對化學實驗教學中現(xiàn)代技術和傳統(tǒng)手段相融合的探索
——以滬教版九年級《化學》“化學研究些什么？”為例

對化學實驗教學中現(xiàn)代技術和傳統(tǒng)手段相融合的探索
——以滬教版九年級《化學》“化學研究些什么？”為例

■吳良根

傳統(tǒng)化學實驗主要以演示、驗證、定性分析為主，在培養(yǎng)學生的觀察能力、動手能力等方面發(fā)揮著不可替代的作用。而數(shù)字化實驗（又稱手持技術、掌上實驗等）在當前各行各業(yè)的定量研究中方興未艾，大有燎原之勢。使用數(shù)字化實驗儀器開展化學實驗及其教學，可極大地彌補傳統(tǒng)實驗手段較難開展定量測定的缺陷。將現(xiàn)代數(shù)字化實驗技術融入傳統(tǒng)化學實驗教學，發(fā)揮傳統(tǒng)實驗手段與現(xiàn)代技術各自的優(yōu)勢，取長補短，相得益彰，可極大地調動學生學習化學的熱情與信心，提高化學課堂教學效果。

一、數(shù)字化實驗簡述

數(shù)字化實驗系統(tǒng)主要有傳感器（探頭）、數(shù)據(jù)采集器和計算機（包括相關數(shù)據(jù)處理軟件）共同構成（如圖1），是一種集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析于一體的智能化實驗教學平臺。它使化學實驗室裝備獲得了數(shù)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。

圖1

多類型的信息傳感器、多通道的數(shù)據(jù)采集器、多樣化的自主操控平臺和強大的函數(shù)圖像功能是數(shù)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(xiàn)象進行多角度的分析、研究。在中學化學教學中，由于其攜帶方便、測量精確、數(shù)據(jù)處理方便、自動生成表格和曲線、實驗結果直觀等優(yōu)勢而深受師生的喜愛，成為中學化學實驗教學中備受關注的新熱點。

二、傳統(tǒng)實驗教學與數(shù)字化實驗技術的融合

以滬教版九年級《化學》中“化學研究些什么？”教學片斷為例。

片斷1：探究蠟燭燃燒時火焰的溫度。

在生活中經(jīng)常會使用蠟燭，然而對于蠟燭燃燒時不同層次火焰的溫度，學生一般不會很清楚，教材是這樣設計實驗的：

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

實驗現(xiàn)象：觀察到插入到火焰最中間部分的木條基本沒有變黑，外面的部分已經(jīng)燒焦（如圖3）。

圖2

圖3

實驗結論：焰心的溫度最低，外焰溫度最高。

不足之處：木條插入火焰中的部位不同或插入的時間沒有控制好，容易使木條都烤焦，特別是外焰與內焰的烤焦程度很難分辨。

利用數(shù)字化實驗能直接測出蠟燭燃燒時不同層次火焰的溫度，實驗操作簡便且結論更直觀、可信。

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

師生合作：教師點擊軟件上“開始”按鈕，學生將3支高溫傳感器同時插入蠟燭火焰中的不同部位（如圖4），觀察現(xiàn)象。

實驗現(xiàn)象：可觀察到火焰3個部位的傳感器反映出來的溫度都迅速升高（如圖5），等數(shù)據(jù)基本平穩(wěn)后讀數(shù)分別是：790℃、620℃、510℃左右。

圖4

圖5

實驗結論：蠟燭燃燒時火焰分為3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。

片斷2：探究蠟燭燃燒時物質的變化。

蠟燭燃燒后究竟生成了什么物質？傳統(tǒng)實驗利用二氧化碳能使澄清石灰水變渾濁的原理檢測是否生成二氧化碳，利用觀察到水霧的產(chǎn)生檢測是否有水生成。

實驗原理：在蠟燭火焰上方罩一干燥的燒杯，觀察燒杯壁上是否出現(xiàn)一層水霧（如圖6）；

圖6

然后迅速倒轉燒杯，并倒入少量澄清的石灰水，振蕩，觀察石灰水是否變渾濁。

實驗現(xiàn)象：蠟燭燃燒時，觀察到上方罩著的燒杯壁上出現(xiàn)一層水霧；倒轉燒杯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。

實驗結論：上面的實驗現(xiàn)象說明蠟燭在燃燒時生成了二氧化碳氣體和水。

不足之處：瓶壁上觀察到有水霧，不一定是水（常溫下呈液體的物質不一定是水）；如果燒杯中沒有收集到足夠的二氧化碳，澄清的石灰水變渾濁的現(xiàn)象不明顯。

數(shù)字化實驗系統(tǒng)中有多種物質的專用傳感器，如氧氣傳感器、二氧化碳傳感器等，這些傳感器不僅能較精準地測得物質，而且能以數(shù)字和曲線的形式直觀呈現(xiàn)出來這些物質數(shù)量的變化。

實驗原理：在圖7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(shù)字和曲線的形式顯示出來。

圖7

師生合作：教師點擊軟件上“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(shù)據(jù)及曲線變化趨勢，分析容器內物質的變化情況。

實驗現(xiàn)象：蠟燭燃燒程度越來越弱，火焰也越來越小。蠟燭在燃燒過程中，觀察到氧氣的含量（體積分數(shù)）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8）。

圖8

實驗結論：蠟燭在燃燒過程中，需要消耗氧氣，同時生成二氧化碳和水。

片斷3：探究空氣中氧氣的含量。

傳統(tǒng)實驗是通過可燃物在密封容器中燃燒時因消耗掉氧氣使容器內壓力減小的原理來設計實驗，測定空氣中氧氣的體積含量。

實驗原理：紅磷燃燒需要消耗密閉集氣瓶內空氣中的氧氣，且燃燒時生成的五氧化二磷是一種固體，待燃燒結束后恢復到室溫，打開止水夾，由于集氣瓶內壓強會減小，水就會由導管吸入到集氣瓶中，吸入的水的體積約為空氣中氧氣的體積（如圖9）。

實驗現(xiàn)象：紅磷在集氣瓶中燃燒，產(chǎn)生大量的白煙。燃燒結束后，等集氣瓶冷卻到室溫，打開止水夾，觀察到燒杯中的水被吸入到集氣瓶中，且吸入的水約占集氣瓶體積的1/5。

圖9

不足之處：實驗中集氣瓶內壓力變小是通過吸水這個實驗現(xiàn)象來體現(xiàn)的，這對初學化學的學生來講，不是非常的直觀。

數(shù)字化實驗系統(tǒng)中有壓強傳感器，密封容器內壓強的變化可以通過數(shù)字化實驗系統(tǒng)清晰地呈現(xiàn)出來。

實驗原理：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，冷卻到室溫，再打開止水夾，觀察右邊燒杯中的水會被吸進集氣瓶的體積及壓強變化曲線圖（如圖10）。

圖10

師生合作：教師點擊軟件上“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(xiàn)象及大屏幕上顯示的壓強曲線圖。等到集氣瓶冷卻，壓強曲線也穩(wěn)定，打開止水夾，觀察現(xiàn)象。

實驗現(xiàn)象：紅磷燃燒時，產(chǎn)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(wěn)定）后，打開止水夾，燒杯內的水被吸入集氣瓶中，吸進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(wěn)定（如圖11）。

圖11

實驗結論：紅磷開始燃燒時，放出熱量，瓶內氣體受熱膨脹，壓力反而會增大。但隨著燃燒的進行，瓶內氧氣消耗，且生成物為固體，等集氣瓶溫度恢復到室溫，瓶內壓力明顯減小。打開止水夾，吸入集氣瓶中水的體積就約為空氣中氧氣的體積。

三、思考與體會

將數(shù)字化實驗技術應用于中學化學實驗教學中，可以方便快速地為學生提供精確的實驗數(shù)據(jù)和直觀圖像，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，提高科學探究的水平和能力，增強科技創(chuàng)新意識，全面提高科學素養(yǎng)。

1.原理更科學。

傳統(tǒng)化學教學主要以定性實驗為主，較難與電腦、網(wǎng)絡相對接，無法進行數(shù)據(jù)的采集和處理，極大地限制了學生自主地、定量地搜集和處理信息的能力以及進行研究型學習所需的創(chuàng)造力的提升。數(shù)字化實驗系統(tǒng)通過傳感器進行測量，由專門的數(shù)據(jù)分析軟件進行處理，所得數(shù)據(jù)準確、清晰，體現(xiàn)了定量化學實驗的科學性。

2.證據(jù)更精準。

數(shù)字化實驗裝置測得的數(shù)據(jù)與圖像可以使學生獲得更精確的實驗信息。與傳統(tǒng)實驗相比較，可以極大地避免學生在實驗操作時可能出現(xiàn)的失誤，減少數(shù)據(jù)不真實情況的出現(xiàn)，避免很多不必要的誤差，有利于分析數(shù)據(jù)和獲得正確的結論。

3.結論更可信。

傳統(tǒng)方法進行化學實驗時，主要憑人的感官觀察實驗現(xiàn)象，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，進而會出現(xiàn)現(xiàn)象描述不準確、不全面、主次不分甚至顛倒黑白等問題。數(shù)字化實驗通過傳感器實時采集和記錄數(shù)據(jù)，相當于用計算機代替人的眼、手以及紙和筆進行觀察和記錄，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄的連續(xù)性與準確性，獲得的結論更可信。

實驗教學是教學過程的有機組成部分，數(shù)字化實驗也僅是實驗教學的一部分，是傳統(tǒng)化學實驗的有力補充。雖然使用數(shù)字化實驗進行化學教學有很多的優(yōu)點，但也有其局限性（如費錢、費時等）。因此，數(shù)字化實驗技術的應用應恰到好處，教師要為解決教學過程中的難點和障礙而使用，要在深入理解和領會教學要求及學生認知規(guī)律的基礎上使用數(shù)字化技術。

（作者為江蘇省蘇州市吳江區(qū)笠澤實驗初級中學黨支部書記，江蘇省中學化學特級教師）