基于數(shù)字化手持技術(shù)pH計(jì)的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

摘 要：圍繞基于數(shù)字化手持技術(shù)pH計(jì)的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)路徑展開分析討論，以滬教版初中化學(xué)教材作為研究對象，闡述在酸堿度測定、酸堿度曲線測定等知識的學(xué)習(xí)過程中數(shù)字化手持技術(shù)pH計(jì)的應(yīng)用方法，旨在培養(yǎng)學(xué)生良好的信息化素養(yǎng)，使其在掌握數(shù)字化技術(shù)的同時(shí)建立化學(xué)思維，提升實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：初中化學(xué)；數(shù)字化手持技術(shù)；滬教版教材；酸堿計(jì)

作者簡介：林玲（1987—），女，江蘇省昆山市第二中學(xué)。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是研究、驗(yàn)證化學(xué)理論的重要方法，強(qiáng)調(diào)通過化學(xué)反應(yīng)、測量和觀察，探索化學(xué)物質(zhì)變化規(guī)律以及作用機(jī)理。在教學(xué)過程中，教師需要合理利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解理論知識，培養(yǎng)科學(xué)思維。但傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)測定誤差，實(shí)驗(yàn)方式有待改進(jìn)，為解決這一問題，本文認(rèn)為應(yīng)將數(shù)字化技術(shù)融入初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

一、數(shù)字化手持技術(shù)分析

數(shù)字化手持技術(shù)指的是一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)體系，以信息化技術(shù)、計(jì)算機(jī)設(shè)備為依托，由傳感器、數(shù)據(jù)采集器以及一系列配套程序組成。這一技術(shù)的主要優(yōu)勢在于操作便捷，易于攜帶，能夠直觀、實(shí)時(shí)地展現(xiàn)電壓、光強(qiáng)度、溫度、pH等數(shù)據(jù)信息。將其運(yùn)用在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以有效打破時(shí)空限制，使實(shí)驗(yàn)?zāi)茉诟鞣N場所順利開展。同時(shí)，數(shù)字化手持技術(shù)還能提高測量的精確度，測取傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中難以直接獲取的實(shí)驗(yàn)信息，并通過分析軟件、儀器顯示屏，向操作者直觀展現(xiàn)自動計(jì)算后的數(shù)據(jù)結(jié)果，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

手持式pH計(jì)是一種用于檢測液體酸堿度的裝置，環(huán)境適應(yīng)力較強(qiáng)。本文以手持式pH計(jì)在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用為例，列舉多種教學(xué)場景，旨在為數(shù)字技術(shù)融入化學(xué)課堂的研究提供參考。

二、溶液酸堿度測定實(shí)驗(yàn)

（一）樣品

預(yù)先準(zhǔn)備好測試樣品，包括36.5%的氯化氫溶液和氫氧化鈉溶液各4份，其中1份作為稀釋前對照組，其余3份分別進(jìn)行1倍、10倍及多倍的稀釋處理。同時(shí)，準(zhǔn)備純牛奶、碳酸飲料、橙汁。

（二）實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)

完成測定后應(yīng)第一時(shí)間記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。測定不同溶液時(shí)，需要預(yù)先使用蒸餾水清洗pH計(jì)，保證玻璃探頭清潔無雜質(zhì)、靈敏度高，清洗3—6次后，使用紙巾吸干多余水分。測試時(shí)，緩慢將pH計(jì)探頭浸入待測液體中，靜置約30秒，待數(shù)值穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。每組樣品至少進(jìn)行3次測量，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。在動態(tài)測定溶液酸堿度時(shí)，應(yīng)將待滴定溶液放入燒杯，調(diào)節(jié)滴定管，定量加入酸或堿溶液，并依靠磁力攪拌裝置完成攪拌作業(yè)。磁力攪拌裝置利用磁場同性相斥、異性相吸的原理，結(jié)合磁場推動設(shè)備，使容器中帶有磁性的攪拌子快速旋轉(zhuǎn)，以此確保液體攪拌均勻、充分。實(shí)驗(yàn)過程中需確保玻璃探頭完全浸入液體中，以避免測量誤差。

三、溶液稀釋過程中的酸堿度變化分析

（一）教學(xué)難點(diǎn)

教師在教學(xué)時(shí)需要充分考慮初中生的認(rèn)知特點(diǎn)，了解他們的個(gè)性化需求，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣為目標(biāo)。初中生在剛接觸溶液酸堿性知識時(shí)，一般都能簡單區(qū)分不同溶液的酸堿性，但對稀釋過程中酸堿度的變化缺乏深入了解。滬教版初中《化學(xué)》不涉及溶液酸堿度的分析以及計(jì)算方法，使得學(xué)生對酸堿度的理解較為模糊。盡管教材對一些常見溶液的酸堿度范圍進(jìn)行了說明，如牛奶的pH在6—7之間，醬油為弱堿性，pH約在4—5之間，但未詳細(xì)解釋上述液體的酸堿度表達(dá)了怎樣的變化趨勢，導(dǎo)致學(xué)生對酸堿度數(shù)值差異的理解較為片面。此外，在反復(fù)稀釋酸堿溶液后，溶液的酸堿值趨于7，即酸堿度變化曲線在稀釋倍數(shù)增加后幾乎無明顯變化。對于這種現(xiàn)象，很多學(xué)生往往一知半解。這表明，他們對酸堿度在稀釋過程中的變化的認(rèn)識還停留在表面，缺乏主動進(jìn)行定量分析的能力和機(jī)會。因此，教師在教學(xué)中需合理應(yīng)用數(shù)字化手持技術(shù)，用直觀、形象化的方式呈現(xiàn)較為抽象、晦澀難懂的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生理解［1］。

（二）教學(xué)路徑

在酸堿度測定過程中，可以先使用pH試紙獲得不同稀釋倍數(shù)溶液的酸堿度數(shù)據(jù)。比如，稀釋前，溶液的pH為0.45；稀釋1倍后，pH為0.80；稀釋10倍后，pH為1.32；再稀釋多倍后，pH為1.79。部分學(xué)生可能會認(rèn)為pH變化1即為1倍稀釋的結(jié)果。然而，數(shù)據(jù)表明，稀釋1倍后，pH的變化幅度未達(dá)到1，而是在稀釋10倍后才接近1。這種現(xiàn)象可以幫助學(xué)生認(rèn)識到實(shí)際數(shù)據(jù)與自身認(rèn)知的差距，加深他們對溶液pH變化的理解。依托實(shí)驗(yàn)探究，幫助學(xué)生培養(yǎng)定量分析能力，為后續(xù)的酸堿度計(jì)算和概念學(xué)習(xí)夯實(shí)基礎(chǔ)。此外，在多次稀釋過程中，酸堿度的變化幅度趨于平緩，稀釋后的酸堿度變化曲線也沒有呈現(xiàn)線性變化。這一現(xiàn)象有助于學(xué)生理解酸堿性溶液的稀釋原理，使傳統(tǒng)的圖形分析轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw概念分析。

四、溶液酸堿度曲線變化分析

（一）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在初中化學(xué)中，酸堿中和反應(yīng)和pH曲線分析一直以來都是教學(xué)難點(diǎn)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到演示實(shí)驗(yàn)的限制，學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)知識點(diǎn)時(shí)只能依靠教師提供的pH曲線進(jìn)行淺層記憶。這種方式不僅不利于學(xué)生對知識的準(zhǔn)確掌握，也使他們難以將所學(xué)知識應(yīng)用于解決實(shí)際問題。為解決此類問題，本文設(shè)計(jì)了利用數(shù)字化手持技術(shù)pH計(jì)的測定實(shí)驗(yàn)，完善學(xué)生的知識架構(gòu)。實(shí)驗(yàn)所用裝置主要包括：

（1）反應(yīng)裝置：用于進(jìn)行液相單相反應(yīng)以及液液、氣液、固液等多相反應(yīng)過程的設(shè)備，包括滴定管、磁力攪拌器。滴定管用于控制溶液添加速率，磁力攪拌器確保酸堿反應(yīng)充分進(jìn)行。

（2）記錄裝置：包括平板和移動設(shè)備，搭載同屏技術(shù)，動態(tài)展現(xiàn)酸堿值的變化情況。

（3）測試系統(tǒng)：主要由pH計(jì)和計(jì)算機(jī)組成，通過將pH計(jì)與計(jì)算機(jī)連接，自動生成測試結(jié)果并繪制pH曲線圖［2］。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對于堿滴定酸溶液的過程，pH變化如下：實(shí)驗(yàn)開始60秒后，pH為1.49；120秒后，pH達(dá)到1.8；180秒后，pH為2.3；210秒后，pH為4.9；240秒后，pH上升到11.7；300秒后，pH達(dá)到12.2。

對于酸滴定堿溶液的過程，pH變化如下：在實(shí)驗(yàn)開始20秒后，pH為12.79；40秒后，pH為12.74；60秒后，pH為12.5；80秒后，pH為11.9；100秒后，pH降到2.6；120秒后，pH為2。

分析以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在不同時(shí)間段內(nèi)，pH變化差異顯著。從實(shí)驗(yàn)開始至210秒后，pH變化約為4.2；而在210—240秒，pH變化接近7。實(shí)驗(yàn)后期，pH變化在0.5左右，可見整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中pH曲線變化呈現(xiàn)非線性特征。實(shí)驗(yàn)開始和臨近結(jié)束階段，pH變化較為平緩，而在中和反應(yīng)的突變點(diǎn)附近，pH波動較為劇烈。通過這種數(shù)據(jù)表現(xiàn)，可以幫助學(xué)生更好地理解酸堿中和反應(yīng)中溶液pH曲線中的突變區(qū)域，以及溶液酸堿度的變化趨勢。

綜上所述，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入直觀的數(shù)據(jù)展示，能夠提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)為學(xué)生培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)［3］。

五、有色液體酸堿度分析

在初中化學(xué)的酸堿度測試教學(xué)中，通常可以通過指示劑或pH試紙的顏色變化來判斷溶液的酸堿性，并依據(jù)顏色的深淺來估測溶液的酸堿度。然而，這種方法的準(zhǔn)確性還有待提升，特別是在測定識別度較低的有色液體時(shí)，可能產(chǎn)生較大誤差，難以確保讀數(shù)的精確性。例如，將紫色石蕊試劑加入酸性溶液中，溶液會變?yōu)榧t色，這是因?yàn)樗嵝匀芤褐械臍潆x子與試劑分子結(jié)合形成了紅色的酸式分子。這種紅色帶有紫色調(diào)，對于橙汁、可樂等有色液體來說，由于其固有顏色，使用紫色石蕊試劑進(jìn)行酸堿度判斷可能會受到干擾。為了避免這樣的情況，可以引入數(shù)字化手持技術(shù)pH計(jì)，通過將玻璃探頭緩慢浸入待測溶液，直接從pH計(jì)上獲取準(zhǔn)確的pH。例如，橙汁的pH為3.4，可樂的pH為2.9，奶茶的pH為6.3，牛奶的pH為6.2。相較于傳統(tǒng)的指示劑測定，數(shù)字化手持pH計(jì)提高了酸堿度檢測的效率，讓學(xué)生能直接獲取精確的pH，有效減少了測定

誤差［4］。

六、“酸和堿的中和反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)

“酸和堿的中和反應(yīng)”的教學(xué)內(nèi)容包括中和反應(yīng)的基本原理、實(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)探究過程。其中，氫氧化鈉與鹽酸的中和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)屬于重點(diǎn)，學(xué)生需要掌握溶液配制、滴定的注意事項(xiàng)，按照實(shí)驗(yàn)操作標(biāo)準(zhǔn)選擇指示劑，觀察pH的動態(tài)變化。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，教師準(zhǔn)備5 mL的氫氧化鈉溶液，加入少量無色酚酞指示劑。若溶液變紅，則確認(rèn)其為堿性，隨后緩慢滴加稀鹽酸，同時(shí)攪拌，直至溶液由紅色轉(zhuǎn)為無色，表明氫氧化鈉溶液已被中和。在此期間，學(xué)生可以觀察到溶液顏色的變化，理解氫氧化鈉溶液與稀鹽酸的化學(xué)反應(yīng)過程。由于教材多注重定性分析，未包含定量數(shù)據(jù)，限制了學(xué)生深入理解實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和反應(yīng)過程。對此，教師可借助數(shù)字化手持技術(shù)，用pH計(jì)精確測量并記錄酸堿中和反應(yīng)的完整過程，幫助學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)的電導(dǎo)率、溫度、pH變化等，了解酸堿中和反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。例如，通過pH傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測pH變化，觀察到氫氧化鈉溶液在加入鹽酸前呈堿性（pH＞7），隨著鹽酸的逐漸滴入，pH曲線持續(xù)下降，直至達(dá)到中性或酸性區(qū)域，充分展示了鹽酸與氫氧化鈉溶液的化學(xué)反應(yīng)過程，如圖1所示。此外，還可利用溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器繪制溫度變化曲線圖、電導(dǎo)率變化曲線圖，從不同角度探究化學(xué)實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)特征。教師通過合理引導(dǎo)，幫助學(xué)生總結(jié)酸堿中和反應(yīng)的原理與結(jié)果，以此增添化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，依托數(shù)字化手持技術(shù)，賦予學(xué)生“透視”物質(zhì)反應(yīng)變化的眼睛。

在課堂總結(jié)環(huán)節(jié)，教師可以組織學(xué)生利用數(shù)字化手持pH計(jì)測量生活中的有色液體，以拉近化學(xué)學(xué)科與實(shí)際生活的距離，讓學(xué)生掌握化學(xué)知識的應(yīng)用方法，做到學(xué)以致用。經(jīng)過前期的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，學(xué)生已掌握酸堿中和反應(yīng)的反應(yīng)原理，學(xué)會了pH計(jì)的使用方法，因此教師可以讓他們試著檢測可樂、橙汁等有色液體的酸堿度。傳統(tǒng)的紫色石蕊試劑測試法中，橙汁和可樂的固有顏色會干擾試劑的顏色變化，影響結(jié)果判讀，而數(shù)字化手持pH計(jì)可以直接測定這些有色液體的pH值。需要注意的是，為了充分發(fā)揮數(shù)字化手持pH計(jì)的優(yōu)勢，在使用前應(yīng)將pH計(jì)插入已標(biāo)定的緩沖液中，隨后按下“cal”按鈕校準(zhǔn)；拿出玻璃電極，用蒸餾水沖洗干凈并吹干；將電極緩慢放入待測溶液中，待數(shù)值穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。每次測量后應(yīng)將玻璃電極取出清洗，以保持測量的精確性。

結(jié)語

綜上所述，數(shù)字化手持技術(shù)pH計(jì)在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助他們更好地掌握化學(xué)知識，通過具體化、立體化抽象概念，降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度，使其培養(yǎng)良好的學(xué)科核心素養(yǎng)。

［參考文獻(xiàn)］

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