一套多功能數字實驗儀的開發

莊山

摘要：針對現行教科書中“含碳物質的完全燃燒和不完全燃燒”實驗存在的對比性差、不易量化、有污染等問題，在查閱文獻并分析資料的基礎上，設計開發了一套集可視化、數字化等多功能于一體的實驗裝置，以期對自制教具的教學研究起補充與借鑒的作用。該裝置還可應用于燃燒條件的探究、溶液及反應中pH的測定以及氣體的制備及性質檢驗等多個實驗。

關鍵詞：自制教具; 多功能; 數字化; 含碳物質的燃燒; 實驗探究

文章編號：10056629（2021）11007204

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

化學實驗在化學教學過程中所起的作用，是任何其他教學方法所無法代替的。無論是教師演示實驗還是學生分組實驗，一個設計合理、現象明顯的數字化定量實驗，不僅能幫助學生理解化學原理，更重要的是它能激發學生學習化學的興趣，培育學生善于探究的科學素養[1，2]。我們設計開發的多功能一體化數字實驗儀，不僅讓實驗操作簡便、現象明顯，通過現象感受其微觀本質的變化，而且還有利于教師在教學中突出教學重點、突破教學難點。

1 設計意圖

初中化學實驗既有對問題的定性研究，也有嚴密的定量研究，例如，測定空氣中氧氣含量、質量守恒定律等都需要通過實驗形成定性與定量的化學思維，通過分析和研究，發現這些實驗都涉及到“密閉”和“定量”這兩個關鍵的實驗方法，如何在初中化學教學中將這兩個關鍵點有效結合，從而培養學生定性和定量分析問題的化學思維？

基于以上思考，我們設計了一套多功能數字實驗儀（見圖1），通過一套裝置能完成多個定性實驗，如固體燃燒、固液反應制氣體、溶液中的反應等。此套裝置中，我們還可集多種傳感器于一體，同時測定實驗過程中多個物理參數，如同時測定反應的溫度、氣體的濃度、溶液中離子濃度變化、電導率變化等，從而進行定量研究。此外，在設計裝置時還考慮到實驗可能對環境造成的影響，盡可能達到環保的目的。

該實驗儀還兼顧學科融合，可應用于生物、科學等綜合性實踐活動，通過跨學科學習發展學生的STEM+素養，從而從點滴改變中真正落實立德樹人的教育目標[3]。

2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。

說明：根據實驗的需求可選擇不同孔徑的多孔隔板。固體藥品在隔板上方，液體藥品從長頸漏斗加入至隔板下方，通過控制液體（如液體過多，可通過洗耳球從長頸漏斗上方吸取）、固體藥品的接觸和分離實現反應的發生和停止。

3 應用案例

學習了有關含碳物質的完全燃燒和不完全燃燒。學生對含碳物質的完全燃燒產物是二氧化碳比較容易理解，也會用澄清石灰水變渾濁來驗證，但對含碳物質的不完全燃燒產物一氧化碳并沒有直觀的認識，本實驗通過自主開發設計的多功能數字實驗儀來完成含碳物質木炭、蠟燭燃燒的實驗，并借助傳感器對含碳物質燃燒的產物進行定量的探究。

蠟燭和木炭是生活中常見的含碳物質，本實驗采用電子打火器在容器內點火，在密閉裝置中燃燒。通過氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、一氧化碳檢測儀同時測定實驗過程中氧氣、二氧化碳和一氧化碳等濃度的變化。

3.1 實驗儀器

多功能環保型數字化實驗儀（自制）、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、一氧化碳檢測儀、打火器（能打出火苗的）

3.2 實驗藥品

實驗（1）： 木炭、10%過氧化氫溶液、二氧化錳（特殊粘合劑制作的小球）

實驗（2）： 蠟燭、10%過氧化氫溶液、二氧化錳（特殊粘合劑制作的小球）

4 實驗原理

含碳物質充分燃燒時，與氧氣反應生成二氧化碳，同時放出大量的熱。當含碳物質不充分燃燒時，生成一氧化碳，同時放出熱量。當含碳物質在密閉裝置內燃燒時，同時利用氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、一氧化碳檢測儀測定含碳物質燃燒過程中氧氣、二氧化碳、一氧化碳的含量的變化，從而準確地認識含碳物質的燃燒原理，為生活中含碳燃料不完全燃燒所帶來的危險及能源浪費提供了佐證。除此之外，利用一氧化碳檢測儀中的數據還能感知一氧化碳所帶來的不良后果以及改進方法。通過該實驗不僅可以探究含碳物質不完全燃燒的情況，還能利用該裝置的優勢通過探究找到解決問題的方法。

5 實驗操作要點、現象及結論

實驗1： 利用多功能數字實驗儀對人教版九年級化學有關碳的燃燒實驗進行研究。

人教版九年級化學第六單元課題1“金剛石、石墨和C60”有關碳的燃燒有這樣兩段描述[4]：

1. 當木炭充分燃燒時，與氧氣反應生成二氧化碳，同時放出大量的熱。

C+O2點燃CO2

2. 當木炭不充分燃燒時，生成一氧化碳，同時放出熱量。

2C+O2點燃2CO

（1） 操作要點： ①檢查裝置的氣密性。②安裝實驗儀，連接氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、一氧化碳檢測儀，并將氧氣傳感器數值校準至21%。③利用專用液化氣燈先將木炭點燃，待其紅熱時，伸入儀器中，放在特制耐高溫玻璃器皿內。④點擊開始實驗，采集氧氣、二氧化碳濃度，同時觀察一氧化碳檢測儀的數值變化。

（2） 實驗數據及現象： 氧氣濃度不斷下降，二氧化碳濃度不斷上升（見表1、圖2），同時一氧化碳濃度不斷上升，一氧化碳報警器開始報警，過一段時間后，木炭熄滅。

（3） 實驗結論： 木炭在密閉裝置中燃燒生成二氧化碳的同時還生成一氧化碳;木炭燃燒，并不能將空氣中氧氣消耗完（見圖2）。

實驗2： 利用多功能數字實驗儀對人教版九年級化學第一單元課題3“對蠟燭及其燃燒的探究”有關蠟燭燃燒產物進行研究。

（1） 操作要點： ①檢查裝置的氣密性。②安裝實驗儀器，連接氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、一氧化碳傳感器，并將氧氣傳感器數值校準至21%。③向裝置中倒入適量過氧化氫溶液，使長頸漏斗下端形成液封。④點擊開始實驗，電子打火點燃蠟燭，采集氧氣、二氧化碳的濃度數據，并觀察一氧化碳檢測儀的數值變化。⑤當氧氣濃度降到18%左右時，向長頸漏斗中繼續加入過氧化氫溶液，觀察氧氣、二氧化碳、一氧化碳濃度的變化。

（2） 實驗數據及現象： 氧氣濃度不斷下降，二氧化碳濃度不斷上升（見表2、圖3），同時一氧化碳濃度不斷上升。一氧化碳報警器開始報警，一段時間后，蠟燭火焰變小，倒入過氧化氫溶液后，蠟燭火焰變大，同時變得更加明亮了。

（3） 實驗結論： 蠟燭在密閉裝置中燃燒生成二氧化碳的同時還生成一氧化碳，蠟燭燃燒，并不能將空氣中氧氣消耗完（見圖3）。另外，隨著氧氣濃度的增加，一氧化碳含量下降。

6 實驗說明

（1） 該實驗可以讓學生在數據變化和感官體驗認知中，切實體驗到含碳物質在氧氣充足和不充足的條件下燃燒的狀況和燃燒產物的不同，同時認識到物質燃燒不是有氧氣就能發生，要發生燃燒氧氣必須達到一定的量。該實驗既激發了學生的學習興趣，又深化了學生對教材知識的理解。

（2） 本實驗源于化學學習中的真實問題，即證明含碳物質的完全燃燒和不完全燃燒的產物。實驗反應特點有： ①含碳物質在透明的密閉裝置中燃燒，可以清楚地觀察到含碳物質從燃燒到熄滅的整個過程。②使用氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、一氧化碳檢測儀檢測密閉容器中氧氣、二氧化碳、一氧化碳濃度的變化。數據通過動態曲線呈現，學生真實體驗到含碳物質在氧氣充足和不充足的條件下燃燒狀況和燃燒產物的不同，深化了對燃燒反應復雜性的認識。

（3） 本套實驗裝置不僅能探究含碳物質的燃燒，還能應用于多組化學實驗，如： 燃燒條件的探究、溶解過程的探究、溶液及其反應中pH的測定、空氣中氧氣含量的測定，氣體的制備、檢驗及性質實驗等。

7 結語

教材是教學的重要信息來源，教材給出的實驗一般均具有普遍性、可行性等特點，全面提升學生的化學素養，需要教師在實驗教學中不斷創新、勇于探索。教授學生定性研究的方法，更要強化學生定量研究的意識，將定性研究與定量研究結合起來，這樣的科學探究才是科學的、有效的。我們將數字化實驗應用于實驗探究中，是對教材實驗的有效補充，增強了實驗探究的科學性和準確性。同時，將傳統實驗與現代實驗手段有效融合不僅開闊了學生的視野，而且還提升了化學實驗教學的實效。

參考文獻：

[1]謝丹敏. 探究微粒運動實驗裝置的新設計[J]. 化學教學， 2021， （2）： 56.

[2]羅兵. 氯氣制備及性質實驗裝置的組合化與微型化設計[J]. 化學教學， 2012， （5）： 50.

[3]吳曉紅， 田小蘭， 蔣思雪. 以培養學生STEM素養為目標的項目化學習設計——以“愛護水資源”為例[J]. 化學教學， 2017， （12）： 38.

[4]王晶. 鄭長龍. 義務教育教科書·化學·九年級上冊[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 110.