浅谈数字传感技术在化学实验教学中的应用

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摘要：通过对数字传感技术特点的分析，总结了数字传感技术在实验改进、突破学习疑难点、创设习题素材和开展第二课堂等方面与化学教学整合应用的规律，并且结合具体实例作了进一步解释说明。

关键词：数字传感技术；化学教学；教学整合

文章编号：1005–6629（2013）9–0049–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

随着新技术的不断涌现，教育现代化得到不断推进，给教学带来了更大便利，给教育发展带来了革命性影响。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》也指出：要充分利用科技成果去开发新的学习资源和先进技术，整合现有资源，促进教育内容、教学手段和方法现代化，达到教学最优化，取得最佳的教育效果。

近年来，以传感器为代表的数字化设备逐步进入中学实验室，数字化实验得到不断开展。数字传感技术是指利用传感器、数据采集器和计算机进行实验，将实验中不可见的、不显著的微观变化转化成宏观的数据、图表的一种技术，是信息技术与化学教学整合的重要途径之一。数字传感技术具有操作方便、测量准确、现象直观、原理可视等突出优点，有利于突出教学重点、突破难点；其结果表达具有数据化、图表化的特点，展示了动态的数据链，有利于引导学生运用动态化的思维方式分析图表，提高阅读科学文献的能力。

但是，目前还有不少教师由于传统观念的禁锢，对数字传感技术缺少足够的认识，甚至在思想上还有所排斥，没能主动融入到数字传感技术与中学化学教学整合研究的潮流中去，实为一件憾事！现就数字传感技术在化学实验教学中的应用谈些看法，以期引起同行的重视。

1 数字传感技术应用于传统实验的改进

1.1 改进演示实验，增强原理揭示的简便性

化学知识的教学，特别是化学原理的教学，一般比较抽象，难度较大。为此，教学中都会安排一些化学实验，展现明显的现象，增加学生的感性认识，引导学生分析其中的原理。但是现象并不能让学生直接地揭示反应的原理，还需要教师在两者之间架设一座桥梁，才能实现对接。然而，由现象揭示反应原理并不是一件简单的事，往往耗时长、效果也不太好，这也正是教师觉得化学原理难教、学生觉得化学原理难学的重要原因。数字传感技术能从多个角度测量反应体系中各物理量的变化，能将通常观察不到的变化更直观地呈现在学生的眼前，能更简便地揭示反应原理。

例如在氨气的喷泉实验中，部分学生的理解仅限于对表面和现象的认识，或者说还停留在记忆的层次上，没能掌握“形成内外压强差”这个关键。为此，我们在引入了压强传感器，并将它连接在烧瓶和计算机之间。装置组装完毕后，我们点击“采集”按钮，观察初始时气体的压强；然后挤压胶头滴管中的水，一边振荡烧瓶，一边观察气体压强的变化；再打开下方弹簧夹，观察烧瓶内的现象和气体压强的变化（见图1）。通过这样的设计，学生就能直观的看到是内外压强差使下方的液体沿导管上升形成喷泉，轻易就得出“氨气极易溶于水”的结论，节省了时间，提高了教学效果。

1.2 改进定量实验，简化操作提高准确性

定量研究是现代化学发展的方向，也是实验走向精密化的要求。传统中学化学实验受设备和条件的制约，偏重于定性研究，对定量研究涉及较少，而且存在操作繁琐、测量数据多、误差大等缺憾。数字传感技术具有自动化程度高、测量准确等特点，能够简化实验操作，提高测量准确性，便于学生集中精力分析数据，探求其中隐藏的规律。

例如在中和反应反应热的测定实验中，学生要一边搅拌一边读出温度计的读数，而且还要敏锐抓住最高温度，往往顾此失彼。为此，我们引入了温度传感器和磁力搅拌器，减去环形玻璃搅拌器。实验中，先测出0.55 mol/L NaOH溶液和0.50 mol/L盐酸的初始温度，然后启动搅拌器和数据采集系统，将50 mL NaOH溶液迅速倒入量热器中，盖紧盖子，待温度基本不变时停止采集（见图2）。通过这样的设计，搅拌、读数的事情交给数据采集系统完成（见图3），再用系统的统计功能即可直接获得实验的最低温度和最高温度（见图4）。学生则完全解放出来，集中精力思考如何利用数据求出中和热，帮助学生获得测量反应热的切身体验，初步掌握反应热的测量方法，更能突出实验的主要目的。

2 数字传感技术应用于疑难点的突破

化学教学中，常常有一些知识比较抽象，学生缺少感性认识，而传统方法又无法进行实验验证或无法提供较好的验证方案。学生在学习这些知识时，常常遇到较大困难，逐渐产生迷思概念，出现学习的疑问点和难点。而数字传感技术能够从多个角度呈现反应的信息，帮助学生寻找到最适合的认识角度，而且各个信息相互印证，成为突破教学疑点和难点的利器。

（1）CuSO4溶液初始pH约为4.6，用离子方程式表示其原因为 。

（2）15.00 mL时，取出少量沉淀，加入盐酸，沉淀溶解；向所得溶液中再加入BaCl2溶液，有白色沉淀产生。已知此时沉淀只有一种，通过计算可知其化学式为 。

（3）写出18.00～20.00 mL时体系中反应的离子方程式为 。

（4）20.00～30.00 mL时沉淀溶解的原因可能是 。

4 数字传感技术应用于第二课堂的开展

2001年颁发的《基础教育课程改革纲要》明确要求 ，“改变课程实施过于强调接受学习、死记硬背、机械训练的现状”。高中化学课程标准也要求，“开展化学实验为主的多种探究活动”，“促进学习方式的转变”。在研究性学习中，经常需要开展定量或半定量研究，测量各项数据分析样品是否合格，这在以前是个很大的困难，因为中学阶段能用于定量测量的仪器太少了。为此，我们将数字传感器引入第二课堂，它能直接测量溶液中Ca2+、Cl-、SO4 2-、CO2、SO2、O3等离子和分子的浓度，还能通过比色计传感器测出常见无机离子和许多有机化合物的浓度，使学生关注的、与生产生活密切相关的课外研究成为现实。可以说，数字传感技术的引入，推动了研究性学习走向深层次研究，进一步增强了学生主动参与研究、亲身体验科学研究的愿望，有利于帮助学生获得科学研究的体验，促进学生学习方式的改变。

例如，在开展“常见补铁试剂的性价比”[2]研究时，需要测定各种补铁样品中铁的含量。这在以前几乎不能完成，因为各种样品中铁元素的含量都很低，用普通天平根本无法测出其所得沉淀的质量。引入比色计之后，我们先借助于[Fe（SCN）5]2-鲜明的颜色，测出标准溶液的透光度（T），利用数据采集系统的函数自动绘制lg（1/T）-c（Fe3+）标准曲线（见图6）。然后称取25 g各种固态补血剂在坩埚中充分灼烧，完全炭化后加足量稀硝酸溶解（液体样品直接取一支溶于稀硝酸中），定容后测出其透光度并转化成lg（1/T），再从标准曲线中求出c（Fe3+），计算出补血剂中铁元素的含量。

数字传感技术作为一种新兴的信息化教育技术，正逐步进入中学化学课堂，前景值得期待。作为一线教师，我们要积极投入到这场信息化教学的潮流中去，主动探索如何利用数字传感技术优化化学教学、提升教学效果，探索数字传感技术与中学化学教学的整合模式。

参考文献：

[1]朱鹏飞，马宏佳等.利用传感技术对硫酸铜与氢氧化钠反应的实验研究[J].中学化学教学参考，2008，（9）：34～36.

[2]魏锐，王磊等.含铁物质中铁元素含量的测定[J].化学教育，2006，（7）：50～51.