浓度的1mol/l