水質測試筆“看見”水體質量的數字化實驗探究

廣東省深圳市羅湖教科院附屬學校(518001) 朱云敏

廣東省深圳市田東中學(518000) 羅雪儀

化學實驗、數據分析是初中化學學習的基礎，教師對實驗的設計顯得非常重要，讓學生更快、更便捷地通過化學實驗去學習化學，是學生學好化學的重要途徑之一[1]。事實上，化學實驗是了解未知物質的性質、豐富化學知識及解決實際化學問題的最好方法之一。但是，對于初中化學的某些知識點：如不同凈水方式的凈化程度比較、水的組成分析等，如教師在化學教學過程中只利用常規的實驗儀器與裝置開展化學實驗，則存在費時、乏味、效率低和效果差等問題。如何通過實驗的設計和優化彌補上述的缺陷？

隨著現代化信息技術的快速發展，信息技術在課堂教學中逐步普及，數字化實驗教學在化學課堂和實驗教學中已經得到開展。數字化化學實驗具有以下特點：實驗過程可視化、實驗現象客觀化、實驗屬性定量化、實驗易操作等特點[2，3]。在進行化學實驗探究時，學生除了要知道“怎么樣做實驗”“觀察實驗現象”“這個物質是什么”之外，還應明白更深層次的要求：“知道有多少”，這就需要初中化學實驗由單純的定性實驗向定量化實驗過渡。傳統的化學實驗教學往往注重培養學生的實驗操作能力和對實驗現象的觀察能力，但忽視了對學生自主探究能力的培養。那么，如何利用現代化、數字化的實驗手段提高學生學習化學的積極性和對化學實驗的參與度，培養學生的探究精神和實踐能力？為了解決以上的問題，筆者將水質測試筆(以下簡稱“水質筆”)引入傳統的化學實驗課堂，讓學生利用數字化的測試儀器“看見”水體的質量。

為了分析將水質筆引入傳統的化學實驗課堂的可行性，需對水質筆的工作原理進行分析。水質筆也稱TDS測試筆，TDS為Total Dissolved Solids(溶解性總固體)的縮寫，其工作原理如下：根據水體中可溶性物質的多少，液體的導電不同，判定水體中所含可溶融性顆粒的多少[4]。其中，一般情況下，水質筆的TDS值越小，說明水體中可溶融性顆粒的溶解量越小，水體的質量可能越高。因為在水體中，主要的溶解物質為：Ca2+、Mg2+、Na+離子及色素分子等，所以，從理論上分析用水質筆測定水體的質量是可行的。

1 測試樣品與方法

1.1 測試樣品

過濾后、活性炭吸附后、煮沸后、蒸餾后的水體樣品，怡寶飲用純凈水，農夫山泉飲用水(礦泉水)，可口可樂飲料，乳酸菌飲料。

1.2 方法及實驗過程

分別利用水質筆測試不同測試樣品的TDS，進行相關數據分析。測試前使用蒸餾水沖洗水質測試筆探頭3～5次，沖洗后用紙巾擦拭干凈。測試過程中，將水質筆浸入待測溶液中，待示數穩定后(約10 s)記錄相關數據，每個溶液樣品平行測試3次。在進行測定其他溶液TDS時，將水質筆探頭重新洗凈、擦拭后再進行下組溶液TDS的測定。

2 水質筆“看見”水體的質量

如圖1所示，過濾之后的液體變得澄清，但是澄清的液體并不透明，呈現淡紅色。主要原因是過濾實驗操作僅能去除液體中的顆粒較大的不溶性雜質，并不能除去溶解在水中的可溶性雜質，由于色素分子的存在，所以液體的顏色為淡紅色。通過對圖1的分析，我們也很好地證實了澄清不等于無色透明，利用學生的認識沖突，強化對知識的理解，增強學生對概念的學習興趣。那么，呈現顏色的液體如何進一步的凈化？

(a) (b)

2.1 活性炭吸附前后水體質量分析

在實驗和實際生活中，我們常利用活性炭的吸附性除去液體中的一些色素及異味。如圖2所示，經過活性炭吸附之后的液體，變得澄清透明。通過顏色對比，可以清晰地感受到經過活性炭的吸附后，水體得到了凈化，但是這樣一杯澄清無色透明液體的水體質量如何？直接的觀察是無法判別出來的。我們在活性炭吸附前后用水質筆進行了液體的TDS測試，測試結果表明：活性炭吸附前的液體TDS值為906 ppm，活性炭吸附后的液體TDS值下降為202 ppm，活性炭吸附前后液體的TDS變化是非常明顯的。通過測試結果，我們很好地驗證了水質筆用于實際數字化實驗的功能。

(a) (b)

通過對照飲用水標準(見表1)，我們可以發現：活性炭吸附后的液體TDS值稍高于硬水TDS值的上限。在九年級上冊的教材中是這樣定義硬水、軟水的：含有較多可溶性鈣、鎂化合物的水叫做硬水；不含或含有較少可溶性鈣、鎂化合物的水叫做軟水。在教材中鑒別軟水硬水的方法是利用肥皂水。其中，向硬水中加入肥皂水振蕩后有大量浮渣、少量泡沫產生。但是，不同硬水之間的區別我們并不能通過這樣定性的測試區分開來。慶幸的是，通過水質筆的使用，TDS數值的獲取，學生能直觀地“觀察”到硬水，并且有了一個初步的定量分析。活性炭吸附之后的液體并沒有達到飲用水的標準，得到的澄清液體的水體質量也是較差的，如何進一步將水體凈化？

表1 國際直接飲用水標準

2.2 硬水凈化前后水體質量分析

在教材中，將硬水軟化的方法主要為：通過煮沸降低水的硬度；在實驗室中，可以通過蒸餾降低水的硬度。且在教材分析中，有這樣的描述：實驗室用的蒸餾水是凈化程度較高的水。那么，如何分析硬水在煮沸后或蒸餾后是否被軟化？如何去比較煮沸的水和蒸餾水的凈化程度？這是一個學生理解上的難點并且是一個化學知識盲區。與圖1、圖2不同的是，在圖3中，不管是煮沸前、煮沸后還是蒸餾前、蒸餾后，液體都顯示為澄清透明，無法通過視覺鑒別出凈化前后液體質量的變化，更加不可能比較出蒸餾水和煮沸的水兩者水體凈化程度。

(a) (b) (c)

在實驗中引入水質筆，就能使上述問題得以快速、直觀地解決。通過對不同液體的TDS測試值進行分析，可以發現，在煮沸和蒸餾后，水體得到了凈化，雖然3杯液體都是無色澄清透明的，但是它們的TDS有較大的差異。其中，煮沸后的液體，如圖3(a)所示，液體的TDS為24 ppm，表明硬水在煮沸后水體質量有提高。煮沸后的液體已不屬于硬水，為軟水。如圖3(c)所示，蒸餾后的液體TDS僅為11 ppm，為純度高的理想飲用水。通過以上測試，我們可以很好地證實，硬水在煮沸、蒸餾后得到了軟化，TDS的數值都小于100 ppm。特別地，通過數字化水質筆實驗的設計，我們可以清晰看到圖3(a)與圖3(c)的區別，蒸餾后的液體TDS僅為11 ppm，小于煮沸后的液體的TDS(24 ppm)，這也很好地證明了蒸餾與煮沸兩種凈水方式的凈水程度的不同。蒸餾后的液體凈水程度更高。顯然，在實驗中引入水質筆，能可視化地解決學生遇到的難題，并且引入定量的分析，降低學生學習的難度并提高學生的學習樂趣。

3 生活中常見液體的TDS測定

上述實驗很好地證實了數字化水質筆的使用能很好地定量分析水體的質量，而水質筆在實際的生活中又有怎樣的延伸及應用？

3.1 飲用純凈水及礦泉水的TDS測定

學生對于水質筆有了初步的認識之后，可以將水質筆的測試延伸到實際的生活中。例如，我們平時飲用的水體質量怎么樣？為了進行相關的測試，我們將學生感興趣的飲用純凈水和飲用礦泉水分別進行了TDS測試。如圖4，飲用純凈水的TDS為0 ppm，礦泉水的TDS為39 ppm。以上的測試結果也很好地表明礦泉水中溶解有礦物質使得TDS的數值高于純凈水。實際上，兩種飲用水均達到了飲用標準，由于具體的飲用水種類不同，使得兩者的TDS有差別。通過以上的測試，學生對純凈水和礦泉水有了更直觀、更深層的了解，也強化了學生對“純凈物”“混合物”知識點的理解。生活中飲用水的TDS測試將實驗、測試由實驗室“帶到”生活中，通過學生自己動手操作來實際感受實驗的生活化。

(a) (b)

3.2 生活中飲料的TDS測定

在生活中，學生更感興趣的是測試飲料的TDS。通過相關調研，我們也進行了可口可樂和乳酸菌飲料的TDS測試，測試結果如圖5所示。通過相關的數據分析，我們可以清楚地看到可口可樂的TDS為472 ppm，乳酸菌飲料的TDS高達1 100 ppm。那么，通過與表1的指標對比，是否這兩種飲料都達不到飲用的標準？

(a) (b)

對于以上的問題，我們需要更深層次的分析，表1的標準是國際直接飲用水標準，而我們生活中經常遇到的液體的溶解物是更加復雜的，其中包括一些有機物等[5]。而飲料的TDS高，并不能表明飲料不可直接飲用。通過以上測試，我們可以在生活化的例子中深化理解TDS的含義，TDS是檢驗液體中各類有機物或者無機物的總和。對于飲用水有一定的標準(見表1)，但是生活中的液體由于溶解物的特殊性、復雜性，需要辯證地看待測試得到的TDS數值，也就是說：對于復雜體系的液體而言，并不能直接或只通過TDS的數值判定液體質量的好壞。故TDS越高，液體的質量不一定越不好，不一定不能飲用。生活中常見液體的TDS測定，使水質筆實驗基于教材的實驗，進行生活化測試的延伸，能很好地提高學生分析問題和解決生活中實際化學問題的能力。

水質筆的TDS能很好地表示活性炭吸附前后液體，煮沸、蒸餾前后液體的質量，另外，也能明顯地識別出煮沸和蒸餾兩種方法的凈水程度。水質筆的使用表現出便捷、快速的同時，也能更好地培養學生的定量思維。定量分析不同水體凈化程度是初中化學教學的難點與盲點，如在相關內容的教學過程中采用單純的理論講解，化學課堂存在費時、單調、效率低、效果差等問題，而手持式、數字化的實驗設計及測試能彌補上述缺陷。