例談借助數(shù)字傳感器學(xué)習(xí)真實(shí)的化學(xué)

魏毅鳴

摘要：學(xué)習(xí)真實(shí)的化學(xué)是化學(xué)教學(xué)的目標(biāo)之一，使用數(shù)字傳感器是學(xué)習(xí)真實(shí)的化學(xué)的重要硬件支持。本文介紹通過濕度傳感器和pH傳感器探究鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生的白色煙霧的成分和來源。

關(guān)鍵詞：數(shù)字傳感器;鈉與水反應(yīng);核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2022）10x-0088-03中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

從事化學(xué)教學(xué)多年，教給了學(xué)生很多化學(xué)知識，很多化學(xué)知識是經(jīng)過筆者加工處理的二手知識，很多情境也是虛擬的情境。反思起來，不禁心生忐忑，究竟有沒有讓學(xué)生學(xué)到最真實(shí)的化學(xué)呢？

真實(shí)的化學(xué)源于指向?qū)W生核心素養(yǎng)發(fā)展的要求?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出：倡導(dǎo)真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動，重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。[1]

學(xué)習(xí)真實(shí)的化學(xué)，要對化學(xué)反應(yīng)變化的過程有直觀的認(rèn)識，傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)通常會定性或間接觀察化學(xué)變化，很少定量地反映真實(shí)的化學(xué)反應(yīng)。數(shù)字傳感器可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的這一不足。借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，可以創(chuàng)設(shè)問題情境，利用電導(dǎo)滴定法研究酸、堿、鹽間發(fā)生復(fù)分解型離子反應(yīng)的規(guī)律，從宏觀—微觀—符號—曲線四重表征的視角，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，使學(xué)生在實(shí)證中體驗(yàn)和感悟離子反應(yīng)真實(shí)發(fā)生，并進(jìn)行反思。[2]借助數(shù)字傳感器能促使學(xué)生學(xué)會從真實(shí)情境中提煉出實(shí)際問題，在解決實(shí)際問題的過程中，學(xué)習(xí)相關(guān)的化學(xué)知識，建構(gòu)知識模型。[3]

哪些實(shí)驗(yàn)情境能借助數(shù)字傳感器幫助學(xué)生認(rèn)識真實(shí)的化學(xué)呢？

一、借助數(shù)字傳感器可使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象放大化

化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要任務(wù)是對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，普通人的觀察是有一定局限性的。數(shù)字傳感器的特點(diǎn)可以放大現(xiàn)象，而且針對細(xì)微的變化能夠很靈敏地檢測。譬如使用微距鏡頭可以顯示出肉眼難以發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)。使用色度計或濁度計可以辨別細(xì)微的顏色變化和渾濁度的變化。還有很多的傳感器可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象放大化的效果，對提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，改善觀察體驗(yàn)有著極大的好處。

二、借助數(shù)字傳感器可使實(shí)驗(yàn)的隱性現(xiàn)象顯性化

化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有很多現(xiàn)象是不能直接觀察到的，譬如：溫度的改變、密度的改變、質(zhì)量的改變、酸堿度的改變、干濕度的改變、氣體壓強(qiáng)的改變等等。及時獲取化學(xué)實(shí)驗(yàn)中這些變量的改變信息，能幫助學(xué)生把化學(xué)實(shí)驗(yàn)豐滿起來，也能幫助學(xué)生全面認(rèn)識化學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在變化。

三、借助數(shù)字傳感器可以使實(shí)驗(yàn)更加直觀簡潔

傳統(tǒng)傳感器也會產(chǎn)生很多數(shù)據(jù)，需要人為處理和分析，增加了工作量和實(shí)驗(yàn)時間。數(shù)字傳感器借助軟件，減少了實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠直觀地呈現(xiàn)為圖表形式。提高了實(shí)驗(yàn)效率，節(jié)省了寶貴的實(shí)驗(yàn)時間，讓實(shí)驗(yàn)者能夠更好地集中精力處理實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出來的化學(xué)問題。

四、借助數(shù)字傳感器可以更加方便地進(jìn)行探究

傳統(tǒng)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者都是帶著預(yù)設(shè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象符合預(yù)期就是成功的實(shí)驗(yàn)，很多細(xì)節(jié)上的異常被有意無意忽略了，其實(shí)如果堅(jiān)持探究這些細(xì)節(jié)上的異常會得到意想不到的成果。借助數(shù)字傳感器，可以及時捕捉到異常的信息，并將其“忠實(shí)”地記錄下來，通過這些生成性的信息不斷找尋背后的真相，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，也有利于提高學(xué)生運(yùn)用知識解決“真”問題的能力，在潛移默化中提高了學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

以“金屬鈉和水反應(yīng)”案例來談?wù)勅绾谓柚鷶?shù)字傳感器學(xué)習(xí)真實(shí)的化學(xué)。

金屬鈉和水反應(yīng)是高一化學(xué)常做的一個實(shí)驗(yàn)。不同版本的教材對這個實(shí)驗(yàn)的處理是不一樣的。

人教版教材設(shè)計成探究實(shí)驗(yàn)：在燒杯中加入一些水，滴入幾滴酚酞溶液，然后把一塊綠豆大的鈉放入水中。從鈉在水中的位置、鈉的形狀的變化、溶液的顏色變化等方面觀察和描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，你能得出哪些結(jié)論？

蘇教版教材設(shè)計成演示實(shí)驗(yàn)：向一只盛有水的小燒杯中滴加幾滴酚酞溶液，然后投入一小塊（約綠豆大小）金屬鈉（吸干煤油，并切去鈉的表層），盡可能多地記錄下你所觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并對其作出合理的解釋。

鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，都會歸納為“金屬鈉浮在水面上，熔化成閃亮的小球，四處游動，發(fā)出嘶嘶的響聲，產(chǎn)生使酚酞變紅的物質(zhì)”。但是伴隨著鈉與水的反應(yīng)，會產(chǎn)生白色煙霧，并伴有刺激性的氣味。該白色煙霧的成分和成因眾說紛紜，有認(rèn)為是水氣、有認(rèn)為是堿霧，但都沒有進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過對該現(xiàn)象的探究，能促進(jìn)學(xué)生對鈉的相關(guān)知識的掌握。

可以用數(shù)字實(shí)驗(yàn)將隱性現(xiàn)象顯性化并且放大。根據(jù)爭論的焦點(diǎn)，選擇濕度傳感器來測量水氣的產(chǎn)生量，通過pH傳感器（用水濕潤）測量堿性物質(zhì)的產(chǎn)生量，通過數(shù)據(jù)采集器把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X軟件上，實(shí)時通過圖表表現(xiàn)出來。實(shí)驗(yàn)裝置Ⅰ如圖2所示。

為了對比，在相同條件下，分別取大小不同的兩個鈉塊分別放入裝置的燒杯中，測量反應(yīng)進(jìn)行過程中燒杯口的濕度和pH的變化。其中①組取的鈉塊較?。ňG豆大?。诮M取的鈉塊比①組稍大一點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)后得到的濕度變化和pH變化如圖3和圖4所示。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：鈉塊越大，白色煙霧越多，數(shù)據(jù)變化的特征也會越明顯。數(shù)據(jù)變化有以下規(guī)律：隨著反應(yīng)進(jìn)行，燒杯口的濕度先上升，后逐步下降;同時，pH卻在穩(wěn)步上升。這便證實(shí)了一個事實(shí)：白色煙霧一開始是含有堿性物質(zhì)的水氣的白霧，后來水的含量下降，產(chǎn)生由氧化鈉和過氧化鈉以及氫氧化鈉固體小顆粒組成的白煙。

生成性的問題來了，后期產(chǎn)生的固體小顆粒來自哪兒？來自金屬鈉本身的揮發(fā)呢，還是來自水溶液沸騰之后的揮發(fā)物呢？學(xué)生對白色煙霧的來源產(chǎn)生了濃厚的興趣。

設(shè)計實(shí)驗(yàn)來區(qū)別這兩種揮發(fā)物。同樣需要用到數(shù)字傳感器。用濕度傳感器和pH傳感器，測量鈉在水下反應(yīng)時帶出的物質(zhì)和鈉在水面反應(yīng)時帶出的物質(zhì)的濕度和pH的差異。實(shí)驗(yàn)裝置Ⅱ如圖5所示。

如圖6、圖7所示，鈉塊在第10s放入水中并被銅片和脫脂棉包裹和“鉗制”，被迫在水面下反應(yīng)。第20s后，鈉塊從銅片的縫隙中鉆出，漂浮在水面上繼續(xù)反應(yīng)。得到pH和濕度變化的圖像。

由數(shù)據(jù)曲線不難看出，水下鈉反應(yīng)帶出的氣體中有堿性的物質(zhì)也有濕度，而在水表面鈉反應(yīng)產(chǎn)生的氣體中有堿性的物質(zhì)卻很干燥。這就驗(yàn)證了第一個實(shí)驗(yàn)，鈉一開始反應(yīng)時與水接觸，所以測得的pH和濕度都在增加，而一會兒后，鈉就和水隔絕開了，產(chǎn)生氣體的濕度下降。但堿性物質(zhì)還在產(chǎn)生，這是因?yàn)榉磻?yīng)中放出的熱量導(dǎo)致液態(tài)金屬鈉揮發(fā)，產(chǎn)生的鈉蒸氣與氧氣和水蒸氣反應(yīng)產(chǎn)生了具有堿性的鈉的氧化物和氫氧化鈉。

通過這個案例的探究，本實(shí)驗(yàn)的參與者們還可以意識到，在進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)的過程中，存在吸入堿性物質(zhì)的風(fēng)險的，需要提醒他人注意防范，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任素養(yǎng)。在查找文獻(xiàn)、設(shè)計實(shí)驗(yàn)的過程中也培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究和創(chuàng)新意識素養(yǎng)。在解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、尋求變化本質(zhì)的過程中培養(yǎng)了學(xué)生的證據(jù)推理素養(yǎng)。最終在這樣一個真實(shí)的情境下，讓學(xué)生在思想和方法、具體實(shí)踐以及價值追求等層面都實(shí)現(xiàn)了化學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。學(xué)生通過數(shù)字傳感器學(xué)習(xí)真的化學(xué)，在真實(shí)探究中掌握科學(xué)研究的方法。這種滿滿的獲得感是很有意義的，會使他們今后在面對真實(shí)的任務(wù)時充滿自信，會試著用數(shù)字傳感器分析現(xiàn)象背后的本質(zhì)。數(shù)字傳感器真正的實(shí)現(xiàn)了關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程，可創(chuàng)設(shè)與生活關(guān)聯(lián)的、任務(wù)導(dǎo)向的真實(shí)情境，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]劉臣，李伏剛.讓學(xué)生深刻體驗(yàn)和感悟離子反應(yīng)真實(shí)發(fā)生——電導(dǎo)滴定法在研究酸堿鹽反應(yīng)規(guī)律中的應(yīng)用[J].化學(xué)教育（中英文），2020，41（13）：48-53.

[3]夏添，何彩霞.基于真實(shí)問題情境的“糖類”教學(xué)[J].化學(xué)教學(xué)，2020（06）：48-52.