數字化實驗系統在定量實驗中的應用
——以“市售小蘇打中碳酸氫鈉含量的測定”為例

◎ 孟 靜

數字化實驗系統，又稱“數字化信息實驗系統”（Digital Information System，簡稱“DIS”），是計算機信息技術應用到理科實驗中去的一種現代化實驗平臺?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中明確提出了把計算機信息及多媒體技術應用到理科實驗中去?，F代信息技術的迅猛發展和網絡技術的廣泛應用，為理科綜合課程提供了豐富的課程資源。傳統的實驗儀器及方式越來越不能滿足現代化教學的需要，傳統的實驗儀器使很多實驗沒法做、做不好，新的教學方法越來越重視探究性教學，其中數字化實驗系統是探究性教學的平臺和工具。鑒于此，筆者以化學拓展型課程中的定量實驗“設計實驗方案測定市售小蘇打中碳酸氫鈉含量”為內容，針對華東師范大學第二附屬中學的高三年級資優學生開設了一節實驗拓展課，引導學生利用數字化實驗系統設計和完成實驗，體驗數字化實驗系統的優勢，感受創新的樂趣。

一、DIS應用于定量實驗的意義

數字化實驗系統（DIS）是由傳感器、數據采集器和配套軟件組成，能與計算機連接并進行定量采集和處理數據的實驗技術系統［1］。雖然這一技術現在已經被廣泛應用于化學實驗，但是在高中化學常規學習中，學生很少接觸到DIS相關內容。化學是一門以實驗為基礎的學科，在有效達到實驗目標的前提下，實驗過程以便捷為優，作為定量實驗，最重要的是準確，以量化為基礎的實驗以及數字化實驗測量的數據能引發學生的思考，更具思維價值和教育價值。此類實驗可用數字化實驗替代傳統化學實驗。教師利用DIS進行定量實驗，可以使學生體會到它準確、便捷的特點。

實驗教學是具有一定開放性的教學過程，因為學生在實驗操作和數據處理過程中，能有效地發現問題、提出問題，并且在互動探討中解決問題獲得新知識，體現出教學過程中的互動與生成。目前高中化學的教學依然以傳統化學實驗為主。DIS是化學實驗儀器的創新，這一創新也會對我們的實驗手段和實驗裝置的創新提供一種新的思路，提高學生的創新意識和能力。如果教師能優化整合傳統實驗和數字化實驗，就能夠進一步體現實驗的科學價值和教育價值。

二、DIS應用于定量實驗的教學過程設計

（一）教學設計思路

學生在高二年級學習過重量法、氣體法和滴定法這三種定量實驗方法。本節課的教學將會在上述三種實驗方法的基礎上進行拓展。本節課的設計重視學生對“定量”這一概念的建構，在教學中力求學生體驗到實驗準確、便捷的特點，水到渠成地完成從傳統實驗到數字化實驗的轉型。

在傳統實驗中，碳酸氫鈉加熱時自身可分解，一般需要通過稱量加熱前后固體質量來計算碳酸氫鈉的含量；碳酸氫鈉還能與酸反應生成二氧化碳氣體，可通過酸堿指示劑的顏色變化用酸滴定或者用排液法測量生成二氧化碳的體積來計算碳酸氫鈉的含量。這些實驗方法都存在著裝置復雜、操作煩瑣、準確性差的缺點。而利用DIS，學生可以在重新設計實驗裝置和實驗步驟、采集數據過程中體驗化學實驗的便捷。DIS的結果往往以圖表和圖形的方式呈現，在對數據進行分析的過程中，學生能夠深深體會定量實驗中“量”的重要性，提高學生的數據分析能力，更有利于理解問題的本質。

（二）教學內容分析

1.教材分析

“測定碳酸氫鈉的含量”是滬科版高三化學拓展型教材第九章第四節中的一個重要學生實驗課題，教材要求學生自主設計實驗步驟，擬定實驗目的，進行實驗，并在實驗后處理數據。本課時內容是對高二學習內容的理解和應用，并進一步學習了定量實驗的實驗設計過程。

2.學情分析

（1）知識儲備。學生在高三化學第六章第二節“一些金屬化合物”中學習了碳酸氫鈉受熱易分解，與酸反應生成氣體等相關化學知識，為本節課討論碳酸氫鈉含量的定量測定做好了知識儲備。

（2）能力儲備。學生在之前的化學學習過程中多次體驗了探究式學習方法，因此具備了一定的問題探究能力和小組合作經驗，為本節課教學活動的開展做好了能力儲備。

（3）方法儲備。學生在高二化學第十單元“幾種定量測定方法”中通過測定1 mol氣體的體積學習了氣體法，通過硫酸銅晶體中結晶水含量測定學習了重量法，通過酸堿中和滴定學習了滴定法，為本節課的學習做好了方法儲備。

（三）教學目標的制定

1.知識與技能

（1）復習鞏固相關實驗儀器的用途、使用方法和一些基本操作。

（2）掌握重量法、氣體法、滴定法這三種基本定量實驗測定方法的原理。

2.過程與方法

（1）通過測定市售小蘇打中碳酸氫鈉含量實驗方案的設計、比較、優化，提高實驗設計的能力以及綜合評價能力。

（2）通過方案的設計，掌握定量實驗設計的一般步驟、數據處理和誤差分析的方法。

（3）學會利用數字化實驗儀器提高定量實驗的科學性和準確度。

3.情感態度與價值觀

（1）了解數字化實驗儀器在化學研究中的重要性。

（2）通過對幾種設計方案和實驗裝置的評價，讓學生體會定量實驗的科學之美。

（四）教學重難點的確立

定量實驗不僅能培養學生的實驗能力，而且培養學生的科學精神。進一步學習利用新技術進行定量實驗的實驗設計是本節課的重點。由于教材中沒有提及DIS，如何讓學生理解并利用DIS設計實驗，體會DIS便捷、準確的特點是本節課的難點。在教學設計中，教師利用傳統實驗與數字化實驗對比的方法幫助學生理解DIS。從討論碳酸氫鈉的化學性質與實驗設計的相關性入手，學生通過比較、分析不同的實驗方案，從而體會DIS便捷、準確的特點。

（五）教學流程（見圖1）

圖1 教學流程

（六）教學過程

1.重量法測定碳酸氫鈉的含量

在實驗教學過程中，首先，學生發現碳酸氫鈉受熱時固體質量會發生變化，于是選擇重量法進行測定，但是，學生提出高二時學習重量法中的恒重操作，至少稱量四次，操作煩瑣，時間長，實驗誤差較大，然后教師在課堂上向學生介紹熱重分析儀，它可以實時記錄加熱過程中固體質量隨溫度的變化過程（見圖2），學生發現這種實驗方法可以使定量實驗更加便捷。

圖2 加熱變化曲線

2.氣體法測定碳酸氫鈉的含量

教師先提出利用碳酸氫鈉與酸反應生成二氧化碳的性質，可以選擇氣體法進行實驗。但是，學生認為利用氣體體積測定儀進行實驗，溫度、壓強、讀數方法以及鹽酸的揮發，都會對實驗結果造成影響。為了減少這些誤差，使實驗結果更準確，教師向學生介紹利用二氧化碳濃度傳感器進行實驗。

學生在盛有一定質量碳酸氫鈉樣品的容器中，加入20 mL蒸餾水，打開磁力攪拌器，使固體完全溶解后關閉，點擊數據采集器的“開始”按鈕，然后將10 mL鹽酸倒入反應容器中，立即塞緊二氧化碳濃度傳感器，打開磁力攪拌器，觀察數據采集器的圖像如圖3所示，橫坐標表示采集時間，縱坐標表示二氧化碳的濃度，曲線表示反應過程中該容器中二氧化碳濃度的變化情況，前一段表示空氣中二氧化碳的濃度記為a1mg/m3，隨反應進行曲線上升，表示該容器中二氧化碳的濃度逐漸上升，反應結束后，曲線走平，二氧化碳的濃度記為a2mg/m3，我們將實驗數據代入相應的計算表達式計算出結果。實驗結束后，學生經過討論總結出：這種實驗方法的結果不受溫度、壓強和鹽酸揮發的影響，可以看出，數字化實驗系統使實驗結果更準確。

圖3 數據采集器的圖像

3. 滴定法測定碳酸氫鈉的含量

學生在高二年級已經學習過用滴定管進行滴定實驗。本節課中學生使用滴數傳感器和pH傳感器來進行實驗。滴數傳感器可以用來準確、自動地記錄滴定溶液的體積，pH傳感器可以用來檢測溶液中氫離子的濃度。

學生在盛有樣品的小燒杯中，加入50mL蒸餾水，打開磁力攪拌器，點擊數據采集器“開始”按鈕，再打開盛有鹽酸的滴定管下端活塞，觀察數據采集器的生成曲線（見圖4），隨著酸液的加入，溶液的pH逐漸減小，當pH不再明顯變化時，說明反應已結束。

圖4 數據采集器的生成曲線

學生提出：滴定終點如何判斷呢？當達到滴定終點時，pH發生突躍，可以利用數據采集器的導函數的功能，準確找到滴定終點，在屏幕上，點擊Excel表格，打開后，點擊表格，選定新計算欄，然后選擇相應的方程 “1stderivative”，點擊“ok”，回到原頁面，點擊圖表，選擇圖選項，選擇配置和計算欄，點擊“ok”，這樣pH與計算欄都顯示在屏幕上（見圖5）。

實驗結束后，學生經過討論，體會到該方法沒有用肉眼判斷滴定終點，而是采用數字化儀器自動生成的數據，幫助我們準確確定滴定終點。滴數傳感器能夠幫助我們快速、準確地獲知溶液的體積，而且數字化實驗儀器可以全程記錄滴定過程中的全部數據，并且具有存儲功能，可以隨時調取。

圖5 滴定達到終點時的生成曲線

三、教學實踐反思

（一）利用DIS完成實驗，有效化解教學難點

由于教材中沒有涵蓋DIS的內容，這為本節課中學生理解和使用DIS增設了一定難度。盡管利用傳統的氣體法、重量法、滴定法等定量實驗方法，學生也可以有效完成實驗，獲得碳酸氫鈉含量的結果。但學生普遍反映傳統方法操作復雜，準確度低，無法真正體會定量實驗中“量”的內涵。

本節課在傳統實驗的基礎上，利用DIS完成市售小蘇打中碳酸氫鈉含量的測定。在重量法中，教師向學生介紹了熱重分析儀，通過呈現固體質量隨溫度變化的曲線，幫助學生理解碳酸氫鈉分解的過程，并能更準確地判斷碳酸氫鈉完全分解時剩余固體的質量。在氣體法中，學生使用二氧化碳濃度傳感器測定生成二氧化碳的量，有效避免了溫度和壓強對二氧化碳的量的影響。在滴定法中，使用滴數傳感器測定溶液體積，消除了由于觀察液面讀數帶來的誤差，通過呈現向市售小蘇打中滴加鹽酸時pH變化的數據和曲線，幫助學生準確地判斷滴定終點。這三個實驗使學生更深刻地理解DIS操作的便捷和數據的準確對定量實驗的重要意義。

（二）將DIS巧妙融入傳統實驗中，提高學生解決問題能力

本節課中數字化實驗的教學功能不局限于讓學生學會使用DIS，更立足于讓學生利用DIS自主設計并完成定量實驗。學生根據高二年級的經驗和體會，對傳統實驗的操作和準確性提出質疑，認為傳統三種定量實驗方法操作比較復雜，實驗結果誤差大。通過DIS中熱重分析儀判斷分解終點，二氧化碳濃度傳感器測定生成二氧化碳的量，滴數傳感器測定滴加溶液的體積，pH傳感器判斷滴定終點，這些都有效地彌補了學生提出的傳統實驗中的不足。

本節課的設計中多次、循序漸進地使用了DIS，將傳統實驗方法與現代實驗裝置相結合，順應學生“提出問題—設計實驗—解決問題”的思維上升過程，既沒有拔高教學要求，不增加學生負擔，又突出了教學重點，解決了教學難點，強化了實驗過程中的探究過程，體現了對思維能力的培養。

本次探究活動的開展，充分體現了信息技術與化學學科的有效融合。學生通過查閱資料、分組實驗、分析數據等活動，不僅能夠熟練應用DIS，提高學科實踐能力，更重要的是在這個過程中培養了發現問題、解決問題的能力，這正是化學學科核心素養的體現。