數字化實驗在化學教學中的應用

陳曉曄

摘要：數字化實驗相對于傳統實驗有明顯的優點，分辨率、精確度高，快速、連續地采集和處理數據，實驗現象更加形象、具體。本文通過對“中和熱的測定”實驗裝置的改進，運用溫度傳感器測量溫度變化，利用計算機記錄數據，繪制溫度變化曲線，直觀呈現出實驗結果，并在教學中進行應用與思考。

關鍵詞：數字化實驗 化學實驗 中和熱的測定

【分類號】G633.8

隨著現代化科學技術的發展，越來越多的新技術走進我們的視野、我們的校園。我們教師的授課和學生的學習并不是一成不變的，而是需要適應周圍環境的改變隨時做出相應的調整，這就需要我們教師不斷吸收新事物，并且將其帶進課堂。化學是一門以實驗為基礎的學科，傳統的瓶瓶罐罐的實驗已經不能滿足中學化學實驗的要求，新型的數字化實驗已深入社會生產和生活的各個領域，對我們化學課堂也產生了巨大的沖擊。數字化實驗一方面彌補了傳統實驗工具的缺陷，革新了化學實驗的儀器，拓展了化學實驗的內容；另一方面，使實驗的方法更加先進，實驗的數據更加準確，實驗的步驟更加清晰。數字化實驗對我們的教學提出更高的要求，是教學改革的前沿課題。

一、 數字化實驗的儀器

數字化實驗平臺主要是由傳感器、計算機、數據采集器以及通用軟件等構成，把各種信號轉化成電流信號，然后傳入到計算機當中，通過通用軟件的分析和處理，把相關的信息以圖表等形式呈現出來。在教學中應用數字化實驗能夠對傳統模式下的實驗不足加以彌補，能夠將化學反應的現象及本質逐步地轉化為可以進行監測的信號，這樣也有利于學生深入研究化學反應的本質規律，并且數字化實驗系統具備了直觀、先進、準確、實時等諸多方面的特點，能夠提高教學效率。通過數字化實驗在化學教學中的運用，能夠使化學課堂教學更加優化，在降低課堂教學內容難度的同時，提高學生學習化學的興趣。

1. 傳感器：由各種感應元件組成，它們在不同的環境下改變自身特征，如熱敏電阻、壓敏電阻、光敏電阻等，它是實驗測量的核心部件。通過“感”和“傳”兩個動作來反饋事物的變化過程，其中“感”將物理量的變化轉化成電流信號的變化；“傳”將變化的電流信號傳遞到數據采集器裝置，再把處理好的數據傳遞給計算機平臺。在化學教學中常用的傳感器包括溫度傳感器、pH值傳感器、電導率傳感器、色度傳感器、氣體傳感器、濁度傳感器、氧化還原傳感器等等。

2. 數據采集器：采集傳感器感知的數據，并傳給計算機及內部處理軟件進一步放大。

3. 計算機及通用軟件處理：負責處理由采集器傳遞的信息，通過圖表等的形式來展示實驗變化的規律。

二、數字化實驗的具體應用——以“中和熱的測定”為例

針對高中化學課本上的傳統的學生實驗“中和熱的測定”，我將傳統的溫度計改變為數字傳感器（連接數據采集器和計算機）記錄實驗中溫度的變化，使得這個實驗更加簡單，精確。

1. 實驗原理

50mL0.50mol/L鹽酸與50mL0.55mol/L NaOH溶液發生中和反應時放出的熱量為：（m1+m2）·c·（t2-t1）= 0.1×4.18×（t2-t1） kJ。

該反應生成的H2O為0.025 mol，生成1molH2O時放出的熱量即為中和熱

中和熱實驗測定裝置利用溫度計來測量反應前后的溫度，運用公式計算反應放出的熱量。因此，在實驗的每一階段溶液的溫度一定要測量準確，及時記錄。

2. 實驗儀器、藥品

大燒杯（500mL）、小燒杯（100mL）、量筒（50mL）兩個、泡沫塑料、泡沫塑料板 （中心有兩個小孔）、環形玻璃攪拌棒。0.50mol/L鹽酸、0.55mol/L NaOH溶液、蒸餾水、吸水紙。溫度傳感器、數據采集器、計算機。

實驗整套裝置。將小燒杯放在大燒杯里，燒杯口平齊，中間用泡沫塑料填滿。在泡沫塑料板上打兩個孔，把溫度傳感器和環形玻璃棒分別從孔中插入，蓋在兩個燒杯上，就是一個簡易的量熱器。

3.實驗步驟

①組裝儀器：連接計算機、數據采集器及溫度傳感器。點擊進入桌面程序，打開普通模式，設置記錄頻率每秒2次，采集時間為連續。

組裝中和熱實驗裝置，將傳統溫度計改為溫度傳感器。

②藥品取用：用量筒量取50mLNaOH溶液，將溫度傳感器的探針置于溶液中，點擊“開始”，記錄NaOH溶液的溫度，待傳感器讀數穩定后，點擊“停止”，保存數據為TOH。將溫度傳感器從NaOH溶液中取出，然后用蒸餾水清洗干凈，用吸水紙擦干。

用另一個量筒量取50mLHCl溶液并加入到小燒杯中，把套有蓋板的溫度傳感器和環形玻璃攪拌棒放入HCl溶液中，點擊“開始”，記錄HCl溶液的溫度。待傳感器讀數穩定后，停止采集，保存數據為TH。計算兩種溶液的平均溫度記為T1。

③酸堿混合：先點擊“開始”，記錄溶液的溫度變化，然后將量筒中的NaOH溶液迅速加入小燒杯中，蓋好蓋板，用環形玻璃攪拌棒上下來回移動，使溶液均勻反應，同時觀察數據采集器上的數據及曲線的變化趨勢。待溫度讀數穩定不再升高時，點擊“停止”，記錄并保存數據為T2。

中和反應前反應器中HCl溶液的溫度穩定，加人NaOH溶液后溫度迅速升高，約20s的時間后溫度基本不再升高，曲線出現平臺，溫度再次達到穩定。

⑤按照上述步驟重復進行兩次實驗。

⑥數據處理：輸入公式：Q=C*m*T3/n

“T3變化=T2-T1=24.5-21.1=3.4”（我的實驗數據），代入公式，計算結果，得“Q=56.8KJ/mol”。

通過三次重復實驗，根據計算公式可以求出此反應的中和熱。教師參考書中給出稀HCl與稀NaOH溶液反應，中和熱的理論值為（57. 3kJ/mol），相對誤差為0.9%。

4. 實驗教學效果

通過上述實驗可知，數字化實驗采集數據非常方便，在相同的時間內，采集到的數據量也很大，并且即時用圖表的形式在顯示屏上展示出來，一目了然。

課后與學生交流，學生們都很興奮，尤其是男同學，表現出極大的熱情。雖然只是一個小小的改動，但是卻引來完全不同的效果。

三、數字化實驗的優點

1. 數字化實驗可以快速連續采集數據、同步顯示出連續圖像，而這是傳統實驗無法完成的。學生通過圖像分析、現象歸納，更容易找出物理量的變化，可以幫助學生認知、理解實驗本質。“中和熱的測定”是學生實驗，要求讀出混合溶液的最高溫度并記錄數據。但是在實際實驗中，溫度計的精確度不夠，溫度的變化稍縱即逝，難以觀察，從實驗測定的數據計算出的中和熱數值與理論值相差較大。而數字化實驗中將傳統的溫度計改為溫度傳感器，溫度讀數可以精確到0.1℃，大大減小了誤差；溫度的變化以曲線、表格的形式呈現，方便學生更好、更直觀的讀數。

2. 數字化實驗采用計算機自動控制，系統能夠在很短的時間內采集和處理大量數據，并利用計算機強大的數據處理和作圖功能，將數據反映成圖像來描述瞬間量的變化過程，實現了由傳統的實驗數據“點采集”轉向到“線采集”，用極短的時間記錄大量的實驗數據，可以有效地解決暫態現象、難測量等傳統實驗無法解決的問題。

3. 數字化實驗可以克服傳統實驗儀器的諸多弊端。它利用各種傳感器可以測量傳統測量工具所不能達到的精度。

四、數字化實驗需要注意的問題

盡管數字化實驗在信息技術與實驗教學整合過程中有著不可替代的作用，但還是需要注意以下幾個方面的問題：

1. 數字化實驗逐步進入學校的課堂，并參與課堂教學。在使用的過程中需要一批專業人員來操作，因此，需要加大師資的培訓和學生的培訓，才能夠發揮它的作用，使其成為在推進素質教育、培養學生創新意識和探索精神的強有力的工具。

2. 傳感器的精度并非越高越好，對于初學者而言，主要學習的不是測量的準確性，而是掌握實驗操作的方法、數據處理的方法，測量精度過高對于初學者進行誤差分析可能帶來不便。

3. 注重儀器的保護，防止傳感器與采集器的觸點接觸不良，引起測量的故障。

4. 不要忽視常規測量工具，如溫度計、酸堿pH計等。并且，在一些簡單的實驗中用常規教學儀器完成比較方便，也能夠滿足實驗教學的需要。我們不能避重就輕，不能為了使用“新式武器”而拋棄傳統實驗手段，畢竟要以有利于教學為基本出發點。

五、中學化學數字化實驗的前景

通過數字化實驗在中學化學教學中的運用，依靠現代先進的教學技術和教學手段，通過動靜結合、圖文并茂的形式把知識更加形象的展示給學生，使知識的掌握變得更加容易，學生對抽象的化學概念和原理的認識更加清晰、深刻。在調動學生多個感官參與課堂教學的同時，幫助學生更多、更快地獲得教學信息，從感性認識上升到理性認識。同時，便于學生把獲得的結果運用于實際生活當中，解決更多的生活問題，從而調動學生化學學習的積極性，提高學生的探究欲望。

數字化實驗除了在“中和熱的測定”教學中的應用外，在很多定量實驗中都可以應用，數字化實驗教學對學生化學水平以及綜合能力的提高有著推動作用，對教師教學能力以及專業水平的提高也有著促進作用。通過運用數字化實驗教學開展化學教學工作，有利于新課標的實現，推動新課改的進程。

將傳感器、計算機等信息技術設備應用到中學化學實驗教學當中，本身就是開闊視野、與時俱進的舉措，同時也為科學方法的培養和科學精神的塑造提供了鮮活的素材。工具的發展是腦的擴展、手的延伸，是人類文明進步的階梯。有了飛機，人類領略到天空的高遠；有了宇宙飛船，人類體驗到太空的深邃；有了先進的實驗手段，學生們必定能夠收獲意想不到的成功。

參考文獻

1. 梁榮忠 數字實驗在初中物理教學中的應用 教育信息技術 2015.6

2. 呂鐸 傳遞化學思想，感受科技魅力 新課程 2015.4