手持技术在初中化学实验教学中的应用

文 王寿红

(王寿红，本科，高级实验师，主任，北京教育学院教师教育数理学院实验中心，100044)

手持技术又称“掌上技术”，是由数据采集器、传感器和配套的软件组成的定量采集各种常见数据并能与计算机连接的实验技术系统。其最突出的特点是便携、实时、准确、直观，数据变化过程与实验过程同步进行，可将实验数据以数字或图像的方式实时显示出来，因此能够较为直观、定量和全面地辅助化学教学。

义务教育化学新课标鼓励实验教学创新，提出“条件较好的学校，应积极开展改进、创新教师演示实验和学生实验的活动，创造条件让学生接触一些先进的实验仪器和设备，努力提高实验条件和实验手段的现代化水平” 。通过创造条件让学生接触一些先进的实验仪器和设备，例如将手持技术应用于初中化学实验教学，既可以开阔学生的视野、提高化学学习兴趣，又有助于学生对知识的理解，提高分析问题和解决问题的能力，促进学生科学素养的提高。笔者结合教学实践，开发了几个将手持技术中的温度传感器和气体压力传感器应用于初中化学实验教学的案例，供同行参考。

一、温度传感器的应用

在物理变化和化学变化过程中常伴随能量变化，利用温度传感器可以定量测量物质变化过程的温度，进而判断物质变化过程中的能量转换。做这类实验通常是通过手触摸容器外壁和使用温度计来定性和定量地测定体系温度变化，但这两种方法的灵敏度都比较低，尤其是物质溶解于水的过程和一些化学反应因能量变化不大或因为反应速率较慢，仅凭用手触摸或一般的测量方法，不易观察吸热或放热现象。利用温度传感器可以方便快捷地测量物质溶解于水和化学反应过程中的温度变化，不仅增强了检测的灵敏度，而且计算机可以实时显示物质溶解于水和化学反应时的温度—时间曲线，使学生在观察实验现象的同时，能够以直观、可视的方式对实验数据结果进行观察，有利于学生对物质变化过程中的温度变化进行判断，加深理解，利于记忆。

“溶解时的吸热或放热现象”是人教版《化学》(九年级下册)第九单元“溶液”课题1中的探究实验，内容是：请学生利用所给的仪器和药品设计实验方案，探究3种固态物质分别溶解于水时是放出热量还是吸收热量。利用温度传感器定量测量相同质量NaOH，NaCl和NH4Cl三种固体物质溶解于等体积水时溶液温度变化，其温度—时间曲线如图1所示。可见，NaOH溶解于水时，溶液温度升高，是放热过程；NH4Cl溶解于水时溶液温度降低，是吸热过程；NaCl溶解于水时，溶液温度稍有降低，也是吸热过程，但其降低程度较相同条件下的NH4Cl小得多。手持技术方便、快捷，可以同时使用3支温度传感器，使不同物质溶解于水时的温度变化同时呈现在一张温度—时间曲线图里，大大提高了实验教学效率，有利于学生观察和记忆。

图1 相同质量样品溶解时溶液温度—时间曲线

利用温度传感器还可以测量化学反应过程中的温度变化，判断反应是吸热反应还是放热反应，例如镁与盐酸反应、氢氧化钡与氯化铵反应等。通过实验，让学生感受物质在化学反应过程中的能量变化，能够更深刻地理解放热反应和吸热反应的含义。

二、气体压力传感器的应用

气体压力传感器与数据采集器和数据处理软件相结合，可用于检测密闭体系内的气压变化，并将气压变化以数字、曲线等多种形式通过计算机实时显示出来，有助于学生更好地把握实验动态，以及对实验结果进行分析和推测。

1.检测“空气中氧气含量测定”实验过程的气压变化

“空气中氧气含量测定”是初中化学一个非常重要的实验，既是教学的重点内容，也是学生学习的难点。其实验原理是利用红磷燃烧消耗密闭容器内空气中的氧气，使密闭容器内压强减小，当温度下降到室温后，打开止水夹，在大气压的作用下，进入容器内水的体积即为减少的氧气的体积。该实验是学生学习化学以来接触的第一个涉及“气压变化”的实验，实验原理中抽象的气压变化一直是学生理解的难点。利用气体压力传感器检测实验过程中的气压变化，其实验装置如图2所示。

图2 气体压力传感器检测“空气中氧气含量测定”实验的气压变化实验装置

实验过程中体系内气压变化曲线如图3所示。A点大气压为100.4 KPa；点燃红磷迅速将燃烧匙伸入集气瓶内，并将胶塞塞紧，由于红磷燃烧放热，此时集气瓶内空气受热膨胀，使瓶内气压瞬间增大，由B点升至C点；稍后，集气瓶中的氧气被红磷燃烧消耗，使瓶内气压迅速减小；待燃烧结束，冷却至室温，集气瓶内气体压强降至D点(79.6 KPa)；此时，打开止水夹，烧杯中的水迅速进入集气瓶中，瓶中气压迅速上升至E点(99.5 KPa)，这时烧杯内的水停止流入集气瓶，集气瓶内外压力平衡。由于广口瓶里导管口与烧杯内水面不相平，玻璃导管内存在一定液柱高差，导致反应结束后瓶内气压稍低于大气压。

图3 “空气中氧气含量测定”实验气压—时间曲线

将气体压力传感器应用于“空气中氧气含量测定实验”，不仅可以检测实验过程的气压变化，使化学反应过程中不易觉察的气压变化“可视化”，而且实现了对该实验的定量研究，较用肉眼观察进入集气瓶中水的体积约占集气瓶中空气体积的比例，估算空气中氧气含量更为准确和直观。这种方法不仅有助于学生深入理解实验原理、实验设计思路和操作方法，而且可以使学生学会从定量的角度分析和解决问题，培养科学的思维方法。

2.验证二氧化碳与氢氧化钠溶液反应

在初中化学“碱的化学性质”中，“二氧化碳与氢氧化钠溶液反应”是其中的重点内容。由于该反应没有可观察的明显现象，学生不易判断反应的发生，因此这种有气体参与、无明显现象的反应，可以借助气体压力传感器进行研究。利用气体压力传感器检测等量(20 mL)的40%氢氧化钠溶液和水分别与等体积(500 mL)、等压强的二氧化碳气体反应，实验装置如图4所示。

图4 气压传感器测定二氧化碳与氢氧化钠溶液反应和与水反应体系中的气压变化实验装置

反应体系气压—时间曲线如图5所示。氢氧化钠溶液中有水，二氧化碳溶于水，究竟是二氧化碳溶于水使反应体系压强变小，还是二氧化碳与氢氧化钠溶液反应使体系压强变小？由于一体积水能溶解一体积二氧化碳，因此注入水的烧瓶内二氧化碳气体压强几乎无变化；注入氢氧化钠溶液的烧瓶内二氧化碳气体的压强显著下降，从86 KPa降至0.5 KPa，二氧化碳气体几乎全部被消耗。此对比实验可作为二氧化碳与氢氧化钠溶液发生反应的有力证据。还可继续向圆底烧瓶的生成物中滴加稀盐酸，若有气泡产生，则进一步证明二氧化碳与氢氧化钠溶液发生了反应。

图5 二氧化碳与氢氧化钠溶液和二氧化碳与水反应体系气压—时间曲线

三、教学建议

1.手持技术可作为常规实验教学的有益补充

手持技术应用于初中化学实验教学，其最大的优势就是实时化、可视化和定量化。但能用传统实验方法呈现和说明问题的，就不必借助手持技术。手持技术可作为化学实验教学的辅助和有益的补充，只有在传统实验难以或无法实现的情况下，例如实验效果不佳或宏观现象背后不易觉察的微观变化以及需要定量化的实验等，可采用手持技术对传统实验进行改进和完善，将实验的教学功能最大化。对于有气体参与的化学反应，其中的气压变化是肉眼无法察觉的，尤其对于实验体系中微小的气压变化，采用气压传感器较借助气球的形状改变或U型管液面的升降来说明气压变化更灵敏、更具说服力。例如“物质溶解时的吸热和放热”实验，还可将温度传感器和气体压力传感器联用，检测密闭体系物质溶解过程中由于温度变化而引起的气压变化。

2.关注化学实验中的气压变化

许多化学实验都涉及气压变化，例如有气体参与或生成的化学反应、装置气密性的检验、物质溶解时的吸热和放热等。在教学时，教师在注重具体知识教学的同时，还应注意对化学实验中的气压变化进行分析，通过实验探究或展示反应体系气压—时间曲线，使学生对化学反应过程中伴随的气压变化有感性认识，不仅要知道气压变化对化学实验的影响，而且还要理解气压变化的原因，促进学生对气压变化实验的原理和设计方法的理解。教师只有在日常教学中关注化学实验中的气压变化，注意对气压变化进行分析，使学生逐步学会运用气压变化的原理分析和解决实际问题，这样学生在解答与气压有关的实验探究题时才会更加得心应手。

四、结束语

将手持技术应用于初中化学实验教学，是化学启蒙教育阶段培养学生科学素养的重要途径，其实时、快速、准确、直观的特点，不仅使实验操作简便、易于观察，降低了实验和学习的难度，促进学生对知识的理解、记忆、巩固和应用，而且提高了学生实验探究水平，有利于培养学生的创新意识和实践能力。将手持技术与传统实验有效结合，积极探寻手持技术在传统化学实验中的生长点，不仅为传统的化学实验教学注入新的活力，还有助于教师改进和创新实验方法，提高自身专业素养，促进教师专业发展。

[1]教育部.义务教育化学课程标准(2011年版)[M].北京:北京师范大学出版社,2012.

[2]王寿红.从实验角度探讨义务教育化学新课标[J].中学化学教学参考,2012(8):46.

[3]钱扬义.应用“手持技术”测定不同物质溶解于水时溶液的温度变化[J].中学化学教学参考,2004(4):25-26.