数字化实验系统在定量实验中的应用——以“市售小苏打中碳酸氢钠含量的测定”为例

◎ 孟 静

数字化实验系统，又称“数字化信息实验系统”（Digital Information System，简称“DIS”），是计算机信息技术应用到理科实验中去的一种现代化实验平台。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）中明确提出了把计算机信息及多媒体技术应用到理科实验中去。现代信息技术的迅猛发展和网络技术的广泛应用，为理科综合课程提供了丰富的课程资源。传统的实验仪器及方式越来越不能满足现代化教学的需要，传统的实验仪器使很多实验没法做、做不好，新的教学方法越来越重视探究性教学，其中数字化实验系统是探究性教学的平台和工具。鉴于此，笔者以化学拓展型课程中的定量实验“设计实验方案测定市售小苏打中碳酸氢钠含量”为内容，针对华东师范大学第二附属中学的高三年级资优学生开设了一节实验拓展课，引导学生利用数字化实验系统设计和完成实验，体验数字化实验系统的优势，感受创新的乐趣。

一、DIS应用于定量实验的意义

数字化实验系统（DIS）是由传感器、数据采集器和配套软件组成，能与计算机连接并进行定量采集和处理数据的实验技术系统［1］。虽然这一技术现在已经被广泛应用于化学实验，但是在高中化学常规学习中，学生很少接触到DIS相关内容。化学是一门以实验为基础的学科，在有效达到实验目标的前提下，实验过程以便捷为优，作为定量实验，最重要的是准确，以量化为基础的实验以及数字化实验测量的数据能引发学生的思考，更具思维价值和教育价值。此类实验可用数字化实验替代传统化学实验。教师利用DIS进行定量实验，可以使学生体会到它准确、便捷的特点。

实验教学是具有一定开放性的教学过程，因为学生在实验操作和数据处理过程中，能有效地发现问题、提出问题，并且在互动探讨中解决问题获得新知识，体现出教学过程中的互动与生成。目前高中化学的教学依然以传统化学实验为主。DIS是化学实验仪器的创新，这一创新也会对我们的实验手段和实验装置的创新提供一种新的思路，提高学生的创新意识和能力。如果教师能优化整合传统实验和数字化实验，就能够进一步体现实验的科学价值和教育价值。

二、DIS应用于定量实验的教学过程设计

（一）教学设计思路

学生在高二年级学习过重量法、气体法和滴定法这三种定量实验方法。本节课的教学将会在上述三种实验方法的基础上进行拓展。本节课的设计重视学生对“定量”这一概念的建构，在教学中力求学生体验到实验准确、便捷的特点，水到渠成地完成从传统实验到数字化实验的转型。

在传统实验中，碳酸氢钠加热时自身可分解，一般需要通过称量加热前后固体质量来计算碳酸氢钠的含量；碳酸氢钠还能与酸反应生成二氧化碳气体，可通过酸碱指示剂的颜色变化用酸滴定或者用排液法测量生成二氧化碳的体积来计算碳酸氢钠的含量。这些实验方法都存在着装置复杂、操作烦琐、准确性差的缺点。而利用DIS，学生可以在重新设计实验装置和实验步骤、采集数据过程中体验化学实验的便捷。DIS的结果往往以图表和图形的方式呈现，在对数据进行分析的过程中，学生能够深深体会定量实验中“量”的重要性，提高学生的数据分析能力，更有利于理解问题的本质。

（二）教学内容分析

1.教材分析

“测定碳酸氢钠的含量”是沪科版高三化学拓展型教材第九章第四节中的一个重要学生实验课题，教材要求学生自主设计实验步骤，拟定实验目的，进行实验，并在实验后处理数据。本课时内容是对高二学习内容的理解和应用，并进一步学习了定量实验的实验设计过程。

2.学情分析

（1）知识储备。学生在高三化学第六章第二节“一些金属化合物”中学习了碳酸氢钠受热易分解，与酸反应生成气体等相关化学知识，为本节课讨论碳酸氢钠含量的定量测定做好了知识储备。

（2）能力储备。学生在之前的化学学习过程中多次体验了探究式学习方法，因此具备了一定的问题探究能力和小组合作经验，为本节课教学活动的开展做好了能力储备。

（3）方法储备。学生在高二化学第十单元“几种定量测定方法”中通过测定1 mol气体的体积学习了气体法，通过硫酸铜晶体中结晶水含量测定学习了重量法，通过酸碱中和滴定学习了滴定法，为本节课的学习做好了方法储备。

（三）教学目标的制定

1.知识与技能

（1）复习巩固相关实验仪器的用途、使用方法和一些基本操作。

（2）掌握重量法、气体法、滴定法这三种基本定量实验测定方法的原理。

2.过程与方法

（1）通过测定市售小苏打中碳酸氢钠含量实验方案的设计、比较、优化，提高实验设计的能力以及综合评价能力。

（2）通过方案的设计，掌握定量实验设计的一般步骤、数据处理和误差分析的方法。

（3）学会利用数字化实验仪器提高定量实验的科学性和准确度。

3.情感态度与价值观

（1）了解数字化实验仪器在化学研究中的重要性。

（2）通过对几种设计方案和实验装置的评价，让学生体会定量实验的科学之美。

（四）教学重难点的确立

定量实验不仅能培养学生的实验能力，而且培养学生的科学精神。进一步学习利用新技术进行定量实验的实验设计是本节课的重点。由于教材中没有提及DIS，如何让学生理解并利用DIS设计实验，体会DIS便捷、准确的特点是本节课的难点。在教学设计中，教师利用传统实验与数字化实验对比的方法帮助学生理解DIS。从讨论碳酸氢钠的化学性质与实验设计的相关性入手，学生通过比较、分析不同的实验方案，从而体会DIS便捷、准确的特点。

（五）教学流程（见图1）

图1 教学流程

（六）教学过程

1.重量法测定碳酸氢钠的含量

在实验教学过程中，首先，学生发现碳酸氢钠受热时固体质量会发生变化，于是选择重量法进行测定，但是，学生提出高二时学习重量法中的恒重操作，至少称量四次，操作烦琐，时间长，实验误差较大，然后教师在课堂上向学生介绍热重分析仪，它可以实时记录加热过程中固体质量随温度的变化过程（见图2），学生发现这种实验方法可以使定量实验更加便捷。

图2 加热变化曲线

2.气体法测定碳酸氢钠的含量

教师先提出利用碳酸氢钠与酸反应生成二氧化碳的性质，可以选择气体法进行实验。但是，学生认为利用气体体积测定仪进行实验，温度、压强、读数方法以及盐酸的挥发，都会对实验结果造成影响。为了减少这些误差，使实验结果更准确，教师向学生介绍利用二氧化碳浓度传感器进行实验。

学生在盛有一定质量碳酸氢钠样品的容器中，加入20 mL蒸馏水，打开磁力搅拌器，使固体完全溶解后关闭，点击数据采集器的“开始”按钮，然后将10 mL盐酸倒入反应容器中，立即塞紧二氧化碳浓度传感器，打开磁力搅拌器，观察数据采集器的图像如图3所示，横坐标表示采集时间，纵坐标表示二氧化碳的浓度，曲线表示反应过程中该容器中二氧化碳浓度的变化情况，前一段表示空气中二氧化碳的浓度记为a1mg/m3，随反应进行曲线上升，表示该容器中二氧化碳的浓度逐渐上升，反应结束后，曲线走平，二氧化碳的浓度记为a2mg/m3，我们将实验数据代入相应的计算表达式计算出结果。实验结束后，学生经过讨论总结出：这种实验方法的结果不受温度、压强和盐酸挥发的影响，可以看出，数字化实验系统使实验结果更准确。

图3 数据采集器的图像

3. 滴定法测定碳酸氢钠的含量

学生在高二年级已经学习过用滴定管进行滴定实验。本节课中学生使用滴数传感器和pH传感器来进行实验。滴数传感器可以用来准确、自动地记录滴定溶液的体积，pH传感器可以用来检测溶液中氢离子的浓度。

学生在盛有样品的小烧杯中，加入50mL蒸馏水，打开磁力搅拌器，点击数据采集器“开始”按钮，再打开盛有盐酸的滴定管下端活塞，观察数据采集器的生成曲线（见图4），随着酸液的加入，溶液的pH逐渐减小，当pH不再明显变化时，说明反应已结束。

图4 数据采集器的生成曲线

学生提出：滴定终点如何判断呢？当达到滴定终点时，pH发生突跃，可以利用数据采集器的导函数的功能，准确找到滴定终点，在屏幕上，点击Excel表格，打开后，点击表格，选定新计算栏，然后选择相应的方程 “1stderivative”，点击“ok”，回到原页面，点击图表，选择图选项，选择配置和计算栏，点击“ok”，这样pH与计算栏都显示在屏幕上（见图5）。

实验结束后，学生经过讨论，体会到该方法没有用肉眼判断滴定终点，而是采用数字化仪器自动生成的数据，帮助我们准确确定滴定终点。滴数传感器能够帮助我们快速、准确地获知溶液的体积，而且数字化实验仪器可以全程记录滴定过程中的全部数据，并且具有存储功能，可以随时调取。

图5 滴定达到终点时的生成曲线

三、教学实践反思

（一）利用DIS完成实验，有效化解教学难点

由于教材中没有涵盖DIS的内容，这为本节课中学生理解和使用DIS增设了一定难度。尽管利用传统的气体法、重量法、滴定法等定量实验方法，学生也可以有效完成实验，获得碳酸氢钠含量的结果。但学生普遍反映传统方法操作复杂，准确度低，无法真正体会定量实验中“量”的内涵。

本节课在传统实验的基础上，利用DIS完成市售小苏打中碳酸氢钠含量的测定。在重量法中，教师向学生介绍了热重分析仪，通过呈现固体质量随温度变化的曲线，帮助学生理解碳酸氢钠分解的过程，并能更准确地判断碳酸氢钠完全分解时剩余固体的质量。在气体法中，学生使用二氧化碳浓度传感器测定生成二氧化碳的量，有效避免了温度和压强对二氧化碳的量的影响。在滴定法中，使用滴数传感器测定溶液体积，消除了由于观察液面读数带来的误差，通过呈现向市售小苏打中滴加盐酸时pH变化的数据和曲线，帮助学生准确地判断滴定终点。这三个实验使学生更深刻地理解DIS操作的便捷和数据的准确对定量实验的重要意义。

（二）将DIS巧妙融入传统实验中，提高学生解决问题能力

本节课中数字化实验的教学功能不局限于让学生学会使用DIS，更立足于让学生利用DIS自主设计并完成定量实验。学生根据高二年级的经验和体会，对传统实验的操作和准确性提出质疑，认为传统三种定量实验方法操作比较复杂，实验结果误差大。通过DIS中热重分析仪判断分解终点，二氧化碳浓度传感器测定生成二氧化碳的量，滴数传感器测定滴加溶液的体积，pH传感器判断滴定终点，这些都有效地弥补了学生提出的传统实验中的不足。

本节课的设计中多次、循序渐进地使用了DIS，将传统实验方法与现代实验装置相结合，顺应学生“提出问题—设计实验—解决问题”的思维上升过程，既没有拔高教学要求，不增加学生负担，又突出了教学重点，解决了教学难点，强化了实验过程中的探究过程，体现了对思维能力的培养。

本次探究活动的开展，充分体现了信息技术与化学学科的有效融合。学生通过查阅资料、分组实验、分析数据等活动，不仅能够熟练应用DIS，提高学科实践能力，更重要的是在这个过程中培养了发现问题、解决问题的能力，这正是化学学科核心素养的体现。