视听一体化溶液导电实验装置的设计

谢丹敏 李纯刚

摘要： 针对现行教科书中“溶液的导电实验”存在仪器组装耗时长、电极清洗繁琐、学生易混淆溶液的导电性等问题，在分析相关文献的基础上，利用信号灯、语音播放器、数显电流表、电磁继电器等设计了一套视听一体化溶液导电实验装置，实验操作简单、现象明显、趣味性强。该装置还可用于其他溶液导电性的判断实验。

关键词： 视听一体化; 溶液导电性; 实验装置改进; 实验探究

文章编号： 10056629（2021）07007504

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题提出

化学实验是进行科学探究的重要手段和方式，对于落实发展学生的核心素养，具有其他教学内容和形式所不能替代的作用[1]。“溶液的导电性实验”从让学生观察溶液是否导电的现象到揭示溶液导电背后的原因，由宏观现象辨识到微观实质的探析是帮助学生从具体形象思维过渡到抽象逻辑思维，

将感性认识上升到理性认识的重要实验。现行义务教育教科书[2]为了说明溶液的导电性，安排了这样一个实验装置关串联，实验时将石墨电极分别插入装有待测溶液的烧杯中，闭合开关，通过观察小灯泡是否发光来判断溶液是否具有导电性。

在进行课堂演示实验时，我们发现该实验存在以下不足：

（1） 仪器的组装较复杂，耗时较长;

（2） 每做完一种溶液的导电性实验都需用蒸馏水清洗电极，操作上较为繁琐;

（3） 演示时学生往往仅关注灯泡是否发光，对溶液的导电性及其原因关注不够。

2 文献简述

通过中国知网进行检索，得到若干篇相关文献。发现许多教师对该实验做了创新设计，但仍存在一些问题没有克服。陈挺芳[3]设计的实验装置，操作简便，能够同时测定溶液的导电性，但直接使用220V电源，实验存在一定的安全隐患，且由于使用电源电压过大，有时蒸馏水和蔗糖水在课堂上也会出现导电现象，造成教学的“尴尬”。王都留[4]设计的装置，用音乐贺卡中的蜂鸣器替代灯泡发亮来说明溶液的导电性，增加了实验的趣味性，激发了学生的学习兴趣，但课堂热闹的背后还是有不少学生只顾听音乐响声，而忘了关注是哪种溶液导电。刘继能[5]设计的装置小巧轻便、方便携带、节能安全，但做完第1个实验必须将电极清洗干净后才可做第2个实验，操作步骤较为繁琐、耗时，另外电极浸在溶液中时间较长，二极管容易烧坏。

3 设计思路

根据溶液导电实验的特点，本研究从实验的简约化、可视化、定量化、一体化出发，努力做到实验具有科学性、探究性、趣味性和安全性。演示溶液的导电性实验时，将不同溶液分别连入装置接口，闭合相应开关，观察信号灯是否亮暗、语音播放器是否语音播报、数显电流表是否显数，通过声、光、电一体化的形式演示溶液的导电情况;在知道溶液的导电本质后，将未知导电性的溶液连入装置接口，闭合相应开关，装置自动判断溶液导电情况。自制视听一体化溶液导电实验装置的精巧设計，最终实现了多种形式呈现溶液的导电情况、验证其他溶液的导电性等，确保实验者使用该装置能很好地演示实验内容，培养学生高阶思维[6]。

4 设计方案

参照实验设计理念，溶液导电性的演示可以分别将食盐溶液、稀硫酸、氢氧化钠溶液连入装置接口，通过闭合相应开关，信号灯亮、语音播放器发出相应语音播报、数显电流表显示相应数字;不能导电溶液的演示可分别把蒸馏水、蔗糖溶液连入装置接口，通过闭合相应开关，信号灯不亮、语音播放器不发出语音播报、数显电流表显示为0.00A;其他溶液的导电性判断可将酒精溶液、碳酸钠溶液连入装置接口，通过闭合相应开关，若溶液能导电，则信号灯亮、语音播放器发出“我能导电”的语音播报、电流表显示数字;若溶液不能导电，则信号灯不亮、语音播放器发出“我不能导电”的语音播报、数显电流表显示为0.00A来实现。

5 实验原理

如图2所示，接通学生电源后，在溶液连入口连入对应的溶液，如1、 3、 5溶液连入口分别是导电的食盐溶液、稀硫酸、氢氧化钠溶液，闭合双联开关（S1S′1），

图2 视听一体化溶液导电实验装置电路图

S1接通继电器电路，S′1接通语音播放器线路，继电器K1中有电流通过，使得开关K11被吸合，引发信号灯和语音播放器进入工作状态，信号灯亮，声道1控制语音播放器语音播报，同时电流表有数字显示。闭合双联开关（S3S′3）和（S5S′5），原理同（S1S′1），闭合双联开关（S2S′2）、 （S4S′4），由于溶液连入口连入的分别为不导电的蒸馏水和蔗糖溶液，继电器中没有电流，电路处于断路状态，所以信号灯不亮，语音播放器不进行语音播报，同时电流表示数为0.00 A。闭合双联开关（S6S′6），当溶液连入口连入的为导电溶液时，通过继电器K6引发信号灯和语音播放器进入工作状态，信号灯亮，声道4控制语音播放器进行语音播报，同时电流表有数字显示。当溶液连入口连入的为不导电溶液时，继电器K6的常闭电路形成通路，声道5控制语音播放器进行语音播报。

6 装置设计

6.1 制作材料

JQ960多声道语音播放器（参数： DC12V供电，功率20W）1个、电磁继电器（型号： IEC255，参数： DC12V供电）1个、CS5135直流数显电流表（参数： DC12V独立供电）1个、AD1622DS信号灯（参数： DC12V供电）1个、J1202型学生电源1个、双联开关6个、香蕉头接线柱1对、香蕉插头转鳄鱼夹线2根、导线若干、木板1块

6.2 制作过程

（1） 用真人语音合成软件分别合成5个音频文件，内容如下： ①“大家好，我是食盐溶液，我能导电”;②“大家好，我是稀硫酸，我能导电”;③“大家好，我是氢氧化钠溶液，我能导电”;④“我能导电”;⑤“我不能导电”。打开语音播放器后盖，将模块的MINI USB连接电脑，打开“我的电脑”，双击“CD驱动器”，电脑会出现一个更新内容的上位机软件，选中“音频加载”，单击“浏览”分别依次选中音频文件①～⑤，单击“打开”，相应音频被添加到上位机软件中，选中“更新下载”选项卡，单击更新，当出现“校验成功”，则表示语音已经下载到模块的spi flash里。此时接通语音播放器，第一线路（声道1）语音播放为“大家好，我是食盐溶液，我能导电”;第二线路（声道2）语音播放为“大家好，我是稀硫酸，我能导电”;第三线路（声道3）语音播放为“大家好，我是氢氧化钠溶液，我能导电”;第四线路（声道4）语音播放为“我能导电”;第五线路（声道5）语音播放为“我不能导电”。

（2） 将木板按如图3尺寸加工成木制实验箱，并在面板上部适当位置从左往右依次打1个直径为2.5cm的圆孔，1个直径为8.5cm的圆孔，1个4.8cm×2.8cm的方孔，在面板中部适当位置从左往右依次打6个2.5cm×3.0cm的方孔，在面板下部中间位置打2个直径为1.5cm的圆孔。

（3） 将信号灯、语音播放器、数显电流表、双联开关、香蕉头接线柱装入对应的孔内，用导线按图2电路图将各个零部件相连接，组装成视听一体化的溶液导电实验装置（如图4所示）。

7 实验内容

7.1 溶液导电性的演示

（1） 接通上述视听一体化溶液导电实验装置的电源，将香蕉插头插入接线柱，将鳄鱼夹夹在装有食盐溶液烧杯的碳棒（在直径为6cm的PVC硬质塑料片上钻两个直径为0.7cm的圆孔后，插入1号干电池的碳棒制成，下同）两极上。打开开关K1，信号灯亮，语音播放器发出：“大家好，我是食盐溶液，我能导电”的声音，电流表显示数为0.09A，说明食盐溶液能导电。

（2） 关闭开关K1，将鳄鱼夹夹在装有蒸馏水烧杯的碳棒两极上。打开开关K2，信号灯不亮，语音播放器不响，电流表示数为0.00 A，说明蒸馏水不能导电。

（3） 关闭开关K2，将鳄鱼夹夹在装有稀硫酸烧杯的碳棒两极上。打开开关K3，信号灯亮，语音播放器发出：“大家好，我是稀硫酸，我能导电”的声音，电流表显示数为0.09A，说明稀硫酸能导电。

（4） 关闭开关K3，将鳄鱼夹夹在装有蔗糖水烧杯的碳棒两极上。打开开关K4，信号灯不亮，语音播放器不响，电流表示数为0.00 A，说明蔗糖水不能导电。

（5） 关闭开关K4，将鳄鱼夹夹在装有氢氧化钠溶液烧杯的碳棒两极上。打开开关K5，信号灯亮，语音播放器发出：“大家好，我是氢氧化钠溶液，我能导电”的声音，电流表显示数为0.08A，说明氢氧化钠溶液能导电。

7.2 其他溶液的导电性判断

（1） 关闭开关K5，将鳄鱼夹夹在装有碳酸钠溶液烧杯的碳棒两极上。打开开关K6，信号灯亮，语音播放器发出：“我能导电”的声音，电流表示数为0.10A，说明碳酸钠溶液能导电。

（2） 关闭开关K6，将鳄鱼夹夹在装有酒精溶液烧杯的碳棒两极上。打开开关K6，信号灯不亮，语音播放器发出：“我不能导电”的声音，电流表显示数为0.00A，说明酒精溶液不能导电。

8 设计感想

8.1 开展实验教学，发展学生核心素养

通过在课堂开展实验教学，可以让学生主动发现问题，探求和解决问题，经历知识的形成过程，落实培养学生的核心素养[7]。利用本装置开展实验教学时，教师可以演示完蒸馏水、食盐溶液、蔗糖溶液、稀硫酸、氢氧化钠溶液的导电性实验后，引导学生从微观的角度分析各组物质的微粒构成，学生讨论得出含有离子的物质才能够导电，这时教师可将食盐固体连入电路，打开开关K6，语音播放器发出：“我不能导电”的声音，此时与学生形成认知冲突。教师立即播放食盐固体和食盐溶液连入装置微粒的变化情况的Flash动画，学生观察后发现，溶液中含有可以自由移动的离子才能导电。随后教师展示碳酸钠溶液和酒精溶液，引导学生分析这两种溶液的微粒构成，哪种溶液能够导电，哪种溶液不能导电。学生通过分析推测得出结论后，将上述两种溶液分别连入装置，打开开关K6，验证溶液的导电性。

8.2 挖掘装置功能，凸显学科实验价值

溶液导电性的演示和未知导电性溶液的导电性判断仅仅是本装置的两个基本功能，利用该装置还可以演示不同浓度溶液的导电情况，如分别将不同浓度的食盐溶液连入装置，打开开关K1，除了语音播放器发出：“大家好，我是食盐溶液，我能导电”的声音，还可以对比观察信号灯亮暗程度和电流表显示的示数变化;也可以演示中和反应过程中离子数目的变化过程，如将氢氧化钡溶液连入装置，打开开关K6，向氢氧化钡溶液中逐滴加入稀硫酸，边加边用玻璃棒搅拌，实验过程中，将呈现从信号灯亮、语音播放器发出：“我能导电”的声音以及电流表能显数;到信号灯逐渐变暗、语音播放器发出：“我不能导电”的声音以及电流表显数为0.00A;再到信号灯逐渐变亮、语音播放器发出：“我能导电”的声音以及电流表显数的再次出现。整个过程趣味盎然，凸现学科的实验价值。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]中学化学国家课程标准研制组. 义务教育教科书·化学（九年级上册）[M]. 上海： 上海教育出版社， 2013： 63.

[3]陈挺芳. 电解质溶液导电实验器的制作与应用[J]. 浙江教育技术， 2010， （2）： 48～49.

[4]王都留. 自制电解质导电仪[J]. 实验教学与仪器， 2005， （10）： 31.

[5]劉继能. 溶液导电一体化实验演示器[J]. 化学教育（中英文）， 2017， 38（15）： 46～48.

[6]吴孙富， 秦丽， 张圣涛. 例谈深度学习与深度教学的关系[J]. 化学教学， 2016， （5）： 22～26.

[7]黄恭福， 邹海龙. 学科核心素养视域下的中学化学实验教学研究综述[J]. 化学教学， 2020， （2）： 26.