数字化实验在化学教学中的应用

陈晓晔

摘要：数字化实验相对于传统实验有明显的优点，分辨率、精确度高，快速、连续地采集和处理数据，实验现象更加形象、具体。本文通过对“中和热的测定”实验装置的改进，运用温度传感器测量温度变化，利用计算机记录数据，绘制温度变化曲线，直观呈现出实验结果，并在教学中进行应用与思考。

关键词：数字化实验 化学实验 中和热的测定

【分类号】G633.8

随着现代化科学技术的发展，越来越多的新技术走进我们的视野、我们的校园。我们教师的授课和学生的学习并不是一成不变的，而是需要适应周围环境的改变随时做出相应的调整，这就需要我们教师不断吸收新事物，并且将其带进课堂。化学是一门以实验为基础的学科，传统的瓶瓶罐罐的实验已经不能满足中学化学实验的要求，新型的数字化实验已深入社会生产和生活的各个领域，对我们化学课堂也产生了巨大的冲击。数字化实验一方面弥补了传统实验工具的缺陷，革新了化学实验的仪器，拓展了化学实验的内容；另一方面，使实验的方法更加先进，实验的数据更加准确，实验的步骤更加清晰。数字化实验对我们的教学提出更高的要求，是教学改革的前沿课题。

一、 数字化实验的仪器

数字化实验平台主要是由传感器、计算机、数据采集器以及通用软件等构成，把各种信号转化成电流信号，然后传入到计算机当中，通过通用软件的分析和处理，把相关的信息以图表等形式呈现出来。在教学中应用数字化实验能够对传统模式下的实验不足加以弥补，能够将化学反应的现象及本质逐步地转化为可以进行监测的信号，这样也有利于学生深入研究化学反应的本质规律，并且数字化实验系统具备了直观、先进、准确、实时等诸多方面的特点，能够提高教学效率。通过数字化实验在化学教学中的运用，能够使化学课堂教学更加优化，在降低课堂教学内容难度的同时，提高学生学习化学的兴趣。

1. 传感器：由各种感应元件组成，它们在不同的环境下改变自身特征，如热敏电阻、压敏电阻、光敏电阻等，它是实验测量的核心部件。通过“感”和“传”两个动作來反馈事物的变化过程，其中“感”将物理量的变化转化成电流信号的变化；“传”将变化的电流信号传递到数据采集器装置，再把处理好的数据传递给计算机平台。在化学教学中常用的传感器包括温度传感器、pH值传感器、电导率传感器、色度传感器、气体传感器、浊度传感器、氧化还原传感器等等。

2. 数据采集器：采集传感器感知的数据，并传给计算机及内部处理软件进一步放大。

3. 计算机及通用软件处理：负责处理由采集器传递的信息，通过图表等的形式来展示实验变化的规律。

二、数字化实验的具体应用——以“中和热的测定”为例

针对高中化学课本上的传统的学生实验“中和热的测定”，我将传统的温度计改变为数字传感器（连接数据采集器和计算机）记录实验中温度的变化，使得这个实验更加简单，精确。

1. 实验原理

50mL0.50mol/L盐酸与50mL0.55mol/L NaOH溶液发生中和反应时放出的热量为：（m1+m2）·c·（t2-t1）= 0.1×4.18×（t2-t1） kJ。

该反应生成的H2O为0.025 mol，生成1molH2O时放出的热量即为中和热

中和热实验测定装置利用温度计来测量反应前后的温度，运用公式计算反应放出的热量。因此，在实验的每一阶段溶液的温度一定要测量准确，及时记录。

2. 实验仪器、药品

大烧杯（500mL）、小烧杯（100mL）、量筒（50mL）两个、泡沫塑料、泡沫塑料板 （中心有两个小孔）、环形玻璃搅拌棒。0.50mol/L盐酸、0.55mol/L NaOH溶液、蒸馏水、吸水纸。温度传感器、数据采集器、计算机。

实验整套装置。将小烧杯放在大烧杯里，烧杯口平齐，中间用泡沫塑料填满。在泡沫塑料板上打两个孔，把温度传感器和环形玻璃棒分别从孔中插入，盖在两个烧杯上，就是一个简易的量热器。

3.实验步骤

①组装仪器：连接计算机、数据采集器及温度传感器。点击进入桌面程序，打开普通模式，设置记录频率每秒2次，采集时间为连续。

组装中和热实验装置，将传统温度计改为温度传感器。

②药品取用：用量筒量取50mLNaOH溶液，将温度传感器的探针置于溶液中，点击“开始”，记录NaOH溶液的温度，待传感器读数稳定后，点击“停止”，保存数据为TOH。将温度传感器从NaOH溶液中取出，然后用蒸馏水清洗干净，用吸水纸擦干。

用另一个量筒量取50mLHCl溶液并加入到小烧杯中，把套有盖板的温度传感器和环形玻璃搅拌棒放入HCl溶液中，点击“开始”，记录HCl溶液的温度。待传感器读数稳定后，停止采集，保存数据为TH。计算两种溶液的平均温度记为T1。

③酸碱混合：先点击“开始”，记录溶液的温度变化，然后将量筒中的NaOH溶液迅速加入小烧杯中，盖好盖板，用环形玻璃搅拌棒上下来回移动，使溶液均匀反应，同时观察数据采集器上的数据及曲线的变化趋势。待温度读数稳定不再升高时，点击“停止”，记录并保存数据为T2。

中和反应前反应器中HCl溶液的温度稳定，加人NaOH溶液后温度迅速升高，约20s的时间后温度基本不再升高，曲线出现平台，温度再次达到稳定。

⑤按照上述步骤重复进行两次实验。

⑥数据处理：输入公式：Q=C*m*T3/n

“T3变化=T2-T1=24.5-21.1=3.4”（我的实验数据），代入公式，计算结果，得“Q=56.8KJ/mol”。

通过三次重复实验，根据计算公式可以求出此反应的中和热。教师参考书中给出稀HCl与稀NaOH溶液反应，中和热的理论值为（57. 3kJ/mol），相对误差为0.9%。

4. 实验教学效果

通过上述实验可知，数字化实验采集数据非常方便，在相同的时间内，采集到的数据量也很大，并且即时用图表的形式在显示屏上展示出来，一目了然。

课后与学生交流，学生们都很兴奋，尤其是男同学，表现出极大的热情。虽然只是一个小小的改动，但是却引来完全不同的效果。

三、数字化实验的优点

1. 数字化实验可以快速连续采集数据、同步显示出连续图像，而这是传统实验无法完成的。学生通过图像分析、现象归纳，更容易找出物理量的变化，可以帮助学生认知、理解实验本质。“中和热的测定”是学生实验，要求读出混合溶液的最高温度并记录数据。但是在实际实验中，温度计的精确度不够，温度的变化稍纵即逝，难以观察，从实验测定的数据计算出的中和热数值与理论值相差较大。而数字化实验中将传统的温度计改为温度传感器，温度读数可以精确到0.1℃，大大减小了误差；温度的变化以曲线、表格的形式呈现，方便学生更好、更直觀的读数。

2. 数字化实验采用计算机自动控制，系统能够在很短的时间内采集和处理大量数据，并利用计算机强大的数据处理和作图功能，将数据反映成图像来描述瞬间量的变化过程，实现了由传统的实验数据“点采集”转向到“线采集”，用极短的时间记录大量的实验数据，可以有效地解决暂态现象、难测量等传统实验无法解决的问题。

3. 数字化实验可以克服传统实验仪器的诸多弊端。它利用各种传感器可以测量传统测量工具所不能达到的精度。

四、数字化实验需要注意的问题

尽管数字化实验在信息技术与实验教学整合过程中有着不可替代的作用，但还是需要注意以下几个方面的问题：

1. 数字化实验逐步进入学校的课堂，并参与课堂教学。在使用的过程中需要一批专业人员来操作，因此，需要加大师资的培训和学生的培训，才能够发挥它的作用，使其成为在推进素质教育、培养学生创新意识和探索精神的强有力的工具。

2. 传感器的精度并非越高越好，对于初学者而言，主要学习的不是测量的准确性，而是掌握实验操作的方法、数据处理的方法，测量精度过高对于初学者进行误差分析可能带来不便。

3. 注重仪器的保护，防止传感器与采集器的触点接触不良，引起测量的故障。

4. 不要忽视常规测量工具，如温度计、酸碱pH计等。并且，在一些简单的实验中用常规教学仪器完成比较方便，也能够满足实验教学的需要。我们不能避重就轻，不能为了使用“新式武器”而抛弃传统实验手段，毕竟要以有利于教学为基本出发点。

五、中学化学数字化实验的前景

通过数字化实验在中学化学教学中的运用，依靠现代先进的教学技术和教学手段，通过动静结合、图文并茂的形式把知识更加形象的展示给学生，使知识的掌握变得更加容易，学生对抽象的化学概念和原理的认识更加清晰、深刻。在调动学生多个感官参与课堂教学的同时，帮助学生更多、更快地获得教学信息，从感性认识上升到理性认识。同时，便于学生把获得的结果运用于实际生活当中，解决更多的生活问题，从而调动学生化学学习的积极性，提高学生的探究欲望。

数字化实验除了在“中和热的测定”教学中的应用外，在很多定量实验中都可以应用，数字化实验教学对学生化学水平以及综合能力的提高有着推动作用，对教师教学能力以及专业水平的提高也有着促进作用。通过运用数字化实验教学开展化学教学工作，有利于新课标的实现，推动新课改的进程。

将传感器、计算机等信息技术设备应用到中学化学实验教学当中，本身就是开阔视野、与时俱进的举措，同时也为科学方法的培养和科学精神的塑造提供了鲜活的素材。工具的发展是脑的扩展、手的延伸，是人类文明进步的阶梯。有了飞机，人类领略到天空的高远；有了宇宙飞船，人类体验到太空的深邃；有了先进的实验手段，学生们必定能够收获意想不到的成功。

参考文献

1. 梁荣忠 数字实验在初中物理教学中的应用 教育信息技术 2015.6

2. 吕铎 传递化学思想，感受科技魅力 新课程 2015.4