水质测试笔“看见”水体质量的数字化实验探究

广东省深圳市罗湖教科院附属学校(518001) 朱云敏

广东省深圳市田东中学(518000) 罗雪仪

化学实验、数据分析是初中化学学习的基础，教师对实验的设计显得非常重要，让学生更快、更便捷地通过化学实验去学习化学，是学生学好化学的重要途径之一[1]。事实上，化学实验是了解未知物质的性质、丰富化学知识及解决实际化学问题的最好方法之一。但是，对于初中化学的某些知识点：如不同净水方式的净化程度比较、水的组成分析等，如教师在化学教学过程中只利用常规的实验仪器与装置开展化学实验，则存在费时、乏味、效率低和效果差等问题。如何通过实验的设计和优化弥补上述的缺陷？

随着现代化信息技术的快速发展，信息技术在课堂教学中逐步普及，数字化实验教学在化学课堂和实验教学中已经得到开展。数字化化学实验具有以下特点：实验过程可视化、实验现象客观化、实验属性定量化、实验易操作等特点[2，3]。在进行化学实验探究时，学生除了要知道“怎么样做实验”“观察实验现象”“这个物质是什么”之外，还应明白更深层次的要求：“知道有多少”，这就需要初中化学实验由单纯的定性实验向定量化实验过渡。传统的化学实验教学往往注重培养学生的实验操作能力和对实验现象的观察能力，但忽视了对学生自主探究能力的培养。那么，如何利用现代化、数字化的实验手段提高学生学习化学的积极性和对化学实验的参与度，培养学生的探究精神和实践能力？为了解决以上的问题，笔者将水质测试笔(以下简称“水质笔”)引入传统的化学实验课堂，让学生利用数字化的测试仪器“看见”水体的质量。

为了分析将水质笔引入传统的化学实验课堂的可行性，需对水质笔的工作原理进行分析。水质笔也称TDS测试笔，TDS为Total Dissolved Solids(溶解性总固体)的缩写，其工作原理如下：根据水体中可溶性物质的多少，液体的导电不同，判定水体中所含可溶融性颗粒的多少[4]。其中，一般情况下，水质笔的TDS值越小，说明水体中可溶融性颗粒的溶解量越小，水体的质量可能越高。因为在水体中，主要的溶解物质为：Ca2+、Mg2+、Na+离子及色素分子等，所以，从理论上分析用水质笔测定水体的质量是可行的。

1 测试样品与方法

1.1 测试样品

过滤后、活性炭吸附后、煮沸后、蒸馏后的水体样品，怡宝饮用纯净水，农夫山泉饮用水(矿泉水)，可口可乐饮料，乳酸菌饮料。

1.2 方法及实验过程

分别利用水质笔测试不同测试样品的TDS，进行相关数据分析。测试前使用蒸馏水冲洗水质测试笔探头3～5次，冲洗后用纸巾擦拭干净。测试过程中，将水质笔浸入待测溶液中，待示数稳定后(约10 s)记录相关数据，每个溶液样品平行测试3次。在进行测定其他溶液TDS时，将水质笔探头重新洗净、擦拭后再进行下组溶液TDS的测定。

2 水质笔“看见”水体的质量

如图1所示，过滤之后的液体变得澄清，但是澄清的液体并不透明，呈现淡红色。主要原因是过滤实验操作仅能去除液体中的颗粒较大的不溶性杂质，并不能除去溶解在水中的可溶性杂质，由于色素分子的存在，所以液体的颜色为淡红色。通过对图1的分析，我们也很好地证实了澄清不等于无色透明，利用学生的认识冲突，强化对知识的理解，增强学生对概念的学习兴趣。那么，呈现颜色的液体如何进一步的净化？

(a) (b)

2.1 活性炭吸附前后水体质量分析

在实验和实际生活中，我们常利用活性炭的吸附性除去液体中的一些色素及异味。如图2所示，经过活性炭吸附之后的液体，变得澄清透明。通过颜色对比，可以清晰地感受到经过活性炭的吸附后，水体得到了净化，但是这样一杯澄清无色透明液体的水体质量如何？直接的观察是无法判别出来的。我们在活性炭吸附前后用水质笔进行了液体的TDS测试，测试结果表明：活性炭吸附前的液体TDS值为906 ppm，活性炭吸附后的液体TDS值下降为202 ppm，活性炭吸附前后液体的TDS变化是非常明显的。通过测试结果，我们很好地验证了水质笔用于实际数字化实验的功能。

(a) (b)

通过对照饮用水标准(见表1)，我们可以发现：活性炭吸附后的液体TDS值稍高于硬水TDS值的上限。在九年级上册的教材中是这样定义硬水、软水的：含有较多可溶性钙、镁化合物的水叫做硬水；不含或含有较少可溶性钙、镁化合物的水叫做软水。在教材中鉴别软水硬水的方法是利用肥皂水。其中，向硬水中加入肥皂水振荡后有大量浮渣、少量泡沫产生。但是，不同硬水之间的区别我们并不能通过这样定性的测试区分开来。庆幸的是，通过水质笔的使用，TDS数值的获取，学生能直观地“观察”到硬水，并且有了一个初步的定量分析。活性炭吸附之后的液体并没有达到饮用水的标准，得到的澄清液体的水体质量也是较差的，如何进一步将水体净化？

表1 国际直接饮用水标准

2.2 硬水净化前后水体质量分析

在教材中，将硬水软化的方法主要为：通过煮沸降低水的硬度；在实验室中，可以通过蒸馏降低水的硬度。且在教材分析中，有这样的描述：实验室用的蒸馏水是净化程度较高的水。那么，如何分析硬水在煮沸后或蒸馏后是否被软化？如何去比较煮沸的水和蒸馏水的净化程度？这是一个学生理解上的难点并且是一个化学知识盲区。与图1、图2不同的是，在图3中，不管是煮沸前、煮沸后还是蒸馏前、蒸馏后，液体都显示为澄清透明，无法通过视觉鉴别出净化前后液体质量的变化，更加不可能比较出蒸馏水和煮沸的水两者水体净化程度。

(a) (b) (c)

在实验中引入水质笔，就能使上述问题得以快速、直观地解决。通过对不同液体的TDS测试值进行分析，可以发现，在煮沸和蒸馏后，水体得到了净化，虽然3杯液体都是无色澄清透明的，但是它们的TDS有较大的差异。其中，煮沸后的液体，如图3(a)所示，液体的TDS为24 ppm，表明硬水在煮沸后水体质量有提高。煮沸后的液体已不属于硬水，为软水。如图3(c)所示，蒸馏后的液体TDS仅为11 ppm，为纯度高的理想饮用水。通过以上测试，我们可以很好地证实，硬水在煮沸、蒸馏后得到了软化，TDS的数值都小于100 ppm。特别地，通过数字化水质笔实验的设计，我们可以清晰看到图3(a)与图3(c)的区别，蒸馏后的液体TDS仅为11 ppm，小于煮沸后的液体的TDS(24 ppm)，这也很好地证明了蒸馏与煮沸两种净水方式的净水程度的不同。蒸馏后的液体净水程度更高。显然，在实验中引入水质笔，能可视化地解决学生遇到的难题，并且引入定量的分析，降低学生学习的难度并提高学生的学习乐趣。

3 生活中常见液体的TDS测定

上述实验很好地证实了数字化水质笔的使用能很好地定量分析水体的质量，而水质笔在实际的生活中又有怎样的延伸及应用？

3.1 饮用纯净水及矿泉水的TDS测定

学生对于水质笔有了初步的认识之后，可以将水质笔的测试延伸到实际的生活中。例如，我们平时饮用的水体质量怎么样？为了进行相关的测试，我们将学生感兴趣的饮用纯净水和饮用矿泉水分别进行了TDS测试。如图4，饮用纯净水的TDS为0 ppm，矿泉水的TDS为39 ppm。以上的测试结果也很好地表明矿泉水中溶解有矿物质使得TDS的数值高于纯净水。实际上，两种饮用水均达到了饮用标准，由于具体的饮用水种类不同，使得两者的TDS有差别。通过以上的测试，学生对纯净水和矿泉水有了更直观、更深层的了解，也强化了学生对“纯净物”“混合物”知识点的理解。生活中饮用水的TDS测试将实验、测试由实验室“带到”生活中，通过学生自己动手操作来实际感受实验的生活化。

(a) (b)

3.2 生活中饮料的TDS测定

在生活中，学生更感兴趣的是测试饮料的TDS。通过相关调研，我们也进行了可口可乐和乳酸菌饮料的TDS测试，测试结果如图5所示。通过相关的数据分析，我们可以清楚地看到可口可乐的TDS为472 ppm，乳酸菌饮料的TDS高达1 100 ppm。那么，通过与表1的指标对比，是否这两种饮料都达不到饮用的标准？

(a) (b)

对于以上的问题，我们需要更深层次的分析，表1的标准是国际直接饮用水标准，而我们生活中经常遇到的液体的溶解物是更加复杂的，其中包括一些有机物等[5]。而饮料的TDS高，并不能表明饮料不可直接饮用。通过以上测试，我们可以在生活化的例子中深化理解TDS的含义，TDS是检验液体中各类有机物或者无机物的总和。对于饮用水有一定的标准(见表1)，但是生活中的液体由于溶解物的特殊性、复杂性，需要辩证地看待测试得到的TDS数值，也就是说：对于复杂体系的液体而言，并不能直接或只通过TDS的数值判定液体质量的好坏。故TDS越高，液体的质量不一定越不好，不一定不能饮用。生活中常见液体的TDS测定，使水质笔实验基于教材的实验，进行生活化测试的延伸，能很好地提高学生分析问题和解决生活中实际化学问题的能力。

水质笔的TDS能很好地表示活性炭吸附前后液体，煮沸、蒸馏前后液体的质量，另外，也能明显地识别出煮沸和蒸馏两种方法的净水程度。水质笔的使用表现出便捷、快速的同时，也能更好地培养学生的定量思维。定量分析不同水体净化程度是初中化学教学的难点与盲点，如在相关内容的教学过程中采用单纯的理论讲解，化学课堂存在费时、单调、效率低、效果差等问题，而手持式、数字化的实验设计及测试能弥补上述缺陷。