手持技術在化學反應速率教學中的實踐*

葛 靜，于法鋒，湯希雁，劉志平**

(1.南寧市第十四中學，廣西 南寧 530021；2.南寧市第三中學，廣西 南寧 530021；3.南寧師范大學，廣西 南寧 530001)

手持技術，即在手上就可以完成操作的技術，主要由傳感器、數據采集器和配套軟件等實驗技術系統組成。手持技術相關儀器可以定量收集和提取實驗數據，通過傳感器采集數據后，計算機進行數據顯示、數據分析、數據存儲，并以圖形圖像方式呈現實驗的動態變化過程，體現了現代化技術與化學學科的充分融合[1]。手持技術能夠廣泛地應用于化學實驗中，主要表現為三個特點：改進傳統化學實驗、輔助傳統化學實驗和創新實驗。在化學實驗中采用手持技術可以充分利用它的優點，展示實時的實驗數據，揭示反應動態變化過程，提高學生對化學核心知識的理解與認知。

1 手持技術融入課堂教學的重要性

1)化抽象為具體，增強實驗結果的直觀性

在化學課堂中使用手持技術輔助教學，能將抽象化的知識點進行形象化，增強實驗結果的直觀性，培養了廣大學生獨立地分析實踐問題和解決實際問題的能力，減少學生的學習障礙。

2)化被動為主動，促進探究活動的實踐性

在新課程改革形勢下，倡導教學活動開展多元化的實踐探究活動，而手持技術便于操作，為學生進行實驗探究提供強大的技術支持。小組內可自行設計實踐方案，化被動學習為主動認知。

3)化記憶為理解，促進學生認知的理解性

手持技術能實時獲取實驗數據，行成動態的變化曲線，有利于學生認識化學反應的規律與實質，增強和提高學生對化學知識的理解，避免傳統的灌輸性記憶式學習。

4)化傳統為現代，增強實驗裝置的科技性

手持技術通過簡單的傳感器實時獲取常規實驗難以收集的數據，不僅提高了化學實驗的趣味性，也增強了化學創造的科技感。

2 手持技術在化學反應速率教學中的案例實踐

溫度、壓強、催化劑等因素對化學反應速率的影響較為抽象，因此采用案例探究來驅動教學任務，通過方案設計、實驗探究、數據收集、分析歸納等環節來開展本節課的教學活動，有利于學生深入理解外界因素是如何影響化學反應速率的。

2.1 探究濃度對反應速率的影響

以硫代硫酸鈉與稀硫酸的反應為案例，控制相同濃度的稀硫酸與不同濃度的硫代硫酸鈉之間的反應，利用色度傳感器采集數據，觀察透光率隨時間的變化曲線圖[2]。

[實驗儀器]比色皿、色度傳感器、數據采集器

[實驗藥品]Na2S2O3溶液 (0.2 mol/L、0.1 mol/L、0.05 mol/L)、1.0 mol/L 稀硫酸，見表1。

表1 實驗藥品

[實驗內容]用移液管根據表1的藥品比例向比色皿中加入先后加入 2 mL 濃度為 0.2 mol/L Na2S2O3溶液、2 mL 濃度為0.1 mol/L Na2S2O3溶液、2 mL 濃度為0.05 mol/L Na2S2O3溶液，連接好儀器，然后迅速倒入 1 mL 稀硫酸溶液，馬上放進色度傳感器，通過數據采集器記錄透光率隨時間變化的數據(圖1)。

圖1 透過率隨時間的變化曲線圖

[學生觀察與討論]圖1顯示出在單位時間內硫代硫酸鈉的濃度越高，透過率越低，說明生成黃色的硫單質的量越多，時間與透光率形成的曲線斜率就越大。當其它條件不變時，增加反應物的濃度，可以增大反應的速率。由此可以推出反應物的濃度越高，化學反應速率越快，也說明反應物濃度越大對化學反應速率的影響也越大。

[討論分析]增大反應物濃度，活化分子增多，反應速率加快。

[歸納總結]在其他外界條件下不變的情況下，活化的分子在各種反應物的分子中占有一定的百分比，當反應物濃度有所增加時，單位體積內的活化分子濃度就會有所增加，單位體積內的有效碰撞速率也就會隨之增加，化學反應速率也就會隨之加快。

2.2 探究壓強對反應速率的影響

以二氧化碳與水反應生成碳酸的可逆反應為案例，對比測量單位時間內生成碳酸的快慢，解釋壓強對化學反應速率的影響。

[實驗儀器]電腦，數據采集器，二氧化碳傳感，pH值傳感器等。

[實驗藥品]二氧化碳氣體、蒸餾水

[實驗內容]向裝有 20 mL 蒸餾水的三頸燒瓶注入 20 mL CO2氣體，通過pH值傳感器采集pH值隨時間的變化。同樣，將 40 mL 二氧化碳注入含有 20 mL 蒸餾水的三頸燒瓶中，同樣記錄pH值度隨時間的變化(圖2)。

圖2 pH值隨時間變化曲線圖

[學生觀察并討論]通過觀察pH值隨時間的變化曲線可以知道，在單位時間(0～100 s)內，注入 40 mL CO2氣體的pH值比注入 20 mL CO2氣體的pH值下降更快，說明注入 40 mL 二氧化碳與水生成的碳酸更多，也就是說增大體系的壓強可以加快化學反應速率。

[教師引導分析]請同學們試著分析對于有氣體參加的化學反應，增大氣體的體積會加快反應速率？同學們可以結合有效碰撞理論進行分析。

[討論分析]對于有氣體參加的反應，在其它條件不變的情況下，氣體的體積與其所受的壓強成正比。這意味著如果氣體壓力增加兩倍，體積會減少一半，單位體積內的分子會增加兩倍，不同物質的濃度會增加，有效碰撞的次數增加，化學反應的速度也會加快。

[歸納總結]在其他條件不變情況下，增大壓強，相當于增大單位體積的各組分的濃度，單位體積內所含活化分子數目增多，有效碰撞地幾率也會增大，所以反應速率也就會增大。相反，壓強下降，氣體體積膨脹，氣體濃度下降，反應速度下降。所以增大壓強的實質其實是通過增加氣體反應物的濃度來增加反應速率。

2.3 探究溫度對反應速率的影響

以H2O2分解釋放氧氣為案例，利用手持技術記錄在不同溫度下H2O2分解時動態測量氣體壓力隨時間的變化，精確實時的顯示出溫度對化學反應速率的影響的變化曲線。

[實驗準備]實驗儀器：氣壓傳感器、溫度計、數據采集器

[實驗藥品]30%H2O2

[實驗原理與設計]利用手持技術設計過氧化氫分解產生氧氣的實驗，控制其它條件不變的情況下，改變反應體系的溫度，通過氣壓傳感器測量產生氣體的壓強，觀察不同溫度下，化學反應速率的快慢。

[實驗步驟]將恒溫槽里的水溫調節控制在 20 ℃ 和 60 ℃，按照實驗裝置圖連接好裝置，用量筒量取2份 5 mL 30%的過氧化氫溶液倒入2支相同規格的試管中，分別采集同濃度不同溫度下溫度隨時間的變化量，待數據穩定后停止采集(圖3)。

圖3 氣壓隨時間變化曲線圖(溫度)

[實驗數據記錄與分析]

[學生觀察與討論]圖3顯示出在 20 ℃ 下H2O2分解特別的緩慢幾乎不分解，在單位時間內 60 ℃ 下H2O2分解比在 20 ℃ 下分解產生的O2更多，所以氣體壓力增大得更快，60 ℃ 下壓力與時間的曲線斜率比 20 ℃ 下壓力與時間的曲線斜率更大，說明溫度越高H2O2的分解產生的O2越多，化學反應速率越快。

[歸納總結]在其它條件不變的情況下，升高溫度，活性分子數量增加，活性分子百分比增加，有碰撞頻率增加，反應速度加快。

2.4 探究催化劑對反應速率的影響

以H2O2分解反應為案例，利用手持技術記錄在同一濃度的H2O2溶液下加入催化劑MnO2的氣壓隨時間的變化，精確實時的顯示出溫度和催化劑對化學反應速率的影響的變化曲線。

[實驗準備]實驗儀器：氣壓傳感器、溫度計、數據采集器

[實驗藥品]30%H2O2、MnO2

[提出問題]加入催化劑對化學反應速率的影響是加快還是減慢？

[實驗內容]先用量筒量取2份 5 mL 30%的過氧化氫溶液倒入2支規格相同的試管中。先用氣壓傳感器采集沒有加入二氧化錳試管的數據，再采集加入二氧化錳試管的數據，對比兩個實驗的差異(圖4)。

圖4 氣壓隨時間變化曲線(催化劑)

[實驗數據記錄與分析]

[學生觀察與討論]圖4顯示出添加催化劑能加速H2O2分解，在單位時間(0～50 s)內，向過氧化氫溶液添加催化劑產生的氧氣量比未添加催化劑時產生的氧氣量多得多，所以氣體壓力增加得更快，這表明在化學反應中加入催化劑會加快化學反應的速率。

[歸納總結]在其它條件不變的情況下，使用催化劑就會改變反應途徑，降低反應的活化能，增大活化分子的百分比，增加了有效碰撞的頻率，加快了化學速率。

3 實踐反思

采用手持技術作為一種強大科技化探究工具，具有便攜、直觀、靈活等特點，在教育現代化及數字化教學中具有積極作用。

運用手持技術使難以觀察到的實驗現象變得直觀化，也有可能將微小的實驗現象進行放大，把實驗現象呈現給所有學生，使全體學生都能體驗通過實驗獲取化學知識的學習[3]。此外，手持技術能實時精準的反映動態變化，學生可以通過數據曲線明確一個化學反應的反應速率并不是均勻變化的，加深對速率圖像的理解。將手持技術廣泛應用于課堂和教學中的實踐，能夠充分激發和培養學生的自主學習興趣，同時提高學生在實踐中的操作技巧，對學生信息收集、獲取、加工等方面的綜合素養。