視聽一體化溶液導電實驗裝置的設計

謝丹敏 李純剛

摘要：?針對現(xiàn)行教科書中“溶液的導電實驗”存在儀器組裝耗時長、電極清洗繁瑣、學生易混淆溶液的導電性等問題，在分析相關(guān)文獻的基礎上，利用信號燈、語音播放器、數(shù)顯電流表、電磁繼電器等設計了一套視聽一體化溶液導電實驗裝置，實驗操作簡單、現(xiàn)象明顯、趣味性強。該裝置還可用于其他溶液導電性的判斷實驗。

關(guān)鍵詞：?視聽一體化;?溶液導電性;?實驗裝置改進;?實驗探究

文章編號：?10056629（2021）07007504

中圖分類號：?G633.8

文獻標識碼：?B

1?問題提出

化學實驗是進行科學探究的重要手段和方式，對于落實發(fā)展學生的核心素養(yǎng)，具有其他教學內(nèi)容和形式所不能替代的作用[1]?！叭芤旱膶щ娦詫嶒灐睆淖寣W生觀察溶液是否導電的現(xiàn)象到揭示溶液導電背后的原因，由宏觀現(xiàn)象辨識到微觀實質(zhì)的探析是幫助學生從具體形象思維過渡到抽象邏輯思維，

將感性認識上升到理性認識的重要實驗。現(xiàn)行義務教育教科書[2]為了說明溶液的導電性，安排了這樣一個實驗裝置關(guān)串聯(lián)，實驗時將石墨電極分別插入裝有待測溶液的燒杯中，閉合開關(guān)，通過觀察小燈泡是否發(fā)光來判斷溶液是否具有導電性。

在進行課堂演示實驗時，我們發(fā)現(xiàn)該實驗存在以下不足：

（1）?儀器的組裝較復雜，耗時較長;

（2）?每做完一種溶液的導電性實驗都需用蒸餾水清洗電極，操作上較為繁瑣;

（3）?演示時學生往往僅關(guān)注燈泡是否發(fā)光，對溶液的導電性及其原因關(guān)注不夠。

2?文獻簡述

通過中國知網(wǎng)進行檢索，得到若干篇相關(guān)文獻。發(fā)現(xiàn)許多教師對該實驗做了創(chuàng)新設計，但仍存在一些問題沒有克服。陳挺芳[3]設計的實驗裝置，操作簡便，能夠同時測定溶液的導電性，但直接使用220V電源，實驗存在一定的安全隱患，且由于使用電源電壓過大，有時蒸餾水和蔗糖水在課堂上也會出現(xiàn)導電現(xiàn)象，造成教學的“尷尬”。王都留[4]設計的裝置，用音樂賀卡中的蜂鳴器替代燈泡發(fā)亮來說明溶液的導電性，增加了實驗的趣味性，激發(fā)了學生的學習興趣，但課堂熱鬧的背后還是有不少學生只顧聽音樂響聲，而忘了關(guān)注是哪種溶液導電。劉繼能[5]設計的裝置小巧輕便、方便攜帶、節(jié)能安全，但做完第1個實驗必須將電極清洗干凈后才可做第2個實驗，操作步驟較為繁瑣、耗時，另外電極浸在溶液中時間較長，二極管容易燒壞。

3?設計思路

根據(jù)溶液導電實驗的特點，本研究從實驗的簡約化、可視化、定量化、一體化出發(fā)，努力做到實驗具有科學性、探究性、趣味性和安全性。演示溶液的導電性實驗時，將不同溶液分別連入裝置接口，閉合相應開關(guān)，觀察信號燈是否亮暗、語音播放器是否語音播報、數(shù)顯電流表是否顯數(shù)，通過聲、光、電一體化的形式演示溶液的導電情況;在知道溶液的導電本質(zhì)后，將未知導電性的溶液連入裝置接口，閉合相應開關(guān)，裝置自動判斷溶液導電情況。自制視聽一體化溶液導電實驗裝置的精巧設計，最終實現(xiàn)了多種形式呈現(xiàn)溶液的導電情況、驗證其他溶液的導電性等，確保實驗者使用該裝置能很好地演示實驗內(nèi)容，培養(yǎng)學生高階思維[6]。

4?設計方案

參照實驗設計理念，溶液導電性的演示可以分別將食鹽溶液、稀硫酸、氫氧化鈉溶液連入裝置接口，通過閉合相應開關(guān)，信號燈亮、語音播放器發(fā)出相應語音播報、數(shù)顯電流表顯示相應數(shù)字;不能導電溶液的演示可分別把蒸餾水、蔗糖溶液連入裝置接口，通過閉合相應開關(guān)，信號燈不亮、語音播放器不發(fā)出語音播報、數(shù)顯電流表顯示為0.00A;其他溶液的導電性判斷可將酒精溶液、碳酸鈉溶液連入裝置接口，通過閉合相應開關(guān)，若溶液能導電，則信號燈亮、語音播放器發(fā)出“我能導電”的語音播報、電流表顯示數(shù)字;若溶液不能導電，則信號燈不亮、語音播放器發(fā)出“我不能導電”的語音播報、數(shù)顯電流表顯示為0.00A來實現(xiàn)。

5?實驗原理

如圖2所示，接通學生電源后，在溶液連入口連入對應的溶液，如1、?3、?5溶液連入口分別是導電的食鹽溶液、稀硫酸、氫氧化鈉溶液，閉合雙聯(lián)開關(guān)（S1S′1），

圖2?視聽一體化溶液導電實驗裝置電路圖

S1接通繼電器電路，S′1接通語音播放器線路，繼電器K1中有電流通過，使得開關(guān)K11被吸合，引發(fā)信號燈和語音播放器進入工作狀態(tài)，信號燈亮，聲道1控制語音播放器語音播報，同時電流表有數(shù)字顯示。閉合雙聯(lián)開關(guān)（S3S′3）和（S5S′5），原理同（S1S′1），閉合雙聯(lián)開關(guān)（S2S′2）、?（S4S′4），由于溶液連入口連入的分別為不導電的蒸餾水和蔗糖溶液，繼電器中沒有電流，電路處于斷路狀態(tài)，所以信號燈不亮，語音播放器不進行語音播報，同時電流表示數(shù)為0.00?A。閉合雙聯(lián)開關(guān)（S6S′6），當溶液連入口連入的為導電溶液時，通過繼電器K6引發(fā)信號燈和語音播放器進入工作狀態(tài)，信號燈亮，聲道4控制語音播放器進行語音播報，同時電流表有數(shù)字顯示。當溶液連入口連入的為不導電溶液時，繼電器K6的常閉電路形成通路，聲道5控制語音播放器進行語音播報。

6?裝置設計

6.1?制作材料

JQ960多聲道語音播放器（參數(shù)：?DC12V供電，功率20W）1個、電磁繼電器（型號：?IEC255，參數(shù)：?DC12V供電）1個、CS5135直流數(shù)顯電流表（參數(shù)：?DC12V獨立供電）1個、AD1622DS信號燈（參數(shù)：?DC12V供電）1個、J1202型學生電源1個、雙聯(lián)開關(guān)6個、香蕉頭接線柱1對、香蕉插頭轉(zhuǎn)鱷魚夾線2根、導線若干、木板1塊

6.2?制作過程

（1）?用真人語音合成軟件分別合成5個音頻文件，內(nèi)容如下：?①“大家好，我是食鹽溶液，我能導電”;②“大家好，我是稀硫酸，我能導電”;③“大家好，我是氫氧化鈉溶液，我能導電”;④“我能導電”;⑤“我不能導電”。打開語音播放器后蓋，將模塊的MINI?USB連接電腦，打開“我的電腦”，雙擊“CD驅(qū)動器”，電腦會出現(xiàn)一個更新內(nèi)容的上位機軟件，選中“音頻加載”，單擊“瀏覽”分別依次選中音頻文件①～⑤，單擊“打開”，相應音頻被添加到上位機軟件中，選中“更新下載”選項卡，單擊更新，當出現(xiàn)“校驗成功”，則表示語音已經(jīng)下載到模塊的spi?flash里。此時接通語音播放器，第一線路（聲道1）語音播放為“大家好，我是食鹽溶液，我能導電”;第二線路（聲道2）語音播放為“大家好，我是稀硫酸，我能導電”;第三線路（聲道3）語音播放為“大家好，我是氫氧化鈉溶液，我能導電”;第四線路（聲道4）語音播放為“我能導電”;第五線路（聲道5）語音播放為“我不能導電”。

（2）?將木板按如圖3尺寸加工成木制實驗箱，并在面板上部適當位置從左往右依次打1個直徑為2.5cm的圓孔，1個直徑為8.5cm的圓孔，1個4.8cm×2.8cm的方孔，在面板中部適當位置從左往右依次打6個2.5cm×3.0cm的方孔，在面板下部中間位置打2個直徑為1.5cm的圓孔。

（3）?將信號燈、語音播放器、數(shù)顯電流表、雙聯(lián)開關(guān)、香蕉頭接線柱裝入對應的孔內(nèi)，用導線按圖2電路圖將各個零部件相連接，組裝成視聽一體化的溶液導電實驗裝置（如圖4所示）。

7?實驗內(nèi)容

7.1?溶液導電性的演示

（1）?接通上述視聽一體化溶液導電實驗裝置的電源，將香蕉插頭插入接線柱，將鱷魚夾夾在裝有食鹽溶液燒杯的碳棒（在直徑為6cm的PVC硬質(zhì)塑料片上鉆兩個直徑為0.7cm的圓孔后，插入1號干電池的碳棒制成，下同）兩極上。打開開關(guān)K1，信號燈亮，語音播放器發(fā)出：“大家好，我是食鹽溶液，我能導電”的聲音，電流表顯示數(shù)為0.09A，說明食鹽溶液能導電。

（2）?關(guān)閉開關(guān)K1，將鱷魚夾夾在裝有蒸餾水燒杯的碳棒兩極上。打開開關(guān)K2，信號燈不亮，語音播放器不響，電流表示數(shù)為0.00?A，說明蒸餾水不能導電。

（3）?關(guān)閉開關(guān)K2，將鱷魚夾夾在裝有稀硫酸燒杯的碳棒兩極上。打開開關(guān)K3，信號燈亮，語音播放器發(fā)出：“大家好，我是稀硫酸，我能導電”的聲音，電流表顯示數(shù)為0.09A，說明稀硫酸能導電。

（4）?關(guān)閉開關(guān)K3，將鱷魚夾夾在裝有蔗糖水燒杯的碳棒兩極上。打開開關(guān)K4，信號燈不亮，語音播放器不響，電流表示數(shù)為0.00?A，說明蔗糖水不能導電。

（5）?關(guān)閉開關(guān)K4，將鱷魚夾夾在裝有氫氧化鈉溶液燒杯的碳棒兩極上。打開開關(guān)K5，信號燈亮，語音播放器發(fā)出：“大家好，我是氫氧化鈉溶液，我能導電”的聲音，電流表顯示數(shù)為0.08A，說明氫氧化鈉溶液能導電。

7.2?其他溶液的導電性判斷

（1）?關(guān)閉開關(guān)K5，將鱷魚夾夾在裝有碳酸鈉溶液燒杯的碳棒兩極上。打開開關(guān)K6，信號燈亮，語音播放器發(fā)出：“我能導電”的聲音，電流表示數(shù)為0.10A，說明碳酸鈉溶液能導電。

（2）?關(guān)閉開關(guān)K6，將鱷魚夾夾在裝有酒精溶液燒杯的碳棒兩極上。打開開關(guān)K6，信號燈不亮，語音播放器發(fā)出：“我不能導電”的聲音，電流表顯示數(shù)為0.00A，說明酒精溶液不能導電。

8?設計感想

8.1?開展實驗教學，發(fā)展學生核心素養(yǎng)

通過在課堂開展實驗教學，可以讓學生主動發(fā)現(xiàn)問題，探求和解決問題，經(jīng)歷知識的形成過程，落實培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)[7]。利用本裝置開展實驗教學時，教師可以演示完蒸餾水、食鹽溶液、蔗糖溶液、稀硫酸、氫氧化鈉溶液的導電性實驗后，引導學生從微觀的角度分析各組物質(zhì)的微粒構(gòu)成，學生討論得出含有離子的物質(zhì)才能夠?qū)щ?，這時教師可將食鹽固體連入電路，打開開關(guān)K6，語音播放器發(fā)出：“我不能導電”的聲音，此時與學生形成認知沖突。教師立即播放食鹽固體和食鹽溶液連入裝置微粒的變化情況的Flash動畫，學生觀察后發(fā)現(xiàn)，溶液中含有可以自由移動的離子才能導電。隨后教師展示碳酸鈉溶液和酒精溶液，引導學生分析這兩種溶液的微粒構(gòu)成，哪種溶液能夠?qū)щ?，哪種溶液不能導電。學生通過分析推測得出結(jié)論后，將上述兩種溶液分別連入裝置，打開開關(guān)K6，驗證溶液的導電性。

8.2?挖掘裝置功能，凸顯學科實驗價值

溶液導電性的演示和未知導電性溶液的導電性判斷僅僅是本裝置的兩個基本功能，利用該裝置還可以演示不同濃度溶液的導電情況，如分別將不同濃度的食鹽溶液連入裝置，打開開關(guān)K1，除了語音播放器發(fā)出：“大家好，我是食鹽溶液，我能導電”的聲音，還可以對比觀察信號燈亮暗程度和電流表顯示的示數(shù)變化;也可以演示中和反應過程中離子數(shù)目的變化過程，如將氫氧化鋇溶液連入裝置，打開開關(guān)K6，向氫氧化鋇溶液中逐滴加入稀硫酸，邊加邊用玻璃棒攪拌，實驗過程中，將呈現(xiàn)從信號燈亮、語音播放器發(fā)出：“我能導電”的聲音以及電流表能顯數(shù);到信號燈逐漸變暗、語音播放器發(fā)出：“我不能導電”的聲音以及電流表顯數(shù)為0.00A;再到信號燈逐漸變亮、語音播放器發(fā)出：“我能導電”的聲音以及電流表顯數(shù)的再次出現(xiàn)。整個過程趣味盎然，凸現(xiàn)學科的實驗價值。

參考文獻：

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