应用智能手机探究浓度对化学反应速率的影响*——以“硫代硫酸钠和稀硫酸反应”为例

韩 怡

(昆明市第三中学，云南 昆明 650500)

1 实验背景

基于云南省在2020年秋季学期开始使用普通高中化学人教版新教材(2019版)[1]的背景，笔者积极钻研新教材，对比旧教材(人教2003版)[2]，感悟新教材的变化和编制意图。针对“浓度对化学反应速率的影响”这一教学内容进行新旧教材的对比分析(如表 1)，发现新教材在定性研究浓度和温度对化学反应速率的影响上，删去旧教材的一个实验案例(高锰酸钾和草酸反应)，并使用了同一个实验案例(硫代硫酸钠和稀硫酸反应)来分别探究浓度和温度对化学反应速率的影响，精简了实验内容，使探究内容更加结构化和系统化。由此看来,新教材使用的“硫代硫酸钠和稀硫酸反应”这个实验承担了两个化学反应速率影响因素的探究，值得细细品味研究以助力教学实施。本文将针对该实验进行改进，应用智能手机和相应App探究浓度化学反应速率的影响。

表1 “浓度对化学反应速率的影响”内容的新旧教材对比

2 实验过程

2.1 实验原理

“硫代硫酸钠和稀硫酸反应”实验的反应原理是：Na2S2O3+H2SO4==Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O。反应现象是：反应过程中溶液由澄清逐渐变浑浊。溶液越浑浊，透过溶液能检测到的光强度越小，因此可以利用光强度随时间的变化来表征化学反应速率的变化。笔者应用智能手机(自带光线传感器)和相应的App测定并记录反应过程中光强度的变化，以此间接表征出化学反应速率的变化，然后再通过对比不同浓度溶液反应的变化曲线趋势(斜率)即可得出结论。

2.2 装置及用途

仪器：50 mL烧杯1个、手电筒1个(若有稳定光源，则此不需要)、胶头滴管若干

药品：0.1 mol/L硫代硫酸钠溶液、0.1 mol/L硫酸溶液

其他设备：智能手机，科学日志App，希沃传屏App或希沃授课助手App。

针对实验装置中用到的智能手机和App作出说明如下表所示(如表2)。

表2 关于实验所用其他设备的说明

2.3 实验准备

本实验需准备好材料，然后简单搭建即可开始实验，搭建方式如图1所示。虽然目前有文献指出类似的光线传感器可以自制[3-5]，但笔者认为随着智能手机的普及，这种自制光线传感器的实用性和便捷性将大大降低。综上所述，应用现有的智能手机自带的光线传感器，能更加便捷的达到相应的实验目的和教学效果，解决了自制仪器费时费力的问题。

图1 应用智能手机探究浓度对化学反应速率的影响实验装置图

如图1搭建好装置，将盛有10 mL 0.1 mol/L硫代硫酸钠溶液的50 mL烧杯置于智能手机的光线传感器(一般位于手机听筒的左侧)之上。提前设置好希沃投屏App，以将手机屏幕投影到大屏上供学生观察实时数据。

2.4 操作步骤

1)打开智能手机上的“科学日志”App，调出“环境光”测量页面，即可实时监测光强度。点击屏幕下方的“红色圆圈”按钮即可开始记录光强度的变化数据，同时软件自动在屏幕上实时画出光强度-时间变化曲线。可以观察到此时光强度稳定在644 Lx(光强度的单位)。

2)向烧杯中加入10 mL 0.1 mol/L硫酸溶液，然后持续观察光强度变化，发现光强度逐渐下降。可观察到因硫酸溶液的加入，纵坐标光强度有上下波动但迅速回归初始光强度，因此曲线上下波动处即为加入硫酸的时刻(如图2)。

3)等待观察光强度逐渐下降至最低数值且稳定不变时，说明反应结束。此时再次点击屏幕下方的“红色圆圈”按钮以停止记录，至此则完成一组实验并获得曲线1。

4)用0.2 mol/L硫酸溶液替换0.1 mol/L硫酸溶液，重复进行1)～4)步骤，完成第二组实验并获得曲线2。

5)通过“控制变量”“定一议二”“数形结合”等方法，对比曲线1和曲线2，可分析和解读图像，得出结论：当其他条件一定时，浓度越大，化学反应速率越快。

最后值得一提的是，“科学日志”App的实验结果界面(如图2右图)，还提供了“分享”的功能。“分享”能以.csv格式的文件形式导出实验数据，后期只需用excel软件打开即可画出光强度-时间曲线图。实际运用和数据处理十分便捷。

图2 实验操作步骤

3 实验效果与完善设想

3.1 实验效果与教学推广

与传统实验相比，智能手机和App的引入，使得实验数据和图像可以动态地、实时地呈现在屏幕上(如图3和图4)，而且导出数据后经过数据处理可对比图像(如图5)，数据清晰准确，经论证可得结论。图5显示，相同时间内，高浓度组的光强度下降更多，斜率更大，说明生成的沉淀更多使得光强度下降更多。可得结论是：当其他条件不变时，浓度越高，化学反应速率越快。

图5 硫代硫酸钠与不同浓度稀硫酸反应的图像

图3 硫代硫酸钠与0.1 mol/L稀硫酸反应图像 图4 硫代硫酸钠与0.1 mol/L稀硫酸反应图像

在教学实践中，笔者将传统实验设计在新课中，将本文的实验设计在复习课中，并且课前和课后均做了问卷调查。调查对象是高二年级2个理科班学生，共112人。对问卷统计结果(如表3)的分析如下：

表3 新课和复习课课堂前后的调查问卷统计结果(节选)

第1～2个选项结果显示:通过课堂教学，学生对传统实验和改进实验的理解均有提升，说明学生在课堂的学习是有效的,而且对化学反应原理的本质理解更加深入。尤其在复习课上，对改进实验的理解人数比例由26%提高到77%，说明学生的思维水平在复习课上有所提升。

第3个选项结果显示:学生对改进实验优点的认可人数比例由51%提高到100%，说明通过课堂上亲自动手做实验的体验，学生对用智能手机做化学实验的态度更加积极和认可。

第4个选项结果显示：课前10%的学生认为自己能分析清楚图像，课后该比例提升到77%，说明图像分析仍然是学生学习的难点，在课堂教学中注重图像分析将有助于学生能力和思维水平的提升。

第5个选项结果显示：100%的学生能主动根据“控制变量唯一”的思想来设计实验，说明学生已有经验和知识基础较为扎实，教师可以设置关于实验设计的更高水平问题以培养学生高阶思维。

第6个选项结果显示：能主动关注实验设计的定量关系的学生比例较低，课前仅23%的学生有定量意识，课后虽然比例提升到有63%的学生能主动关注定量，但是与能主动关注“控制变量唯一”的比例(100%)相比而言，有定量意识或能主动关注定量关系的学生偏少。这样的情况也与目前实验教学中普遍存在的“缺乏对学生定量意识培养”的现状有关，这种现状使得学生体会不到定量关系在化学实验中的重要性。因此老师应在教学中注重培养学生的定量意识，这将有助于学生的思维发展。

此外，本文的实验装置还可推广用于改进“温度对反应速率的影响” “影响化学平衡移动的因素探究”[3]等新课标要求的必做实验，对此目前已有一些可查阅的文献，在此不再赘述。

3.2 完善设想

1)需要设计和制作一个固定手机、烧杯和光源的一体化模具。笔者在实验过程中发现，手机的光线传感器非常灵敏，设备的移动或者近距离的操作会使得光强度有波动(如图5中0 s～0.15 s显示光强度有少量波动)，从而增大测量误差和数据异常。因此后续完善的方向是设计一个防干扰的模具，能起到固定手机、烧杯和光源的作用，预期用3D打印技术实现制作。进行本实验需要注意的是测量过程中，光源需稳定，切勿移动手机、烧杯等设备，以免干扰光线传感器的测量。

2)利用智能手机附带多种传感器这一特点，可尝试从更多角度开发实验，让课本实验“数字化”和“趣味化”[6]，数字化实验“平民化”，使智能手机成为教师教学和学生学习的随身小工具。另外，笔者还希望通过加强自身的理论学习，探索更加多元的教学评价方法和手段，以期使实验实践效果的评价角度更加多元，评价手段更加丰富，评价结果更加准确。

4 改进反思

通过与传统实验(测定不同浓度溶液变浑浊后将烧杯底部“十”字完全遮盖所需的时间长短)和数字化实验(测量浊度变化曲线)作比较，笔者对本文实验改进的反思有如下3点。

1)实验的定量化、动态化和图像化有助于培养学生综合能力。

与传统实验相比，该实验能精确测定光强度-时间曲线，减少了人眼判断的误差，能动态地、实时地呈现定量数据，培养学生获取信息和分析解决问题的能力。比如，当达到相等光强度时，可从曲线上精确读出所需反应时间，从而得出相应结论，这将减少人眼判断沉淀是完全遮盖烧杯底部“十”字时的误差，同时还能培养学生通过“控制变量”“定一议二” “数形结合”的方法来分析和解读图像的能力。

2)实验的简化和平民化有助于扩大教学应用的范围。

与数字化实验相比，该实验材料易得，操作简单，重现性好，可操作性强且易于推广出更多的探究角度和研究形式。如演示实验、学生实验和研究性学习小组实验；利用普及程度高的智能手机代替了昂贵的数字化实验设备，实现了教材传统实验的“数字化”；App的使用增强了“掌上化学实验”的交互性。

3)智能设备在实验教学中的应用亟待更多研究。

如今已有越来越多的研究者开始借助智能手机，甚至是其他智能设备以及相应App去探究中学化学实验。而我们更应注意到这个思路仍有推广的空间，这个领域亟待更多研究。以智能手机为例，因为它本身是一个自带了磁场、压力、加速度、距离、光强度和摄像头等多个传感器的科技产品，所以可以在一定条件下代替数字化实验的传感器来辅助实验，而且还可能涉及到物理和生物等学科交叉的研究问题。这就为没有条件开展数字化实验的学校和地区提供了新思路，也给学生提供了应用身边现有工具去探究实践的机会，促进学生的科学探究意识、创新意识和动手实践能力，我们期待着有更多的师生积极投入到探索中来。