数字化实验在空气组成中的教学研究

孙觅觅

摘要：在大数据时代，数字化传感器与化学教学的融合越来越受到人们的关注。本文以《空气中氧气含量的测定》这一节课为载体，由于传统的实验存在各种局限性和误差性，故笔者借助数字化技术实现数据与图像的有机结合，在获得更为科学性结论的同时，还能提高课堂效率，培养学生的辩证思维。

关键词：数字化传感器;氧气含量;课堂效率

一、数字化实验的组成和特征

数字化实验是指用传感器、数据采集器、计算机以及相关软件进行的实验。

（一）数字化实验的组成

现代的数字化实验系统是由计算机、专业软件、传感器和采集器几部分组成，其中传感器是作为整个系统的核心。工作人员做实验时，所需要的相关数据都是由传感器的探头获得，如气体的压力、温度，浓度等。再通过数据采集器，将传感器在实验时所获得的相关电信号转换成计算机所需要的数字信号并完成输送，最终在由专业软件将这些数据处理成工作人员所需要的数值或者图像。

（二）数字化实验的特征

方便操作与携带，能够实时地反馈实验结果，这些都是数字化实验所独有的优点。当多个传感器同时连接同一个数据采集器时，还可以同时提供各种不同的数据，并且都能及时的反馈，这使得不同学科在学术交流上起到了促进的作用。由于传感器的技术含量高，一般来说所测得到的数据都是非常精准的，能满足不同学科的交流和学习。

根据现有的研究和笔者个人的感受，总结出数字化实验具有以下特征：

（1）高效性：方便快捷的优点大大提高了课堂教学效率。实验结果非常直观明了，很大程度上节省了学生记录数据与绘制图像的时间，让学生能够更大程度地参与进实验的分析中来，能让学生更多的发现实验的问题，并提高学生思考与解决问题的效率与能力。

（2）直观性：数字化实验对于实验现象的直观呈现，让初中化学实验教学变得丰富。传统的化学实验往往现象不够明显，难以说服学生。而传感器是一种很灵敏的工具，可以检测到微弱的信号，将不明显的现象以数据形式放大，提高了实验结果的可靠性。另外，图像的呈现可以让学生在实验的过程当中，直观清晰地分辨出实验数据的变化曲线，让学生对化学知识有一个更透彻的理解。

（3）综合性：切实提高学生对科学知识的探索能力。初中阶段的化学实验，大多是对书本知识的验证，学生没有参与到知识的探索当中。而数字化实验可以让学生很好地参与到探究性实验当中来，老师提出问题，学生经过思考与讨论，然后利用数字化仪器设计实验方案。让他们参与到知识的探究当中来，提高他們的主动积极性。

二、 空气中氧气含量测定方案研究

早在200多年前，我们伟大的科学家拉瓦锡就用看得见的汞的体积来表示看不见的气体体积的变化。但由于汞有毒，并不是实验室的最佳药品。课本中为什么选择红磷，而不是木炭、铁丝、镁带等药品呢？因为木炭会与空气中的氧气反应而生成二氧化碳气体，会弥补消耗掉氧气的气体，对实验造成干扰。铁丝只在纯氧环境中才能燃烧;镁不仅能和空气当中的氧气发生化学反应，还能在与氮气发生化学反应生成氮化镁固体，同时还能和二氧化碳气体发生反应，生成氧化镁以及碳单质这两种物质，所以在选择药品的时候，要选择只能与氧气发生反应的药品，同时满足生成物是固体或者液体的药品。很多人认为红磷是最佳选择，而且笔者在准备授课教材的时候，发现许多教科书中都提到了过量的红磷可以把集气瓶里面的氧气消耗殆尽，实际结果却大相径庭。在当红磷熄灭时，集气瓶里依然会残留许多的氧气。所以，用红磷测定空气中氧气的含量是不准确的。究竟是不是这样呢？就需要用到氧气传感器了来验证，将它通过数据采集器连接到电脑，就可以实时地、准确地测定氧气含量了。

三、数字化实验教学研究

通过实验，笔者发现空气中氧气的初始值是20.05 %，点燃红磷后迅速放入集气瓶中，此时氧气受热膨胀含量回到初始值，之后很快下降到最低点8.67 %，说明集气瓶中氧气被消耗，最后温度在9.36 %。实验说明，过量的红磷并不能将集气瓶里的氧气全部消耗殆尽，这主要是因为红磷的着火点为240 ℃，而当氧气的含量降低到一定量时，氧气燃烧所释放的温度不足以达到240 ℃，此时红磷熄灭。所以数字化实验是可以让学生发现课本当中所提到的实验是有问题存在的，对于探索新的科学知识，我们一定要保持着质疑的态度。这时，教师也可以提出新的问题，比如在密闭的环境当中，找出燃烧可以完全消耗密闭环境当中氧气的物质，让学生们去寻找新的可以测定氧气含量的科学方法，以此来打开学生的思维，培养学生对实验的验证思维。

通过实践证明初中阶段的化学实验教学完全可以把数字化传感技术融入进来，作为传统课堂教学的升级，对于学生综合素质的提高，以及教师教学水准和职业素养的提升都有显著的作用。但是，数字化实验的数据处理以及图像分析对于初中生来讲难度太大，如何将数字化实验与传统实验相融合，是接下来教师应该思考和解决的问题。

参考文献：

[1]缪徐.初中化学数字化实验教学的认知与思考[J].中小学数字化教学，2020（04）：81-84.

[2]杨银分.初中化学数字化实验教学策略探讨[J].新课程研究，2019（21）：106-107+118.