傳統與現代的有機融合：化學實驗教學的新趨勢

吳良根

摘 要：由傳感器、數據采集器、計算機及專門的數據處理軟件組成的數字化實驗系統在化學實驗教學中有其獨到的優勢。將傳統化學實驗手段與數字化實驗技術相融合，能較好地彌補傳統實驗的不足，發揮現代科技的優勢，是化學實驗教學的潮流與方向。

關鍵詞：傳感器；數據采集器 ；計算機；數據處理軟件

傳統化學實驗主要以演示、驗證、定性為主，在培養學生的觀察能力、動手能力等方面發揮著不可替代的作用。而數字化實驗在當前各行各業的定量研究中方興未艾，大有燎原之勢。使用數字化實驗儀器開展化學實驗教學，可極大地彌補采用傳統實驗手段較難開展定量測定的缺陷，將傳統化學實驗手段與現代數字實驗相結合，是化學實驗教學的發展趨勢。

一、數字化實驗簡述

數字化實驗系統主要由傳感器（探頭）、數據采集器和計算機（包括相關數據處理軟件）共同構成，是一種集數據采集、數據處理和數據分析的智能化實驗教學平臺，它使化學實驗室裝備獲得了數字化接口，可以有力地支持信息技術與化學實驗教學的全面整合[1]。

多類型的信息傳感器、多通道的數據采集器、多樣化的自主操控平臺和強大的函數圖像功能是數字化實驗主要的技術特征。借助這樣的技術支撐，我們可以對化學變化及現象進行多角度的感知和多視角的分析、研究。在中學化學教學中，由于其攜帶方便、測量精確、數據處理方便、自動生成表格和曲線、實驗結果直觀等優勢而深受師生的喜愛[2]，成為中學化學實驗教學中備受關注的新熱點。

二、傳統實驗與數字化實驗教學整合的教學實例

化學是一門實驗科學，傳統實驗在幫助學生形成化學概念、理解和鞏固化學知識、獲得熟練的化學實驗技能、培養科學探究能力等方面發揮著積極的作用。但也有一些傳統實驗內容陳舊，實驗現象模糊，缺乏時代感和創造力，很難激發學生學習的興趣。適度地將數字化實驗引入初中化學教學，發揮現代科技的作用，能很好地彌補傳統實驗的不足。下面以滬教版九年級《化學》“§1-2 化學研究些什么？”教學片段為例展開敘述。

片段一： 探究蠟燭燃燒時火焰的溫度

師：點燃一支蠟燭。請同學們仔細觀察，描述一下燃燒的現象。

生：蠟燭能在空氣中燃燒，發出紅白色的火焰，產生熱量，有部分石蠟熔化，慢慢地，蠟燭越來越短。

師：描述得非常準確。在點燃時我們可以看到明顯的發光放熱現象，而且還能觀察到燭淚流淌，遇冷凝固。請大家仔細觀察蠟燭燃燒的火焰。

生：火焰好像分了幾層。

師：觀察得很仔細。蠟燭在燃燒時，其火焰分為三層，即：外焰、內焰和焰心。三層火焰的溫度是不同的，你們猜猜看，哪層火焰的溫度會最高，哪層火焰的溫度會最低？可能的原因是什么呢？

生：討論，回答。

師：剛才同學們都發表了自己的觀點。在化學科學中，要評判結論是否正確，最公正的法官是化學實驗。讓我們一起通過實驗來判斷結論的對與錯吧。

實驗原理：將一根木條插入燃燒蠟燭的火焰中（如圖1），1～2s后拿出來，觀察木條燒焦情況。

學生實驗：將一根木條插入蠟燭燃燒的火焰中，1～2s后拿出來，觀察插入到火焰最里面的部分木條基本沒有變黑，外面的部分已經燒焦了（如圖2）。

生：焰心的溫度最低，外焰溫度最高。

師：確實如此。由于蠟燭燃燒時需要空氣中的氧氣，外焰部分跟氧氣的接觸量多，所以燃燒得充分，溫度也最高。相反，焰心部分接觸到的氧氣少，燃燒不充分，火焰的溫度也最低。那么蠟燭火焰燃燒時的溫度大概有多少度呢？

生：討論，猜測。

師：要測量溫度，就要使用溫度計。但一般的溫度計的量程只有100°C左右，萬一溫度太高，溫度計可能炸裂，會發生事故，所以需要用到能測量高溫的儀器。

實驗原理：將高溫傳感器與數據采集器、計算機（安裝相關數據處理軟件）相連接，組合成一套測量高溫的數字化實驗設備。測量蠟燭火焰不同部位的溫度。

師生合作：老師點擊軟件上“開始”按鈕，學生將三支高溫傳感器同時插入蠟燭火焰中的不同部位（如圖3），觀察現象。

生：可觀察到火焰三個部位傳感器反映出來的溫度曲線都迅速升高（如圖4），等數據基本平穩后讀數分別是790℃、620℃、510℃左右。

師：蠟燭燃燒時火焰分為三層，其中外焰部分溫度最高，其次是內焰，而焰心部分的溫度最低。

……

片段二： 探究蠟燭燃燒時物質的變化

師：同學們知道蠟燭燃燒以后，固體石蠟會越來越少直至消失，那么其中的物質發生變化了嗎？如果發生了變化，那你知道燃燒后生成的是什么物質嗎？

生：討論、交流。燃燒后，物質變化了，生成二氧化碳和水。

師：同學們在小學的自然課中都已經學習過，二氧化碳氣體能夠使澄清的石灰水變渾濁。根據已有的知識，請同學們討論如何設計實驗驗證蠟燭燃燒后生成了二氧化碳和水？

生：交流、討論。

實驗原理：在一燃著的蠟燭火焰上方罩一干燥的集氣瓶，觀察瓶壁上是否出現一層水霧；然后用玻璃片蓋住集氣瓶口，把集氣瓶倒過來，并倒入少量澄清的石灰水，振蕩，觀察石灰水是否變渾濁（如圖5）。

學生實驗：在燃著的蠟燭火焰的上方罩一干燥的集氣瓶，觀察到瓶壁上出現一層水霧；然后用玻璃片蓋住集氣瓶口，把集氣瓶倒過來，并倒入少量澄清的石灰水，振蕩，觀察到澄清的石灰水變渾濁。

師：上面的實驗現象說明蠟燭在燃燒時生成了二氧化碳氣體和水。我們也可以設計數字化實驗進一步測定蠟燭在燃燒過程中的物質變化。

實驗原理：在如圖6所示的密閉容器（上蓋上開有三個小孔，分別插入氧氣、二氧化碳和相對濕度傳感器進行密封）內點燃蠟燭，密閉容器內的物質（主要指氧氣、二氧化碳和水）的變化可通過氧氣傳感器、二氧化碳傳感器和濕度傳感器以數字和曲線的形式顯示出來。

師生合作：老師點擊軟件上“開始”按鈕，學生點燃蠟燭，用密封罩罩住，觀察蠟燭的燃燒情況，同時觀察大屏幕上顯示的數據及曲線變化趨勢，分析容器內物質的變化情況。

生：蠟燭在燃燒過程中，氧氣的含量（體積分數）在不斷地減少，而二氧化碳濃度（ppm）和相對濕度（%）在不斷地增加（如圖7），從中可以得出蠟燭在燃燒時，需要不斷地消耗氧氣，同時生成了二氧化碳和水。

師：化學上把沒有生成其他物質的變化叫作物理變化；生成了其他物質的變化叫作化學變化。像上述的固體蠟燭熔化為蠟油的過程就是物理變化；而蠟燭燃燒后生成了水和二氧化碳的過程就是化學變化。

請同學們根據定義，舉一些生活中物理變化和化學變化的例子。

……

片段三：探究空氣中氧氣的含量

師：空氣是一種單一物質嗎？如果不是，那么空氣主要是由哪些物質組成的？你比較熟悉的物質有哪些？

生：空氣不是一種單一物質，我知道空氣中含有氧氣和二氧化碳氣體。

師：很好。空氣是一種非常復雜的物質，含有多種物質。在漫長的人類發展過程中，空氣中每一種成分的發現都是非常不容易的。現在我們設計實驗來測定空氣中氧氣的含量。

提供資料：

（1）氧氣能支持燃燒，一般物質的燃燒都需要氧氣，而空氣中的其他氣體不能燃燒，也不能支持燃燒。

（2）紅磷在空氣中燃燒時，生成的是一種叫五氧化二磷的固體。

實驗原理：利用紅磷燃燒需要消耗密閉集氣瓶內空氣中的氧氣，燃燒時生成的五氧化二磷是一種固體，集氣瓶內壓強會減小的原理。用一集氣瓶及相配套的橡皮塞（橡皮塞上開三小孔，分別插入玻璃導管、燃燒匙和壓強傳感器），燃燒匙中放入足量的紅磷，將紅磷引燃后迅速插入到集氣瓶中，燃燒結束后等冷卻到室溫后再打開止水夾，觀察右邊燒杯中的水被吸入集氣瓶的體積及壓強變化曲線圖（如圖8）。

師生合作：老師點擊軟件上“開始”按鈕，學生將燃燒匙中的紅磷在酒精燈上引燃后，迅速插入集氣瓶中，并旋緊橡皮塞。觀察實驗現象及大屏幕上顯示的壓強曲線圖；等到集氣瓶冷卻后，壓強曲線也穩定后，打開止水夾，觀察現象。

生：紅磷燃燒時，產生大量的白煙，然后慢慢地熄滅，等瓶子溫度冷卻到常溫（壓強曲線穩定）后，打開止水夾，燒杯內的水被吸入集氣瓶中，進入的水約占集氣瓶體積的1/5。同時還能觀察到壓強曲線在開始時有一短暫的上升趨勢，接下來呈明顯的下降趨勢，直至穩定（如圖9）。

師：分析得很好，同學們已經留意到，燃燒過程中壓強曲線一開始呈上升的趨勢，也即一開始瓶內的壓力不減反增，能解釋是什么原因嗎？

生：思考、討論。紅磷燃燒時，放出熱量，瓶內氣體受熱膨脹，壓力增大。

師：回答得很好。為了得到較準確的氧氣含量，能否在紅磷燃燒一結束，就打開止水夾？

生：不能，應等瓶內溫度冷卻到室溫時才可以打開。否則可能會使進入的水不到1/5。

師：集氣瓶中吸入水的體積約占集氣瓶體積的1/5，這說明了什么？

生：說明紅磷在密封容器中燃燒后瓶內壓力最終減少，集氣瓶中氧氣的體積約占空氣體積的1/5。

……

三、思考與體會

將先進的數字化技術手段應用于化學實驗及其教學中，可以快捷、方便地為學生提供較為精確的實驗數據，幫助學生更好地理解實驗中所包含的化學核心概念和原理，能使學生提高科學探究的能力，體會技術在科學研究和社會生活中的重要意義，增強科技創新意識，全面提高科學素養。

（一）原理更科學

傳統化學主要以定性實驗為主，缺乏自動地采集、處理大量數據的功能，很難與多媒體電腦連接，也缺乏便攜式在室外測定功能。難以培養學生自主、定量地搜集和處理信息的能力以及進行研究型學習的創造能力。數字化實驗系統通過傳感器進行檢測，經數據采集器由專門的數據分析軟件進行處理，可以定量測得各類不同的指標數據，所得數據準確、清晰，體現了定量化學實驗的科學性。

（二）證據更精準

實驗所得的實驗數據與傳統的實驗方式相比更加符合客觀規律。數字化實驗設備是由采集器、傳感器、實驗附件以及相應軟件組成的實驗系統，可以使學生更精確地采集數據，這在很大程度上避免了學生在采集數據時可能出現的失誤，減少了學生采集實驗數據不可用的情況，同時也避免了很多不必要的誤差，有利于學生對數據分析以及結論的得出。利用探究實驗設備測出來的數據和證據以數字、圖表為主，更客觀、真實地展現實驗過程[3]。

（三）結論更可信

用傳統方法進行化學實驗時，實驗現象主要憑人的感官進行觀察，在觀察過程中難免會有遺漏、片面或受到其他因素的干擾等，會出現現象描述不準確、不全面、主次不分甚至顛倒黑白等問題。數字化實驗通過與計算機連接的傳感器實時采集數據，記錄數據，相當于用傳感器和計算機代替人眼、手、紙和筆記錄數據，實現了數據記錄的時間連續性與準確性，獲得的結論更可信。

數字化實驗是實驗教學的一部分，是傳統化學實驗的有力補充。雖然使用數字化實驗進行化學教學有很大的優點，但也有其局限（如費錢、費時等）。因此，數字化實驗技術的應用應恰到好處，要在深入理解和領會教學要求和學生認知規律的基礎上使用數字化技術，要為解決教學過程中的難點和障礙而使用。

參考文獻：

[1]白濤.基于手持技術的數字化實驗探索[M].北京：化學工業出版社，2011：9-10.

[2]嚴西平.初中化學數字化實驗探索[J].化學教學，2013（12）：48-50.

[3]魏巍.數字化實驗室與中學化學實驗[J].化學教育，2006（11）：50-53.