手持技術在高中化學教學中的應用

中圖分類號：G633.8 文獻標志碼：B 文章編號：1673-4289(2012)01-0020-03

手持技術是利用傳感器、數據采集器、計算機(含軟件)三者連接，對實驗體系中某種(或某幾種)物理參數進行實時測量，從而用于研究化學問題的實驗裝置。具體過程是傳感器測量物理參數，由數據采集器采集、處理并傳給電腦，由專門軟件自動繪圖，可直接投影至屏幕上。由于尚處于起步應用階段，所以在我國這一技術的名稱還未統一，目前可將這些名稱分為技術范疇的名稱和裝置范疇的名稱兩部分，如表1。統計發現，其中手持技術和數字化探究實驗室是目前的主流名稱。

張倩等(2011)將我國的手持技術研究分為：案例開發、理論研究和前沿研究三個階段，其中我國從事基礎教育的廣大一線化學教師最為關注的是案例開發階段，因為它是一項新興教育技術能否在基礎教育領域得以發展的基礎。根據在新課程教學中的實踐途徑的不同，又可將案例開發分為：常規教學的創新、傳統實驗的改進和開展研究性學習和科學探究活動三個方面。

一、手持技術在常規教學中的創新應用

有別于傳統教學對于某些知識(特別是概念原理知識)只能單純依靠教師講授，手持技術教學能夠設計出一些新實驗，通過實驗直接測量物理量的變化，將微觀問題以數據、圖表形式直觀地呈現，還學生以真實的實驗探索過程。

(一)手持技術在概念原理教學中的應用

白濤(2010)設計了基于手持技術的探究式教學流程進行“電離平衡”教學，利用手持技術進行實驗，驗證醋酸溶液確實存在電離平衡。

在學生對比化學平衡。猜想出弱酸的電離過程可能存在電離平衡后，教師對等離子濃度(其實是活度)的稀鹽酸、稀醋酸分別進行稀釋，測量稀釋過程電導率(溶液離子活度的表征)變化情況。實驗裝置如圖1左圖。

實驗后得到的實驗曲線如圖1右圖，教師先行提問：為何離子濃度會下降?學生回答溶液體積增大，然后教師讓學生提問。學生可能提問：為何醋酸離子濃度下降得比鹽酸慢?然后學生經過思考自己回答這一提問。這樣，學生在思維深度參與的過程中，通過這一實驗間接驗證了自己的猜想，也為溶液稀釋對電離平衡的影響奠定了教學基礎。

隨后，還可進一步進行冰醋酸稀釋離子濃度變化的猜想，進行實驗得到圖2曲線。根據上述實驗，這時學生便自行分析出離子濃度受溶液體積和平衡移動的雙重影響，前半段平衡移動影響占主導，后半段溶液體積影響占主導。

白濤等(2011)還設計了基于手持技術的“離子反應及其發生條件”教學。該教學讓學生預測稀Ba(OH)₂溶液與稀H₂SO₄溶液混合過程的現象和離子濃度的變化，并讓學生設計實驗驗證。學生根據常規實驗只能通過指示劑變色和白色沉淀生成驗證進行。這時教師介紹電導率傳感器可以表征稀溶液離手濃度(活度)。當稀H₂SO₄溶液遂滴滴人稀Ba(OH)₂溶液時，學生可以觀察到離子濃度下降，離子濃度接近最低點時酚酞“突然”褪色，當離子濃度“幾乎”為零后，又“反常”升高。(如圖3上圖)學生面這些問題，產生強烈的探究欲和認知沖突。這時教師可以引導學生逐層展開探究，還可進一步讓學生預測稀Na₂SO_{4溶液滴入稀Ba(OH)2溶液后離子濃度的變化，并展開探究。(如圖3下圖)}

(二)手持技術在元素化合物教學中的應用

傳統實驗在元素化合物教學中已十分成熟，大多沒有必要使用手持技術進行教學活動，但遇到少數知識傳統實驗無法展開而只能通過教師講授時，可考慮能否使用這一技術。例如在進行濃硫酸特性教學時，脫水性可通過濃硫酸與有機物反應設計實驗，如濃硫酸在紙上寫字、“黑面包”實驗等，但吸水性卻不容易設計實驗。有人利用天平測量暴露于空氣中的濃硫酸質量的變化來進行實驗設計，但實驗需較長時間，必須使用精密的電子天平，且不易更換教室進行教學。鄭胤飛(2009)采用相對濕度傳感器可以對比測量濃硫酸具有吸水性，稀硫酸不具有。如圖4左圖是該實驗的實驗裝置，右圖實驗組插入濕度傳感器后相對濕度下降至12％左右。

總之，手持技術應用于常規教學時，能設計出有別于傳統實驗的新實驗，創造出更多更廣的探究素材，讓學生在對實驗數據和曲線進行探究的過程中獲取知識、培養能力、發展智力。

二、手持技術對傳統實驗的改進

手持技術有別于傳統實驗，具有多樣化的傳感器，精密的測量手段，強大的數據處理方式等諸多優點。如果在較成熟的傳統實驗中利用手持技術進行改進，有時會取得事半功倍的效果。

《化學反應原理》與《實驗化學》中都涉及讓學生繪制酸堿中和滴定曲線，傳統實驗使用pH試紙和坐標紙進行，除操作誤差外，還會帶來諸如pH讀數時色彩感知誤差、坐標繪制誤差，特別是讓學生通過oH試紙便繪制出“滴定突躍”，其困難程度可想而知。改用pH傳感器實時測量滴定過程pH變化，并利用軟件記錄數據、繪制曲線，避免了較大誤差的出現，如圖5分別是強堿滴定一元酸和二元酸的滴定曲線。

《化學2》中甲烷與氯氣的取代反應歷來是中學的難點實驗，很多教師都對該實驗進行過改進，傳統實驗能觀察到液面上升和器壁有油珠兩個現象。然而，油珠不易觀察，教師往往通過液面上升讓學生猜想“有HCl生成并溶于飽和食鹽水”來進行探究。而胡愛彬(2009)利用pH傳感器測量，氯氣溶于水的pH和等量氯氣與甲烷充分光照后產物溶于水的pH，發現后者酸性比前者強，從而從另一角度得出生成HCl。

《化學反應原理》中壓強對化學平衡的影響，魯科版教材實驗用吸滿NO₂的封閉注射器，推拉活塞觀察顏色變化進行實驗。做過這一實驗的老師都知道。肉眼很難看出那細微的顏色變化，但利用色度計便可測量這一細微變化。如圖6是利用色度計進行實驗測量的曲線，可以看出加壓時，體系顏色先變深后變淺，減壓時，體系顏色先變淺后變深。

總之，手持技術應用于傳統實驗的改進中，能通過現代傳感技術與傳統實驗的結合，避免傳統實驗不精確的缺點，如利用pH傳感器代替pH試紙，溫度傳感器代替溫度計等，使得新技術與傳統實驗互相補充，從而設計出更新更好的實驗用于新課程教學，也為教師專業化發展提供新的方向。

三、手持技術在研究性學習中的應用

在《化學與生活》和研究性學習的教學中，還可利用手持技術進行化學與生活、化學與科技、化學與環境等方面的相關研究。錢揚義等(2006)提出了開發基于手持技術研究性學習案例的5個維度，即解決傳統實驗難點，減輕認知難點，探究社會熱點，研究量變關系。拓展實踐空間。

具有代表性的有：錢揚義等(2005)利用手持技術探究影響大氣“溫室效應”的因素，他們利用溫度傳感器開展的測量N₂、O₂、CO₂、空氣四種氣體在太陽光照射下的溫度變化，及不同濃度CO₂在太陽光照射下的溫度變化等研究，得出CO₂是上述氣體中對大氣“溫室效應”貢獻強度最大的氣體，如圖7。江世忠等(2006)繼續利用上述方法探究甲烷的溫室效應，得出相同體積的CH₄溫室效應比CO₂大的結論。

再如，魏銳等(2006)利用手持技術對含鐵物質中鐵元素含量的測定，用色度計傳感器測量標準溶液的透光率，繪制標準曲線，進而測定含鐵物質中鐵元素的含量。該案例是一個緊密聯系生活實際的定量實驗，在中學化學引入比色法、可擴展定量實驗的范圍。

總之，引人手持技術后的研究性學習，可避免傳統研究性學習大多只能單純靠撰寫調查報告的困境，而增加了更精密、更先進的傳感儀器，讓學生在化學與環境、化學與生活等多個領域開展研究和學習。

參考文獻：

[1]張倩，方舟，錢揚義，等.手持技術在國內化學教學中的應用研究進展[J].化學教育，2011，32(10)：5-6.

[2]白濤.基于手持技術和多媒體技術的“電離平衡”教學研究[J].化學教育，2010，31(3)：78-80.

[3]白濤.離子反應及其發生條件.四川省普通高中新課程網[EB/OL].(2011-7-5)[2011-11-20].http：//www.scgzkg.net.

[4]鄭胤飛.濃硫酸[EB/OL].(009-03-04)[2011-10-14].http：//blog.sina.com.cn/s/blog.4924de190100cdv7.html.

[5]胡愛彬.用DIS探究甲烷與氯氣反應情況[J].化學教育，2009，30(3)：53-54.

[6]王磊，魏銳，范林.傳感技術——化學實驗探究手冊[M].北京：北京師范大學出版社，2008：61-62.

[7]錢揚義.手持技術在研究性學習中的應用及其心理學基礎[M].北京：科學出版社，2006：5-9.

[8]錢揚義，吳東燕，等.利用手持技術探究影響大氣“溫室效應”的因素[J].化學教學，2005，(5)：23-25.

[9]江世忠，譚顯華，等.利用手持技術探究甲烷的溫室效應[J].化學教育，2006，27(12)：40-41.

[10]魏銳，王磊，等.含鐵物質中鐵元素含量的測定——基于傳感技術的實驗設計[J].化學教育，2006，27(7)：50-51，54.

(作者單位：四川省教育科學研究所，成都 610225；南充高級中學，四川，南充 637000)