手持技术在中学化学实验教学中的探索与实践

摘 要：本文从沪教版化学教材的课后习题出发，探索手持技术在中学化学实验教学中的应用，通过空气中氧气含量的测定、铁丝在氧气中的燃烧、人呼出气体含量的测定三个实例，说明手持技术对于化学实验教学的重要意义。

关键词：手持技术；化学实验教学；课后习题

一、 手持技术特点和功能

手持技术（又名掌上技术）作为信息技术的重要的组成部分，正逐步引入到中学实验中。该技术是由数字传感器、计算机、数据采集器以及配套软件等构成，它能够对实验数据进行连续的收集、编辑和处理，最终以图像的形式展现。

《义务教育化学课程标准（2011年版）》也提出：“引导学生体验科学探究的过程，启迪学生的科学思维，培养学生的实践能力；引导学生认识化学、技术、社会、环境的相互关系，理解科学的本质，提高学生的科学素养。”借助手持技术，不仅可以拓宽学生的视野，培养科学的化学思维能力，也有利于改良优化传统实验，加速化学实验教学的现代化。

二、 手持技术在化学实验教学中的应用实践

（一） 空气中氧气含量的测定

在沪教版教材课后练习中有这样一个问题：“你还能设计什么实验来确定空气中氧气的体积分数？”

该题的背景是在学生学习了红磷燃烧法测定空气中氧气含量的内容基础上提出的，学生已经能够分析出该装置的优缺点对于实验准确度的影响，但不可否认，该实验是学生第一次接触的定量分析实验，对于如何改进装置达到更好的效果，学生还存在方法上的局限性。

所以教材以探究性问题的形式引导学生积极思考，而利用手持技术，可以从实验装置和效果上有明显的提升，有助于提高学生分析数据的能力。

实验原理：利用气压传感器测定集气瓶中红磷燃烧后的气压变化。

实验器材：气压传感器、集气瓶、白磷、烧杯、笔记本电脑、单孔塞（带燃烧匙）、乳胶管、数据采集器。

实验步骤：

1. 准确连接好相应的仪器；

2. 打开数据采集器，调整好频率后，记录下此時的大气压数据以便对比；

3. 橡胶管一端紧密连接在传感器上，另一端则连到单孔塞；

4. 将装有足量白磷的燃烧匙伸入集气瓶中，并浸入到预先装有沸水的烧杯内，观察燃烧现象并记录瓶内气压的变化数据。

实验结论：实验开始阶段测得的大气压为100.3kPa（A点），因为白磷燃烧放热，使瓶内气体膨胀，导致压强在B点处有迅速增大的变化，从C点开始，温度和气压逐渐降低，至D点（79.8kPa）达到室温。由于白磷燃烧消耗氧气，因此可以算出瓶内的氧气含量为20.44%。已经非常接近20.9%的氧气体积分数。

实验反思：运用气压传感器，将反应中不易察觉的气压变化通过图像直观地展现，有助于学生理解反应发生的过程，使学生从定量的角度去分析、思考和解决问题，培养他们的科学素养。

（二） 铁丝在氧气中燃烧的探究

沪教版化学上册教材在氧气的课后习题中出现了如下的选择题：

“为了得到较纯净的氮气，某同学采用燃烧法除去一瓶空气中的氧气，下列物质中最适宜选用的是（ ）。”

A. 铁丝 B. 木炭

C. 蜡烛 D. 红磷

针对该题，多数学生对于木炭和蜡烛没有异议，因为两者燃烧会产生二氧化碳，但是红磷和铁丝无法清晰地排除，因为两者都能消耗氧气且不产生额外的杂质气体。而教师的解释通常是认为铁丝燃烧时氧气的浓度需要很高，从而无法除去所有的氧气，至于需要多少浓度，教师也是模糊不清。所以，通过这样的一个问题，我们可以利用手持技术探究能使铁丝燃烧的最低氧气含量。

实验原理：通过氧气传感器测定使铁丝燃烧的氧气含量。

实验器材：氧气传感器、笔记本电脑、数据采集器、医用纯氧袋、集气瓶、0.2mm的细铁丝若干、火柴、导管、双孔塞、坩埚钳。

实验步骤：

1. 连接相应的仪器；

2. 用双孔塞、集气瓶和导管制成可以观察气体流速的收集装置；

3. 将医用纯氧袋内的氧气通入瓶中，测出瓶内氧气的含量；

4. 重复步骤3多次，探究铁丝是否能燃烧。

实验结论：经过多次取样，当氧气浓度为25%时，铁丝红热不燃烧，30%仍然如此。但是35%时铁丝可以剧烈燃烧，火星四射。为了使结果更精确，在随后又做了30%～35%的实验，发现大约33%的氧气含量下铁丝可以燃烧，但现象不明显。从测量的结果看，当氧气含量低于33%时，铁丝无法燃烧，有力地证明了铁丝无法消耗完氧气的原因。

实验反思：通过本次实验，不仅定量地解释了铁丝燃烧的最低氧气含量是多少，让学生有一个明确直观的认识，而且让学生了解到科学研究的一般方法和过程，有利于学生主体地位的实现。

（三） 基于手持技术的人呼出的气体的测定

沪教版化学上册教材在二氧化碳内容的课后习题中出现了这样一个问题：

“我们已经知道，呼吸作用要产生二氧化碳。你能否设计一个实验验证呼吸作用确实产生了二氧化碳气体？”

根据学生已有的知识水平，他们设计的往往是定性的验证实验，主要通过呼吸前后澄清石灰水的浑浊度或者蜡烛的燃烧情况来判断。但有同学立即提出疑问：经过呼吸后的气体，氧气与二氧化碳含量如何变化？最后的二氧化碳会比氧气含量更多吗？因此，这种情况下引入手持技术，可以将定性的探究实验转化为定量实验，通过数据间的对比来获得实验结果。

实验原理：利用氧气和二氧化碳传感器测量人呼吸气体中氧气和二氧化碳的含量。

实验器材：塑料袋、氧气传感器、二氧化碳传感器、数据采集器、笔记本电脑。

实验步骤：

1. 连接好相应仪器；

2. 点击“运行”，测出空气中氧气和二氧化碳的含量；

3. 将两传感器同时接到塑料袋上并扎紧，向其中吹气，点击“运行”，开始测量。

实验结论：由图像可知，刚开始氧气含量为20.9%，二氧化碳含量为410ppm，换算以后为0.0410%。等到呼出气体后，最终氧气含量约为17.1%，二氧化碳的含量约为3.7%，由此可以得出结论：呼吸作用的过程中，消耗氧气，产生了二氧化碳，但氧气的含量还是远高于二氧化碳。

实验反思：在本次实验探究的过程中，学生的动手实践能力得到了加强，同时借助分析手持技术所呈现的数据图表，学生能够更直观地看到呼吸作用的气体含量变化，有助于他们形成实事求是的科学观。

三、 总结

手持技术凭借其实时高效、快速、精确、可视化的特点，不仅可以将实验变得更加简便易于观察，而且能提升学生的实验操作技能和分析、解决问题的思维品质。对教师而言，手持技术拥有较多的传感器类型，对于教学内容可以选择多种传感器从不同的角度进行探究分析，拓宽了教学范围，也有助于教师自身素养的提高。

但不可否认，手持技术也有造价比较昂贵、普及范围比较小、经常使用对学生的动手实践和计算能力会有一定的削弱的劣势。所以我们要用辩证的眼光来看待手持技术和传统实验，只有充分认识到两者对于学生能力培养上的侧重点，才能将它们有机结合，发挥出最大的能量。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.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.

作者简介：徐峰，江苏省苏州市，昆山市葛江中学。endprint