初中化学数字化实验的探索

摘要：对酒精灯火焰温度、中和滴定等传统实验作了数字化的改进，同时开发了浓硫酸吸水性、酸碱稀释过程的pH变化等数字实验。相比于传统实验，改进后的实验优点是结果立现、客观和定量。开发的实验还弥补了传统实验教学的空白。这些数字化实验在一定程度上可改变学生的学习方式，有利于探究教学的深层次发展。

关键词：初中化学；数字化实验；实验改进和设计；化学实验探索

文章编号：1005–6629（2013）12–0048–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

2011版课标在教学建议中强调了教师“尤其要注重有效发挥现代信息技术的作用”的要求[1]，2012版沪教版九年级化学教材（下册）首次安排了这样的数字化实验[2]：将在集气瓶中获取的二氧化硫气体溶于水后，取样滴加石灰水，并用数字pH计记录这个过程的pH变化。这些课改新要求对初中化学教学提出了一些新课题：哪些传统实验可以进行数字化改造？哪些以前不好做的实验可以用数字化实验实现？如何发挥数字化实验在教学中的作用等等。近几年数字化实验在高中学段有了一些进展和应用[3][4][5]，但是我们尚未发现在初中学段应用的文献报道。为了尽快适应新课标和新教材，我们根据以往的教学经验，选取了若干效果比较差的实验进行了数字化改进，同时也开发了若干新实验，填补了一些实验教学空白。这些实验根据教学实际可以用于演示、分组和探究活动。教学实践表明，由于具有面向全体学生、结果立现、表征新颖、数据可以保留和重复使用等优点，尝试使用数字化实验后，学生更关注实验，学习更主动，交流讨论更活跃，观察和分析图表的能力有所提高，初步营造了乐于探究、敢于质疑、勇于创新的课堂教学氛围。

1 改进类

1.1 酒精灯火焰温度的测定（分组实验）

1.1.1 传统的方法

将火柴梗平放火焰中，观察炭化情况（如图1所示），因为木材的炭化是一个复杂的化学过程，其炭化程度是由受热的温度、受热的时间和氧气的含量等多种因素共同决定，因此，木条的炭化程度不能完全反映酒精灯火焰温度的高低。这在实验方法的条件控制上是不够科学的，而且火柴梗很小，插入时间稍长基本上整体都炭化，反映不出火焰的层次和温度差，效果不理想

1.1.2 数字化实验

（1）点燃酒精灯，连接艾迪生PDA（安装Edislab软件）、温度传感器。

（2）启动软件。系统自动识别所接入的传感器，并显示初始值（室温）。

如图1，将温度探头依次放入焰心、内焰和外焰（注：探头的高度基本上依次位于灯芯上方、火焰高度的一半和火焰顶部。每次放入前探头温度要恢复到室温，探头每次伸入火焰时间为10 s）。

各个小组测得的数据汇总于表1。

从表1可以看出，采用数字技术后，酒精灯火焰的层次似乎“跃然于眼前”，而且温差分明：外焰>内焰>焰心（虽然有学者认为内焰温度高于外焰，但就初中化学教学而言，我们认为无此必要：因为内外焰的界限在哪里仅仅是一个学术性话题，内外焰用肉眼是难以分辨的）。从定性的模糊判断到比较精确的测定温度，实验手段发生了根本性的改变，带动了学生认知的积极性。在同一节课的演示中，笔者还用高温探头测试了酒精喷灯的灯焰温度，测定峰值稳定在900～1000℃。观看此实验，学生非常投入，而且记忆牢固，对于方程式教学中以往容易混淆的“高温”和“加热”条件有了较深刻的理解。

1.2 中和反应的确定和反应前后温度的变化（演示实验）

1.2.1 传统方法

用酚酞做指示剂，向稀氢氧化钠中不断滴加稀盐酸（每滴一滴就要搅拌一次），直到红色突然变成无色为止，如图2所示。同时还要在烧杯中事先放好一只温度计，观察温度的变化。

这个实验的弊端有：一是重复简单操作，耗时长，学生往往缺乏耐心而造成酸滴加过量；二是会误认为“恰好变色”就是“恰好完全反应”，对后续的 “反应终点”和“等计量点”的概念学习产生了前学习的干扰；三是温度的观察戛然而止，会误以为只是升高。

1.2.2 数字化实验

1.2.2.1 实验试剂及仪器

艾迪生公司pH传感器、数据采集器、计算机（安装Edislab软件）、磁力搅拌器、两用滴定管、烧杯、铁架台。

0.1 mol/L的稀盐酸和0.1 mol/L的NaOH溶液。

1.2.2.2 实验过程

（1）将20 mL稀氢氧化钠倒入烧杯中，加水稀释到150 mL左右，将烧杯放在磁力搅拌器上。

（2）在滴定管中加入稀盐酸，将滴定管固定在铁架台上，pH传感器放入溶液中。

（3）打开磁力搅拌器，启动软件，向烧杯中滴加稀盐酸，当滴管中的稀盐酸将耗尽时，则用烧杯向管中继续添加。绘制pH变化曲线，见图3。

（4）将pH传感器换成温度传感器再做一次，绘制中和反应温度变化曲线，见图4。

1.2.2.3 实验讨论

首先，这两个实验过程耗时都不长（测温度变化也不超过5 min），如果链接两种传感器，可以在屏幕上同时看到图3和图4。学生的注意力相当集中，当看到如此神奇的曲线不禁啧啧赞叹。教师可以因势利导，把节省出来的时间用于开展更有意义的分析和讨论上。

其次，有了图3，可以回避“突然变色”就是“恰好完全反应”的错觉。pH=7的横坐标点才是中和反应：H⁺+OH-=H O 恰好完全反应的时刻；同时pH快速变化（即“滴定突跃”）、开始较多剩余的碱和结束后酸过量时导致的pH缓慢变化的过程（即“强酸强碱也是缓冲溶液”）是初中生很难想象到的，现在都直观地呈现在眼前，让学生有了准确而深刻的印象，也让他们认识到pH不是简单的物理量，它的变化孕育了丰富的化学内涵。

第三，图4清楚地展现了温度有升高、峰值和下降的过程，这是以往学生很难知晓的情况，因为用手触摸烧杯壁或观察温度计的示数往往很难判断它有一个峰值并会下降。现在有了这张图，学生就能清晰地感悟到中和放热、恰好完全反应时放热量最大以及酸过量时的降温效应等。

2 创新类

2.1 浓硫酸的吸水性（探究实验）

浓硫酸吸水性是其三大特性之一，但是教材中没有实验佐证，只是提到可以将其放入干燥器中作为干燥剂使用。有老师是这样演示的：将放有浓硫酸的烧杯放在天平左侧托盘上，然后在右侧托盘上放入砝码调节游码至平衡，然后放置一段时间发现天平指针向左侧倾斜则证明浓硫酸吸收了空气中的水分，笔者也重复了这样实验，发现耗时长（超过30 min）而且指针偏转不太明显。同时也因为敞口操作自然会存在这样的疑问：“浓硫酸也可能吸收了空气中其他的成分使质量增加？”设计的科学性受到质疑。

2.1.1 实验原理

由于浓硫酸具有吸水性，它会吸收周围空气中的水分，利用湿度传感器测量烧杯中浓硫酸上方空气中湿度的变化，绘制出变化曲线，可明显观察到湿度在不断降低，从而可以验证浓硫酸的吸水性（如图5所示）。

2.1.2 实验仪器及试剂

艾迪生公司湿度传感器、数据采集器、计算机（安装Edislab软件）、铁架台、烧杯；98%的浓硫酸、保鲜膜。

2.1.3 操作步骤

（1）连接好湿度传感器、数据采集器及计算机并将计算机软件设置好；

（2）在保鲜膜中开一个口，将传感器穿入其中并封口；

（3）将烧杯放到铁架台上，倒入20 mL 浓硫酸；

（4）迅速将保鲜膜封住烧杯，稳定湿度传感器的高度，启动软件，得到图6。

2.1.4 结果与讨论

整个实验耗时约8～9 min，可以用于课堂演示。从图像中学生可以清晰地看出烧杯内空气的湿度在降低，从而很容易推断浓硫酸吸收了水分，使学生更容易理解其吸水性。同时湿度传感器悬空而且烧杯被保鲜膜密闭，所以不会产生科学性的误判。

2.2 酸、碱稀释过程中pH的变化（探究类）

酸碱稀释过程pH的变化是酸碱盐教学中的一个重点，但是由于缺乏演示，学生只能从教师画的示意图上意会，至于能不能突破pH=7的极限更没有办法得以“望见”，总有隔靴搔痒之嫌。这种黑板实验或图片实验严重制约了探究教学的发展。

2.2.1 实验原理

利用pH传感器实时监测盐酸和氢氧化钠稀释时溶液的pH曲线。

2.2.2 实验器材及试剂

艾迪生pH传感器、数据采集器、计算机（安装Edislab软件）、蒸馏水、0.1 mol/L HCl 溶液、0.1 mol /L NaOH溶液、磁力搅拌器、500 mL 烧杯、两用滴定管。

2.2.3 实验过程和数据分析

（1）连接好pH传感器、数据采集器和计算机；

（2）取50 mL 稀盐酸至500 mL 烧杯中，放入搅拌磁子。在滴定管内加满水。

（3）打开磁力搅拌器，打开活塞，使水滴下（不足时补加）。启动软件记录，得到图7；

（4）用蒸馏水淋洗pH传感器探头2～3 次，并用滤纸拭干。将盐酸换成氢氧化钠，重复实验，得到图8。

2.2.4 实验结论

由图7、图8可以看出，酸和碱的稀释过程中pH的变化不是一个线性的，而是在开始阶段pH变化较大，随着蒸馏水的不断加入，变化越来越小，接近于无限稀释时，pH趋于7且基本不变。在传统教学中，教师只能一味地向学生传授酸碱稀释的原理，学生也只能被动接受，将所谓的“稀释图”记在脑中应付考试。有了这个实验学生不仅能感受到酸碱稀释时真实的pH变化，更能学会主动地从图中获取和分析信息。

相比于传统实验，数字化实验教学使初中化学教学上升到了一个更高的层次。它促进了初中生的学习积极性，使一部分原本对实验没有兴趣的学生也参加进来，形成全体学生学习化学的局面。我们认为这才是最大的收获：“为了每一个孩子的终身发展”已不再是一句口号。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2011：27.

[2]中学化学国家课程标准研制组.义务教育教科书·化学（九年级下册）[M].上海：上海教育出版社，2012：111.

[3]傅忠.高中化学数字实验教学研究[D].济南：山东师范大学硕士学位论文，2011.

[4]张玉娟.数字化实验与化学教学的整合[D].南京：南京师范大学硕士学位论文，2010.

[5]杨飞.数字化实验的表征与研究[D].南京：南京师范大学硕士学位论文，2011.