数字传感器在初中化学实验教学中的应用

2022-05-30张圣杰

中学教学参考·理科版 2022年5期

张圣杰

[摘要]数字传感器可将物理变化和化学变化直观、清晰地呈现在学生面前，使实验过程可视化，增强化学实验教学的有效性。文章以“物质在水中的分散（二）”一课为例，通过在实验探究中应用数字传感器，引导学生认识物质溶于水时的能量变化以及性质变化，并联系生活实际加深学生对水溶液某些性质的理解。

[关键词]数字传感器;初中化学;物质在水中的分散

[中图分类号] G633.8 [文献标识码] A [文章编号] 1674-6058（2022）14-0070-03

传感器是一种可实现自动检测和自动控制的检测装置，在敏感元件和转换元件作用下通过输出不同形式的信号达到信息传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感技术的运用最早源于国外，随着传感技术的传播，我国个别地区开始使用，但直至今日，传感器在初中化学教学中的应用还处于起步阶段。与传统实验手段不同，传感器的应用能够在极短的时间内完成实验数据的记录、处理等，并以表格、曲线等形式将相关的量直观呈现，便于学生理解。数字传感器在初中化学实验教学中的应用有利于学生观察实验现象和记录实验数据，同时在拓宽实验内容的基础上实现了定性向定量的转变，达到初中化学课程与计算机技术有机整合的目的。下面，本文以“物质在水中的分散（二）”一课为例，阐述如何在初中化学实验教学中应用数字传感器以实现有效教学。

一、教学思路

“物质在水中的分散（二）”是沪教版九年级化学第六章第一节的内容，本节课的内容分为两部分，即物质溶解时的能量变化和水溶液的某些性质。教学中，教师设计3个“活动与探究”活动帮助学生认识物质溶解过程中的能量变化以及水溶液的某些性质，同时结合生活场景引导学生交流讨论，并结合一些拓展训练帮助学生掌握这节课的主要内容。物质在水中的分散是比较常见的生活现象，学生对此已有初步的了解。同时，学生已具备初步的观察、描述实验现象的能力和一定的逻辑思维能力。在具体的实验教学中，如何有效发挥数字传感器的作用，帮助学生更好地理解变化的本质，实现定性与定量的结合呢？本文主要以三个“活动与探究”活动展开详细论述。

二、主要教学活动

【活动与探究1】实验探究硝酸铵、氯化钠和氢氧化钠在溶于水的过程中的能量变化。

有些物质在溶于水的过程中会释放出热量，然而能量变化不易观察，所以学生仅凭直观观察与感知是很难直接体会得到的。为了探究硝酸铵、氯化钠和氢氧化钠在溶于水的过程中的能量变化，教师让学生4人一组进行分组实验。每个小组均提供烧杯（3个）、温度传感器、水（30 mL）、玻璃棒、药匙、硝酸铵、氯化钠和氢氧化钠。各小组利用实验器材展开实验，记录硝酸铵、氯化钠和氢氧化钠在溶于水的过程中的能量变化，最后展示实验结果。

教学设想：通过小组合作共同设计实验，提高学生的团队合作能力，培养学生实践操作的能力;通过实验结果展示培养学生整理、分析与总结的能力。

结果展示：从实验数据记录中选择学生趋于一致的实验结果进行展示（如表1）。

整理归纳：不同的物质在水中溶解时，通常会产生不同的能量变化，表现形式有向外放热或者吸热。物质特性不同，溶于水时的温度变化也不尽相同。有些物质在水中溶解会放热使溶液温度升高，如氢氧化钠、浓硫酸、氧化钙等;有些物质在水中溶解会吸热使溶液温度降低，如硝酸铵;有些物质在水中溶解时温度基本不变，如氯化钠。这样进行整理归纳，可加深学生对所学知识的理解。

【活动与探究2】探究水溶液的导电性。

水溶液的导电性很难用肉眼观察。为了探究水溶液是否具有导电性，教师可以指导学生了解教材中的溶液导电性实验装置并加以改进。给各小组提供5个烧杯，在烧杯中分别加入一定量的水、食盐溶液、蔗糖溶液、稀硫酸溶液和氢氧化钠溶液。学生用电导率传感器分別进行测定并记录数据，小组汇报实验结果。

教学设想：通过实践操作，让学生深刻理解和牢固掌握教材中的知识，并提高实践操作能力。应用数字传感器，直观准确地呈现水溶液的导电性，减小传统实验中存在的误差。

结果展示：各小组派代表介绍实验结果并展示传感器的测定图像（如图1）。

通过测定，发现上述5种溶液中能导电的是食盐溶液、稀硫酸溶液和氢氧化钠溶液，不能导电的是水和蔗糖溶液。

整理归纳：物质溶于水发生电离使溶液具有导电性，溶液导电能力与电解质种类、离子浓度以及电荷数等都有关。因此，不同种类的电解质溶于水，尽管其他条件相同，所形成的溶液导电能力也会有所区别。首先，溶液的导电能力与电解质的强弱有关，强电解质在水中完全电离，而弱电解质只是部分电离，在其他条件相同时，强电解质的导电能力强于弱电解质的导电能力。其次，溶液的导电能力与电荷数有关，在其他条件相同时，带电荷数多的粒子溶液导电能力强于带电荷数少的粒子溶液。再次，溶液的导电能力与溶液中的离子浓度有关，在其他条件相同时，离子浓度越大的溶液其导电能力越强。另外，溶液的导电能力还与溶液的温度有关，通常情况下，温度高的溶液导电性更好。在本节课的实验中，我们认识到某些物质在水中溶解时能生成自由移动的离子，所以这些物质的水溶液能导电。如食盐溶于水生成大量自由移动的Na+和Cl-，稀硫酸溶液中含有大量自由移动的H+和SO[2-4]，所以食盐溶液和稀硫酸溶液能够导电;而蔗糖溶于水后，以分子的形式存在于水中，不能形成自由移动的离子，且水的导电性非常弱，因此蔗糖水溶液不能导电。通过这种形象直观的方式解释有些水溶液能导电而有些水溶液不能导电的原因，可让学生加深对水溶液导电性的理解。此外，还可进一步拓展到金属能导电的原因，让学生学会举一反三。

【活动与探究3】探究水溶液的凝固点。

在标准气压下，纯水的凝固点是0 ℃，沸点是100 ℃，那么当蔗糖、食盐在水中溶解时其凝固点如何变化呢？纯水、蔗糖溶液和食盐溶液在低温凝固时会在容器外壁产生冰霜，由于外部条件不易控制极易对实验结果产生影响，而仅利用演示实验的方式又不利于全体学生观察理解。因此，为了让学生直观感受不同水溶液的凝固点，教师在探究水溶液凝固点的实验中引入了温度传感器。温度传感器可将实验过程中温度的探测情况实时显示于屏幕上，便于学生感知水溶液凝固时的温度变化，这样可避免冰霜现象或其他人为因素对实验结果造成影响。为了让学生对水溶液的凝固点有深刻的理解，教师给每个小组各提供1个烧杯、3支试管、3种溶液以及1台温度传感器，由小组各自设计实验，分组观察并分别记录温度传感器中数值的变化，汇总实验结果并派代表对实验结果进行展示。

教学设想：引导学生测定纯水、蔗糖溶液和食盐溶液凝固时的温度，并应用温度传感器直观准确地呈现实验数据，减小传统实验中存在的误差。

结果展示：各小组派代表介绍实验结果（如表2）并展示传感器的测定图像（如图2）。

通过实验操作，学生得出了纯水的凝固点是0 ℃，蔗糖溶液的凝固点是-2.6 ℃，食盐溶液的凝固点是-2.5 ℃。

整理归纳：少量固体物质溶于水，使稀溶液的凝固温度降低;通过研究发现沸腾温度会升高。

紧接着，教师结合生活场景引导学生交流讨论，并结合一些拓展训练帮助学生进一步掌握水溶液的相关性质。

三、建议与思考

初中化学知识理论性较强，学生仅凭借直观想象是很难理解的。在实验中应用数字传感器，可将看不见的知识外显，使其直观地呈现在学生面前，这样既可以加深学生的理解，调动学生学习化学的积极性，又可以帮助教师顺利完成教学任务。为了更好地将数字传感器应用于初中化学教学，教师应做好以下几点。

第一，遵循数字传感器的适用性原则。传感器能以图像或数字等形式将变化不明或不易观察的化学现象加以展现，其在化学实验中有着巨大的应用价值，但并不适用于所有实验。比如在进行燃烧实验时，学生需要观察燃烧现象，而非燃烧中温度的变化，如果教师在燃烧实验中应用温度传感器，不仅会加大实验难度，还不符合燃烧实验的初衷，本末倒置。此外，有些实验虽然应用数字传感器能很快得出结论，但应用传统实验方式更能达到教材设计的目的。比如测定空气中的氧气，在传统实验中能让学生着重学习压强变化会使气体或液体流动，而数字传感器就无法達到这一教学目的。

第二，学会分析思考。尽管数字传感器的应用为化学教学注入了新鲜的血液，而诸多学者对传感技术进入课堂也做了大量的探索研究，但是至今传感技术仍没有能真正与化学课堂教学相结合，教师要分析思考是哪方面的原因导致的。此外，教师还应认真分析如何让数字传感器在化学实验中发挥作用。教师要通过观摩分析其他优秀教师的化学教学活动、开展微格教学、进行专门训练或者反思教学经验等多种形式，将数字传感器在化学实验教学中的应用落到实处。

第三，做到资源共享。目前，对传感器的研究总体呈现出一种“多而散”的特点，这给集中研究探讨带来一定的难度，因此资源共享可为教师提供丰富的教学资源，促进教师取得良好的研究效果。教师可以通过查阅相关资料，组建化学教研团队，利用现代化信息技术进行线上资源分享，在平台发表相关言论，促进大家共同分析思考并能做到学以致用。

第四，促进跨学科交流。因为传感器的应用需要与计算机技术相结合，所以在应用传感器进行具体实验操作时可能会遇到以下问题：传感器如何与计算机相连？如何设置参数以呈现理想的实验结果？等等。遇到此类问题，教师要与相关专业的教师沟通交流，进而合力解决问题。

将数字传感器应用于初中化学实验教学中能实现以下目标：

（1）让枯燥乏味的理论知识“活”起来，使学生更易于把握知识点，了解学习重点和难点，激发学生对化学学习的热情。

（2）实现计算机和化学的跨学科组合，在拓宽学生化学学习视野的同时，加深学生对跨学科知识的把握，促进学生学科综合素质的提高。

（3）通过学生对实验的设计、操作、观察、整理、分析和总结的过程，提高学生整合知识的能力，逐步提升学生的科学素养。

（4）借助数字技术使实验过程更为直接清晰，有效培养学生的创新思维和创造能力。

综上，传统的初中化学实验教学往往从定性角度引导学生认识实验，无法及时验证学生对化学内容的思考。而数字传感器在初中化学实验教学中的应用将定性与定量有机结合，可提升学生的推理能力、创新能力和实践能力，同时促进学生化学学科核心素养的全面提升。

[ 参考文献 ]

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