传统与现代的有机融合：化学实验教学的新趋势

吴良根

摘 要：由传感器、数据采集器、计算机及专门的数据处理软件组成的数字化实验系统在化学实验教学中有其独到的优势。将传统化学实验手段与数字化实验技术相融合，能较好地弥补传统实验的不足，发挥现代科技的优势，是化学实验教学的潮流与方向。

关键词：传感器；数据采集器 ；计算机；数据处理软件

传统化学实验主要以演示、验证、定性为主，在培养学生的观察能力、动手能力等方面发挥着不可替代的作用。而数字化实验在当前各行各业的定量研究中方兴未艾，大有燎原之势。使用数字化实验仪器开展化学实验教学，可极大地弥补采用传统实验手段较难开展定量测定的缺陷，将传统化学实验手段与现代数字实验相结合，是化学实验教学的发展趋势。

一、数字化实验简述

数字化实验系统主要由传感器（探头）、数据采集器和计算机（包括相关数据处理软件）共同构成，是一种集数据采集、数据处理和数据分析的智能化实验教学平台，它使化学实验室装备获得了数字化接口，可以有力地支持信息技术与化学实验教学的全面整合[1]。

多类型的信息传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操控平台和强大的函数图像功能是数字化实验主要的技术特征。借助这样的技术支撑，我们可以对化学变化及现象进行多角度的感知和多视角的分析、研究。在中学化学教学中，由于其携带方便、测量精确、数据处理方便、自动生成表格和曲线、实验结果直观等优势而深受师生的喜爱[2]，成为中学化学实验教学中备受关注的新热点。

二、传统实验与数字化实验教学整合的教学实例

化学是一门实验科学，传统实验在帮助学生形成化学概念、理解和巩固化学知识、获得熟练的化学实验技能、培养科学探究能力等方面发挥着积极的作用。但也有一些传统实验内容陈旧，实验现象模糊，缺乏时代感和创造力，很难激发学生学习的兴趣。适度地将数字化实验引入初中化学教学，发挥现代科技的作用，能很好地弥补传统实验的不足。下面以沪教版九年级《化学》“§1-2 化学研究些什么？”教学片段为例展开叙述。

片段一： 探究蜡烛燃烧时火焰的温度

师：点燃一支蜡烛。请同学们仔细观察，描述一下燃烧的现象。

生：蜡烛能在空气中燃烧，发出红白色的火焰，产生热量，有部分石蜡熔化，慢慢地，蜡烛越来越短。

师：描述得非常准确。在点燃时我们可以看到明显的发光放热现象，而且还能观察到烛泪流淌，遇冷凝固。请大家仔细观察蜡烛燃烧的火焰。

生：火焰好像分了几层。

师：观察得很仔细。蜡烛在燃烧时，其火焰分为三层，即：外焰、内焰和焰心。三层火焰的温度是不同的，你们猜猜看，哪层火焰的温度会最高，哪层火焰的温度会最低？可能的原因是什么呢？

生：讨论，回答。

师：刚才同学们都发表了自己的观点。在化学科学中，要评判结论是否正确，最公正的法官是化学实验。让我们一起通过实验来判断结论的对与错吧。

实验原理：将一根木条插入燃烧蜡烛的火焰中（如图1），1～2s后拿出来，观察木条烧焦情况。

学生实验：将一根木条插入蜡烛燃烧的火焰中，1～2s后拿出来，观察插入到火焰最里面的部分木条基本没有变黑，外面的部分已经烧焦了（如图2）。

生：焰心的温度最低，外焰温度最高。

师：确实如此。由于蜡烛燃烧时需要空气中的氧气，外焰部分跟氧气的接触量多，所以燃烧得充分，温度也最高。相反，焰心部分接触到的氧气少，燃烧不充分，火焰的温度也最低。那么蜡烛火焰燃烧时的温度大概有多少度呢？

生：讨论，猜测。

师：要测量温度，就要使用温度计。但一般的温度计的量程只有100°C左右，万一温度太高，温度计可能炸裂，会发生事故，所以需要用到能测量高温的仪器。

实验原理：将高温传感器与数据采集器、计算机（安装相关数据处理软件）相连接，组合成一套测量高温的数字化实验设备。测量蜡烛火焰不同部位的温度。

师生合作：老师点击软件上“开始”按钮，学生将三支高温传感器同时插入蜡烛火焰中的不同部位（如图3），观察现象。

生：可观察到火焰三个部位传感器反映出来的温度曲线都迅速升高（如图4），等数据基本平稳后读数分别是790℃、620℃、510℃左右。

师：蜡烛燃烧时火焰分为三层，其中外焰部分温度最高，其次是内焰，而焰心部分的温度最低。

……

片段二： 探究蜡烛燃烧时物质的变化

师：同学们知道蜡烛燃烧以后，固体石蜡会越来越少直至消失，那么其中的物质发生变化了吗？如果发生了变化，那你知道燃烧后生成的是什么物质吗？

生：讨论、交流。燃烧后，物质变化了，生成二氧化碳和水。

师：同学们在小学的自然课中都已经学习过，二氧化碳气体能够使澄清的石灰水变浑浊。根据已有的知识，请同学们讨论如何设计实验验证蜡烛燃烧后生成了二氧化碳和水？

生：交流、讨论。

实验原理：在一燃着的蜡烛火焰上方罩一干燥的集气瓶，观察瓶壁上是否出现一层水雾；然后用玻璃片盖住集气瓶口，把集气瓶倒过来，并倒入少量澄清的石灰水，振荡，观察石灰水是否变浑浊（如图5）。

学生实验：在燃着的蜡烛火焰的上方罩一干燥的集气瓶，观察到瓶壁上出现一层水雾；然后用玻璃片盖住集气瓶口，把集气瓶倒过来，并倒入少量澄清的石灰水，振荡，观察到澄清的石灰水变渾浊。

师：上面的实验现象说明蜡烛在燃烧时生成了二氧化碳气体和水。我们也可以设计数字化实验进一步测定蜡烛在燃烧过程中的物质变化。

实验原理：在如图6所示的密闭容器（上盖上开有三个小孔，分别插入氧气、二氧化碳和相对湿度传感器进行密封）内点燃蜡烛，密闭容器内的物质（主要指氧气、二氧化碳和水）的变化可通过氧气传感器、二氧化碳传感器和湿度传感器以数字和曲线的形式显示出来。

师生合作：老师点击软件上“开始”按钮，学生点燃蜡烛，用密封罩罩住，观察蜡烛的燃烧情况，同时观察大屏幕上显示的数据及曲线变化趋势，分析容器内物质的变化情况。

生：蜡烛在燃烧过程中，氧气的含量（体积分数）在不断地减少，而二氧化碳浓度（ppm）和相对湿度（%）在不断地增加（如图7），从中可以得出蜡烛在燃烧时，需要不断地消耗氧气，同时生成了二氧化碳和水。

师：化学上把没有生成其他物质的变化叫作物理变化；生成了其他物质的变化叫作化学变化。像上述的固体蜡烛熔化为蜡油的过程就是物理变化；而蜡烛燃烧后生成了水和二氧化碳的过程就是化学变化。

请同学们根据定义，举一些生活中物理变化和化学变化的例子。

……

片段三：探究空气中氧气的含量

师：空气是一种单一物质吗？如果不是，那么空气主要是由哪些物质组成的？你比较熟悉的物质有哪些？

生：空气不是一种单一物质，我知道空气中含有氧气和二氧化碳气体。

师：很好。空气是一种非常复杂的物质，含有多种物质。在漫长的人类发展过程中，空气中每一种成分的发现都是非常不容易的。现在我们设计实验来测定空气中氧气的含量。

提供资料：

（1）氧气能支持燃烧，一般物质的燃烧都需要氧气，而空气中的其他气体不能燃烧，也不能支持燃烧。

（2）红磷在空气中燃烧时，生成的是一种叫五氧化二磷的固体。

实验原理：利用红磷燃烧需要消耗密闭集气瓶内空气中的氧气，燃烧时生成的五氧化二磷是一种固体，集气瓶内压强会减小的原理。用一集气瓶及相配套的橡皮塞（橡皮塞上开三小孔，分别插入玻璃导管、燃烧匙和压强传感器），燃烧匙中放入足量的红磷，将红磷引燃后迅速插入到集气瓶中，燃烧结束后等冷却到室温后再打开止水夹，观察右边烧杯中的水被吸入集气瓶的体积及压强变化曲线图（如图8）。

师生合作：老师点击软件上“开始”按钮，学生将燃烧匙中的红磷在酒精灯上引燃后，迅速插入集气瓶中，并旋紧橡皮塞。观察实验现象及大屏幕上显示的压强曲线图；等到集气瓶冷却后，压强曲线也稳定后，打开止水夹，观察现象。

生：红磷燃烧时，产生大量的白烟，然后慢慢地熄灭，等瓶子温度冷却到常温（压强曲线稳定）后，打开止水夹，烧杯内的水被吸入集气瓶中，进入的水约占集气瓶体积的1/5。同时还能观察到压强曲线在开始时有一短暂的上升趋势，接下来呈明显的下降趋势，直至稳定（如图9）。

师：分析得很好，同学们已经留意到，燃烧过程中压强曲线一开始呈上升的趋势，也即一开始瓶内的压力不减反增，能解释是什么原因吗？

生：思考、讨论。红磷燃烧时，放出热量，瓶内气体受热膨胀，压力增大。

师：回答得很好。为了得到较准确的氧气含量，能否在红磷燃烧一结束，就打开止水夹？

生：不能，应等瓶内温度冷却到室温时才可以打开。否则可能会使进入的水不到1/5。

师：集气瓶中吸入水的体积约占集气瓶体积的1/5，这说明了什么？

生：说明红磷在密封容器中燃烧后瓶内压力最终减少，集气瓶中氧气的体积约占空气体积的1/5。

……

三、思考与体会

将先进的数字化技术手段应用于化学实验及其教学中，可以快捷、方便地为学生提供较为精确的实验数据，帮助学生更好地理解实验中所包含的化学核心概念和原理，能使学生提高科学探究的能力，体会技术在科学研究和社会生活中的重要意义，增强科技创新意识，全面提高科学素养。

（一）原理更科学

传统化学主要以定性实验为主，缺乏自动地采集、处理大量数据的功能，很难与多媒体电脑连接，也缺乏便携式在室外测定功能。难以培养学生自主、定量地搜集和处理信息的能力以及进行研究型学习的创造能力。数字化实验系统通过传感器进行检测，经数据采集器由专门的数据分析软件进行处理，可以定量测得各类不同的指标数据，所得数据准确、清晰，体现了定量化学实验的科学性。

（二）证据更精准

实验所得的实验数据与传统的实验方式相比更加符合客观规律。数字化实验设备是由采集器、传感器、实验附件以及相应软件组成的实验系统，可以使学生更精确地采集数据，这在很大程度上避免了学生在采集数据时可能出现的失误，减少了学生采集实验数据不可用的情况，同时也避免了很多不必要的误差，有利于学生对数据分析以及结论的得出。利用探究实验设备测出来的数据和证据以数字、图表为主，更客观、真实地展现实验过程[3]。

（三）结论更可信

用传统方法进行化学实验时，实验现象主要凭人的感官进行观察，在观察过程中难免会有遗漏、片面或受到其他因素的干扰等，会出现现象描述不准确、不全面、主次不分甚至颠倒黑白等问题。数字化实验通过与计算机连接的传感器实时采集数据，记录数据，相当于用传感器和计算机代替人眼、手、纸和笔记录数据，实现了数据记录的时间连续性与准确性，获得的结论更可信。

数字化实验是实验教学的一部分，是传统化学实验的有力补充。虽然使用数字化实验进行化学教学有很大的优点，但也有其局限（如费钱、费时等）。因此，数字化实验技术的应用应恰到好处，要在深入理解和领会教学要求和学生认知规律的基础上使用数字化技術，要为解决教学过程中的难点和障碍而使用。

参考文献：

[1]白涛.基于手持技术的数字化实验探索[M].北京：化学工业出版社，2011：9-10.

[2]严西平.初中化学数字化实验探索[J].化学教学，2013（12）：48-50.

[3]魏巍.数字化实验室与中学化学实验[J].化学教育，2006（11）：50-53.