基于数字化手持技术的中和反应实验探究教学

赖胤龙，陈敏祺，莫云燕，曾懋华，张 婷，严绍熙，洪显兰

（韶关学院 化学与土木工程学院，广东 韶关 512005）

中和反应是初中化学课程的重要知识，属于化学教学的核心概念，对贯穿酸、碱、盐等知识体系的学习起到了重要的桥梁作用［1］.以人教版义务教育初中化学课本为例，中和反应是初中化学必修课程的第十单元课题2的教学内容［2］.教材通过在含有酚酞指示剂的氢氧化钠溶液中滴加盐酸溶液进行实验探究，让学生了解酸碱能进行反应.然而教材对中和反应关于微观本质的深挖还不够，仍然有待通过科学探究活动进行补充.

2011年版的《义务教育化学课程标准》指出：“在教学中创设以实验为主的科学探究活动，有助于激发学生对科学的兴趣，引导学生在观察、实验和交流讨论中学习化学知识，提高学生的科学探究力”［3］.而且丰富的化学实验有利于学生直接或间接理解化学知识，在培养学生的证据推理能力、实验探究能力和逻辑思维能力等素质中具有独特的功能和作用［4］.另一方面，随着教育改革和信息技术水平的不断发展，将中学化学实验教学与现代信息技术进行有机的融合呈现了新的发展态势.在这新发展的推动下，数字化手持技术实验在化学教学中的应用逐渐广泛起来［5］.2003年，钱扬义教授率先在我国的化学实验中引入数字化手持技术实验［6］.利用数字化手持技术实验与中学化学实验教学充分融合，具有形式新颖、探究性强、数据处理方便快捷等优点，有利于推动教学方法的改革和创新，丰富教学模式和提升学生的科学探究素 养［7-8］.近些年，通过数字化手持技术实验进行一些中和反应的探究［1，8-9］，这些探究对指导教师进行中和反应的教学具有较好的启发意义，但数字化手持技术在中和反应方面仍留有较大的空白.

基于此，本文根据化学学科的特点与教学需求，以中和反应的知识为载体，借助数字化手持技术实验，从pH值、电导率以及温度3个方面全面介绍和引导学生探究中和反应的本质，让学生了解科学探究的思路、过程和方法，以此激发学生的学习兴趣，培养学生的实验探究能力与创新意识.

1 实验设计的背景分析

1.1 教材实验分析

教材中的实验安排如下：首先，探究酸与碱能否发生反应.在烧杯中加入5 mL稀氢氧化钠溶液，并滴入1~2滴酚酞试剂，观察到溶液变红色，接着边搅拌边滴入稀盐酸溶液，发现溶液红色变浅至变成无色，该实验以指示剂的颜色变化来验证溶液中酸与碱发生了反应；接着，教材给出了多个酸与碱反应的化学方程式和氢氧化钠与盐酸反应的微观过程示意图，通过归纳总结和动画模型的形式来说明酸与碱反应的特征和实质；最后，组织学生感受中和反应过后的烧杯温度，由此让学生认识到酸碱中和反应是一个放热反应.教材通过这些宏观实验现象展示中和反应.然而，仅仅只是呈现宏观实验现象，仍然留下以下几个不足：1.教材实验选用稀盐酸溶液与稀氢氧化钠溶液反应，实验较为简单，但是实验现象中无法直接观察到水的生成，缺少直接依据. 2.教材中通过微观图示来说明中和反应的本质，但是没有通过实验进行较为充实的验证，而且无法直接得出生成新物质盐的结论. 3.由于实验中反应物浓度较小，导致了中和反应放热现象不明显，并且感受温度受主观影响因素较大，不能较好地体现反应是放热反应.因此，针对教材中关于中和反应的内容，在开展实验探究活动方面，教师仍然具有大量的改进空间.

1.2 数字化手持技术运用的可行性

数字化手持技术是一种由各类探头、数据收集器和相关程序软件组成的用于数据收集与分析的一体化技术［10］.该技术可以通过数字化系统，把各种需要定量收集的pH、电导率、温度、压强等数据以曲线形式呈现，从而使得实验现象更加直观，达到实验数据图像化［11］.为让学生更全面的学习中和反应，可利用pH传感器、电导率传感器以及温度传感器等进行数字化手持技术实验的探究，如通过测定酸碱中和反应中的pH值，让学生直观地感受到在反应时pH发生的突变，而且可以引导学生观察溶液的酸碱性以及酸碱程度；通过测定酸碱中和反应中电导率的变化，结合离子浓度是影响电导率的重要因素，让学生从科学的角度认识到酸碱中和反应的实质是H++OH-=H2O；最后，通过反应中温度的变化，以数据为支撑，让学生直观认识到放热反应.这种利用数字化手持技术实验的角度进行中和反应的探究，不仅可以帮助学生对中和反应由感性认识上升为理性认识，而且可以提高学生逻辑思维能力和解决问题的能力，从而达到培养学生的实验探究能力与创新意识的目的.

2 实验与教学过程

2.1 试剂与仪器的准备

实验试剂：氢氧化钠溶液（1 mol·L-1）、盐酸溶液（1 mol·L-1）、酚酞溶液.

实验仪器：pH传感器、电导率传感器、温度传感器、滴数传感器、磁力搅拌器、数据采集器、计算机、铁架台、常规玻璃仪器.

2.2 教学课题的引入

根据生活情景提出问题，以胃酸过多为例，先提供医生开出的胃药，附上胃药的说明书，提示胃酸的主要成分为盐酸，然后让同学们猜测胃药起作用的成分是什么？接着展示一个模拟胃药治疗胃病的原理实验.最后引出新的问题：如何更好地探究酸碱反应呢？通过这个教学情境引出手持技术实验，并说明实验原料用稀氢氧化钠溶液代替胃药的碱性成分，用稀盐酸代替胃酸.

2.3 数字化手持技术实验的探究

为了更好地引导学生学习中和反应，本实验将利用pH传感器、电导率传感器以及温度传感器等进行数字化手持技术实验的探究，实验可通过收集所得的数据和图像，让学生更直观地认知酸碱中和反应的酸碱性、离子浓度以及温度的变化，实现更好地理解中和反应的实质.

2.3.1 中和反应过程pH突变的探究

测定中和反应时pH随时间的变化可以显示pH突变的过程.具体的实验操作如下：（1）按图1所示连接好仪器，往200 mL 烧杯中倒入20 mL的1 mol·L-1稀氢氧化钠溶液，并滴加1~2滴酚酞溶液. （2）往滴数传感器中装入20 mL的1 mol·L-1稀盐酸溶液. （3）分别把pH传感器、滴数传感器、磁力搅拌器和电脑连接，打开软件，打开磁力搅拌器，启动注射器活塞，开始收集数据（注意事项：搅拌速度不能太快，如可以控制搅拌速度为60~90 rpm）.

图1 pH随时间变化的装置

实验结果分析：实验结果如图2所示，在稀氢氧化钠与稀盐酸反应的过程中，溶液的pH确实发生了改变，由碱性变成了酸性，明显的观察到了突跃.通过该手持工具对实验的监测，可以直观的观测到pH值在整个反应过程中的变化，让学生在有数据、有量的概念更好地支撑和理解酸和碱进行了反应，而且也巩固了溶液酸碱度的表示法.

图2 反应的pH随时间变化

2.3.2 中和反应微观过程实质的探究

测定中和反应时导电率随时间的变化可以反映微观过程的实质.具体的实验操作如下：按图1所示连接好仪器，pH传感器改为电导率传感器，其他操作与测定中和反应时pH随时间的变化相同（注意事项：需控制好滴加速度，如：可设定好每隔2 s往稀氢氧化钠溶液中加入5 mL的1 mol·L-1稀盐酸溶液）.

实验结果分析：实验结果如图3所示，在稀氢氧化钠与稀盐酸反应的过程中，溶液的电导率在中和反应的过程当中显著下降，在学生知道电导率与溶液离子浓度相关的基础上，溶液离子浓度越大，电导率越大，溶液离子浓度越小，电导率越小，让学生直观的认识到溶液当中的离子浓度减小了，而在之前的学习中学生已经有了离子等概念，故可引导学生，让学生在有数据支撑的基础上更好地理解：酸碱中和反应的实质是H++OH-=H2O.

图3 反应的导电率随时间变化

2.3.3 中和反应过程能量变化的探究

测定中和反应时温度随时间的变化可以看到能量变化的过程.具体的实验操作如下：按图1所示连接好仪器，反应的烧杯需进行保温，pH传感器改为温度传感器，其他操作与测定中和反应时pH随时间的变化相同（注意事项：需进行保温操作，把含有稀氢氧化钠溶液的烧杯放置在泡沫箱中；同时要将稀盐酸溶液一次性、快速倒入稀氢氧化钠溶液中）.

实验结果分析：实验结果如图4所示，在稀氢氧化钠溶液与稀盐酸溶液反应的过程中，溶液温度明显上升，学生通过数据明显变化，可较好地理解到酸碱中和反应是一个放热反应.

图4 反应的温度随时间变化

3 结语

通过本实验的改进，并运用于初中教学中，现已取得了较好的教学效果，学生对数字化手持技术实验兴趣浓厚，希望学校多开设数字化手持技术的化学实验课，这显示了数字化手持技术实验在中学化学中具有较好的教学表现：摆脱了传统中和实验存在的一些问题，让学生更好地了解反应的本质.学生不仅了解了一种新的实验仪器，并且学会了读图和对实验所得的数据进行分析，有利于学生综合能力的提升.将传统问题用现代化的方法进行解决，把实验过程中难以解释的现象利用图像进行说明，使学生对难以理解的微观现象数据化，可进一步增强学生的理解.

本实验从pH值、电导率以及温度3方面的数字化手持技术实验探究了中和反应，简明直观地展现了氢氧化钠与盐酸发生反应时pH值、电导率和温度随时间变化情况，实现了实验数据的图像化，能更好的去引导学生探究中和反应的实质，扩展了学生的知识体系；本实验的改进使得实验结果从抽象到具体，由复杂到简单，达到了由宏观现象到微观过程转化的目的；而且实验进一步把简单的定性分析转变为精准的定量测试，使得分析简单易懂，从而在教学中有利于提高学生的学习兴趣、认知度与探究能力，更好地培养学生的实验探究与创新意识.