例谈借助数字传感器学习真实的化学

魏毅鸣

摘要：学习真实的化学是化学教学的目标之一，使用数字传感器是学习真实的化学的重要硬件支持。本文介绍通过湿度传感器和pH传感器探究钠与水反应产生的白色烟雾的成分和来源。

关键词：数字传感器;钠与水反应;核心素养

文章编号：1008-0546（2022）10x-0088-03中图分类号：G632.41文献标识码：B

从事化学教学多年，教给了学生很多化学知识，很多化学知识是经过笔者加工处理的二手知识，很多情境也是虚拟的情境。反思起来，不禁心生忐忑，究竟有没有让学生学到最真实的化学呢？

真实的化学源于指向学生核心素养发展的要求。《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出：倡导真实问题情境的创设，开展以化学实验为主的多种探究活动，重视教学内容的结构化设计，激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变，培养他们的创新精神和实践能力。[1]

学习真实的化学，要对化学反应变化的过程有直观的认识，传统化学实验通常会定性或间接观察化学变化，很少定量地反映真实的化学反应。数字传感器可以弥补传统化学实验的这一不足。借助数字化实验，可以创设问题情境，利用电导滴定法研究酸、碱、盐间发生复分解型离子反应的规律，从宏观—微观—符号—曲线四重表征的视角，对实验结果进行分析和解释，使学生在实证中体验和感悟离子反应真实发生，并进行反思。[2]借助数字传感器能促使学生学会从真实情境中提炼出实际问题，在解决实际问题的过程中，学习相关的化学知识，建构知识模型。[3]

哪些实验情境能借助数字传感器帮助学生认识真实的化学呢？

一、借助数字传感器可使实验现象放大化

化学实验的重要任务是对实验现象的观察，普通人的观察是有一定局限性的。数字传感器的特点可以放大现象，而且针对细微的变化能够很灵敏地检测。譬如使用微距镜头可以显示出肉眼难以发现的实验的细节。使用色度计或浊度计可以辨别细微的颜色变化和浑浊度的变化。还有很多的传感器可以实现实验现象放大化的效果，对提高学生学习兴趣，改善观察体验有着极大的好处。

二、借助数字传感器可使实验的隐性现象显性化

化学实验中有很多现象是不能直接观察到的，譬如：温度的改变、密度的改变、质量的改变、酸碱度的改变、干湿度的改变、气体压强的改变等等。及时获取化学实验中这些变量的改变信息，能帮助学生把化学实验丰满起来，也能帮助学生全面认识化学实验的内在变化。

三、借助数字传感器可以使实验更加直观简洁

传统传感器也会产生很多数据，需要人为处理和分析，增加了工作量和实验时间。数字传感器借助软件，减少了实验的数据处理环节，让实验数据能够直观地呈现为图表形式。提高了实验效率，节省了宝贵的实验时间，让实验者能够更好地集中精力处理实验中表现出来的化学问题。

四、借助数字传感器可以更加方便地进行探究

传统高中化学实验，实验者都是带着预设进行实验的，实验现象符合预期就是成功的实验，很多细节上的异常被有意无意忽略了，其实如果坚持探究这些细节上的异常会得到意想不到的成果。借助数字传感器，可以及时捕捉到异常的信息，并将其“忠实”地记录下来，通过这些生成性的信息不断找寻背后的真相，有利于提高学生学习化学的兴趣，也有利于提高学生运用知识解决“真”问题的能力，在潜移默化中提高了学生的化学核心素养。

以“金属钠和水反应”案例来谈谈如何借助数字传感器学习真实的化学。

金属钠和水反应是高一化学常做的一个实验。不同版本的教材对这个实验的处理是不一样的。

人教版教材设计成探究实验：在烧杯中加入一些水，滴入几滴酚酞溶液，然后把一块绿豆大的钠放入水中。从钠在水中的位置、钠的形状的变化、溶液的颜色变化等方面观察和描述实验现象。分析实验现象，你能得出哪些结论？

苏教版教材设计成演示实验：向一只盛有水的小烧杯中滴加几滴酚酞溶液，然后投入一小块（约绿豆大小）金属钠（吸干煤油，并切去钠的表层），尽可能多地记录下你所观察到的实验现象，并对其作出合理的解释。

钠与水反应的实验现象，都会归纳为“金属钠浮在水面上，熔化成闪亮的小球，四处游动，发出嘶嘶的响声，产生使酚酞变红的物质”。但是伴随着钠与水的反应，会产生白色烟雾，并伴有刺激性的气味。该白色烟雾的成分和成因众说纷纭，有认为是水气、有认为是碱雾，但都没有进行过实验验证。通过对该现象的探究，能促进学生对钠的相关知识的掌握。

可以用数字实验将隐性现象显性化并且放大。根据争论的焦点，选择湿度传感器来测量水气的产生量，通过pH传感器（用水湿润）测量碱性物质的产生量，通过数据采集器把采集到的数据传输到电脑软件上，实时通过图表表现出来。实验装置Ⅰ如图2所示。

为了对比，在相同条件下，分别取大小不同的两个钠块分别放入装置的烧杯中，测量反应进行过程中烧杯口的湿度和pH的变化。其中①组取的钠块较小（绿豆大小），②组取的钠块比①组稍大一点。实验后得到的湿度变化和pH变化如图3和图4所示。

实验现象：钠块越大，白色烟雾越多，数据变化的特征也会越明显。数据变化有以下规律：随着反应进行，烧杯口的湿度先上升，后逐步下降;同时，pH却在稳步上升。这便证实了一个事实：白色烟雾一开始是含有碱性物质的水气的白雾，后来水的含量下降，产生由氧化钠和过氧化钠以及氢氧化钠固体小颗粒组成的白烟。

生成性的问题来了，后期产生的固体小颗粒来自哪儿？来自金属钠本身的挥发呢，还是来自水溶液沸腾之后的挥发物呢？学生对白色烟雾的来源产生了浓厚的兴趣。

设计实验来区别这两种挥发物。同样需要用到数字传感器。用湿度传感器和pH传感器，测量钠在水下反应时带出的物质和钠在水面反应时带出的物质的湿度和pH的差異。实验装置Ⅱ如图5所示。

如图6、图7所示，钠块在第10s放入水中并被铜片和脱脂棉包裹和“钳制”，被迫在水面下反应。第20s后，钠块从铜片的缝隙中钻出，漂浮在水面上继续反应。得到pH和湿度变化的图像。

由数据曲线不难看出，水下钠反应带出的气体中有碱性的物质也有湿度，而在水表面钠反应产生的气体中有碱性的物质却很干燥。这就验证了第一个实验，钠一开始反应时与水接触，所以测得的pH和湿度都在增加，而一会儿后，钠就和水隔绝开了，产生气体的湿度下降。但碱性物质还在产生，这是因为反应中放出的热量导致液态金属钠挥发，产生的钠蒸气与氧气和水蒸气反应产生了具有碱性的钠的氧化物和氢氧化钠。

通过这个案例的探究，本实验的参与者们还可以意识到，在进行本实验的过程中，存在吸入碱性物质的风险的，需要提醒他人注意防范，培养了学生的科学态度和社会责任素养。在查找文献、设计实验的过程中也培养了学生科学探究和创新意识素养。在解释实验现象、寻求变化本质的过程中培养了学生的证据推理素养。最终在这样一个真实的情境下，让学生在思想和方法、具体实践以及价值追求等层面都实现了化学核心素养的发展。学生通过数字传感器学习真的化学，在真实探究中掌握科学研究的方法。这种满满的获得感是很有意义的，会使他们今后在面对真实的任务时充满自信，会试着用数字传感器分析现象背后的本质。数字传感器真正的实现了关注学生学习过程，可创设与生活关联的、任务导向的真实情境，实现教学内容结构化。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]刘臣，李伏刚.让学生深刻体验和感悟离子反应真实发生——电导滴定法在研究酸碱盐反应规律中的应用[J].化学教育（中英文），2020，41（13）：48-53.

[3]夏添，何彩霞.基于真实问题情境的“糖类”教学[J].化学教学，2020（06）：48-52.