手持技術在中學化學實驗教學中的探索與實踐

摘 要：本文從滬教版化學教材的課后習題出發，探索手持技術在中學化學實驗教學中的應用，通過空氣中氧氣含量的測定、鐵絲在氧氣中的燃燒、人呼出氣體含量的測定三個實例，說明手持技術對于化學實驗教學的重要意義。

關鍵詞：手持技術；化學實驗教學；課后習題

一、 手持技術特點和功能

手持技術（又名掌上技術）作為信息技術的重要的組成部分，正逐步引入到中學實驗中。該技術是由數字傳感器、計算機、數據采集器以及配套軟件等構成，它能夠對實驗數據進行連續的收集、編輯和處理，最終以圖像的形式展現。

《義務教育化學課程標準（2011年版）》也提出：“引導學生體驗科學探究的過程，啟迪學生的科學思維，培養學生的實踐能力；引導學生認識化學、技術、社會、環境的相互關系，理解科學的本質，提高學生的科學素養。”借助手持技術，不僅可以拓寬學生的視野，培養科學的化學思維能力，也有利于改良優化傳統實驗，加速化學實驗教學的現代化。

二、 手持技術在化學實驗教學中的應用實踐

（一） 空氣中氧氣含量的測定

在滬教版教材課后練習中有這樣一個問題：“你還能設計什么實驗來確定空氣中氧氣的體積分數？”

該題的背景是在學生學習了紅磷燃燒法測定空氣中氧氣含量的內容基礎上提出的，學生已經能夠分析出該裝置的優缺點對于實驗準確度的影響，但不可否認，該實驗是學生第一次接觸的定量分析實驗，對于如何改進裝置達到更好的效果，學生還存在方法上的局限性。

所以教材以探究性問題的形式引導學生積極思考，而利用手持技術，可以從實驗裝置和效果上有明顯的提升，有助于提高學生分析數據的能力。

實驗原理：利用氣壓傳感器測定集氣瓶中紅磷燃燒后的氣壓變化。

實驗器材：氣壓傳感器、集氣瓶、白磷、燒杯、筆記本電腦、單孔塞（帶燃燒匙）、乳膠管、數據采集器。

實驗步驟：

1. 準確連接好相應的儀器；

2. 打開數據采集器，調整好頻率后，記錄下此時的大氣壓數據以便對比；

3. 橡膠管一端緊密連接在傳感器上，另一端則連到單孔塞；

4. 將裝有足量白磷的燃燒匙伸入集氣瓶中，并浸入到預先裝有沸水的燒杯內，觀察燃燒現象并記錄瓶內氣壓的變化數據。

實驗結論：實驗開始階段測得的大氣壓為100.3kPa（A點），因為白磷燃燒放熱，使瓶內氣體膨脹，導致壓強在B點處有迅速增大的變化，從C點開始，溫度和氣壓逐漸降低，至D點（79.8kPa）達到室溫。由于白磷燃燒消耗氧氣，因此可以算出瓶內的氧氣含量為20.44%。已經非常接近20.9%的氧氣體積分數。

實驗反思：運用氣壓傳感器，將反應中不易察覺的氣壓變化通過圖像直觀地展現，有助于學生理解反應發生的過程，使學生從定量的角度去分析、思考和解決問題，培養他們的科學素養。

（二） 鐵絲在氧氣中燃燒的探究

滬教版化學上冊教材在氧氣的課后習題中出現了如下的選擇題：

“為了得到較純凈的氮氣，某同學采用燃燒法除去一瓶空氣中的氧氣，下列物質中最適宜選用的是（ ）。”

A. 鐵絲 B. 木炭

C. 蠟燭 D. 紅磷

針對該題，多數學生對于木炭和蠟燭沒有異議，因為兩者燃燒會產生二氧化碳，但是紅磷和鐵絲無法清晰地排除，因為兩者都能消耗氧氣且不產生額外的雜質氣體。而教師的解釋通常是認為鐵絲燃燒時氧氣的濃度需要很高，從而無法除去所有的氧氣，至于需要多少濃度，教師也是模糊不清。所以，通過這樣的一個問題，我們可以利用手持技術探究能使鐵絲燃燒的最低氧氣含量。

實驗原理：通過氧氣傳感器測定使鐵絲燃燒的氧氣含量。

實驗器材：氧氣傳感器、筆記本電腦、數據采集器、醫用純氧袋、集氣瓶、0.2mm的細鐵絲若干、火柴、導管、雙孔塞、坩堝鉗。

實驗步驟：

1. 連接相應的儀器；

2. 用雙孔塞、集氣瓶和導管制成可以觀察氣體流速的收集裝置；

3. 將醫用純氧袋內的氧氣通入瓶中，測出瓶內氧氣的含量；

4. 重復步驟3多次，探究鐵絲是否能燃燒。

實驗結論：經過多次取樣，當氧氣濃度為25%時，鐵絲紅熱不燃燒，30%仍然如此。但是35%時鐵絲可以劇烈燃燒，火星四射。為了使結果更精確，在隨后又做了30%～35%的實驗，發現大約33%的氧氣含量下鐵絲可以燃燒，但現象不明顯。從測量的結果看，當氧氣含量低于33%時，鐵絲無法燃燒，有力地證明了鐵絲無法消耗完氧氣的原因。

實驗反思：通過本次實驗，不僅定量地解釋了鐵絲燃燒的最低氧氣含量是多少，讓學生有一個明確直觀的認識，而且讓學生了解到科學研究的一般方法和過程，有利于學生主體地位的實現。

（三） 基于手持技術的人呼出的氣體的測定

滬教版化學上冊教材在二氧化碳內容的課后習題中出現了這樣一個問題：

“我們已經知道，呼吸作用要產生二氧化碳。你能否設計一個實驗驗證呼吸作用確實產生了二氧化碳氣體？”

根據學生已有的知識水平，他們設計的往往是定性的驗證實驗，主要通過呼吸前后澄清石灰水的渾濁度或者蠟燭的燃燒情況來判斷。但有同學立即提出疑問：經過呼吸后的氣體，氧氣與二氧化碳含量如何變化？最后的二氧化碳會比氧氣含量更多嗎？因此，這種情況下引入手持技術，可以將定性的探究實驗轉化為定量實驗，通過數據間的對比來獲得實驗結果。

實驗原理：利用氧氣和二氧化碳傳感器測量人呼吸氣體中氧氣和二氧化碳的含量。

實驗器材：塑料袋、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、數據采集器、筆記本電腦。

實驗步驟：

1. 連接好相應儀器；

2. 點擊“運行”，測出空氣中氧氣和二氧化碳的含量；

3. 將兩傳感器同時接到塑料袋上并扎緊，向其中吹氣，點擊“運行”，開始測量。

實驗結論：由圖像可知，剛開始氧氣含量為20.9%，二氧化碳含量為410ppm，換算以后為0.0410%。等到呼出氣體后，最終氧氣含量約為17.1%，二氧化碳的含量約為3.7%，由此可以得出結論：呼吸作用的過程中，消耗氧氣，產生了二氧化碳，但氧氣的含量還是遠高于二氧化碳。

實驗反思：在本次實驗探究的過程中，學生的動手實踐能力得到了加強，同時借助分析手持技術所呈現的數據圖表，學生能夠更直觀地看到呼吸作用的氣體含量變化，有助于他們形成實事求是的科學觀。

三、 總結

手持技術憑借其實時高效、快速、精確、可視化的特點，不僅可以將實驗變得更加簡便易于觀察，而且能提升學生的實驗操作技能和分析、解決問題的思維品質。對教師而言，手持技術擁有較多的傳感器類型，對于教學內容可以選擇多種傳感器從不同的角度進行探究分析，拓寬了教學范圍，也有助于教師自身素養的提高。

但不可否認，手持技術也有造價比較昂貴、普及范圍比較小、經常使用對學生的動手實踐和計算能力會有一定的削弱的劣勢。所以我們要用辯證的眼光來看待手持技術和傳統實驗，只有充分認識到兩者對于學生能力培養上的側重點，才能將它們有機結合，發揮出最大的能量。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2011年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

作者簡介：徐峰，江蘇省蘇州市，昆山市葛江中學。endprint