数字化传感实验在中学化学实验教学中的应用及思考

摘 要：随着科学技术的发展，中学组织了多方面的研究活动，但很多实验数据的收集会显得力不从心。而数字化传感实验的应用能为研究性学习提供工具支持，使一些难以开展的实验变得直观、简单。所以，数字化传感实验在中学化学教学中的应用越来越广泛。文章以“空气中氧气含量的测定”为例，对数字化传感实验在中学化学实验教学中的应用进行了分析，以期为相关教育工作者提供参考。

关键词：传感器;氧气含量;化学实验教学

中图分类号：G427                                文献标识码：A                                       文章编号：2095-9192（2022）17-0070-03

引  言

氧气在空气中的含量几乎是恒定的，那么如何测定氧气在空气中的含量呢？物质在氧气中的燃烧真的会完全进行吗？文章着重介绍在化学教学中利用新科技来测定空气中氧气的含量。

一、理论基础

空气是与人类息息相关的物质，而空气成分的测定也吸引了众多科学家进行不断的探究。在传统中学教学中，一般是利用燃烧法测定空气中氧气的含量，而这一方法无法准确测得与理论上相同的数据。而随着科学技术的发展，目前中学测定空气中氧气含量的方法也在不断改进[1]。

利用数字化传感实验就可以测定空气中氧气的含量。数字化传感实验能自动收集及处理数据，极大地方便了教师的日常教学。本文重点介绍“空气中氧气含量的测定”这一节课中的实验过程可能引发的问题，分析了数字化传感实验在化学实验教学中的应用[2]。

经过一段时间的学习，学生已经熟悉了化学实验室的环境，掌握了实验室安全规则，初步学会了常见化学实验仪器的使用和药品取用、酒精灯的使用等基本实验技能，为“测定空气中的氧气含量”的实验奠定了基础。空气中的氧气含量约有21%，教师可以帮助学生巩固这一常识，并自然地引入“空气中氧气含量的测定”这一重要知识点，为学生后续混合物中某一组分的测定奠定基础。

二、教学过程

本节课的教学目标：（1）能说出空气的成分;（2）掌握空气中氧气含量测定的原理;（3）体会科学家的思想并学会科学探究的基本方法。虽然本课内容较为简单，但是涉及的内容非常丰富。

知识维度：从定性、定量两个角度认识空气的组成。

技能维度：需要学生独立操作，包括药品的取用、酒精灯的使用等。

方法维度：形成测定混合物某一组分含量的思路;会对实验数据进行基本的处理和分析。

笔者结合实际情况对本节课的教学过程可能出现的问题提出如下设定及建议。

引入：播放视频，介绍空气中氧气含量恒定的重要性，引出空气成分的发现史及拉瓦锡测定空气中氧气含量的实验，体会科学家探索科学的艰辛及在探索科学过程中的严谨态度。

思考：如何根据氧气的性质来测定空气中氧气的含量？

回答：氧气能支持燃烧。根据燃烧前后空气含量的变化来测定氧气的含量。

讲述：相同条件（温度、体积）下，气体的含量之比等于气体压强比。因此，可以利用这一点来测定一个固体体积的容器内可燃性物质充分燃烧后压强的变化，从而测得空气中氧气的含量。

原理：接通电路使电炉丝发热，红磷燃烧消耗具支锥形瓶内的氧气。氧气被消耗引起具支锥形瓶内压强变化，所以可利用压强传感器测得燃烧前后压强的变化，从而测得空气中氧气的含量。

实验装置和药品：具支锥形瓶、接有电热丝且具有接线柱的燃烧匙、压强传感器、温度传感器、自制改装电源、红磷。

实验前准备：（1）橡胶塞打孔，安装好温度传感器及带有电炉丝的燃烧匙并固定密封好。（2）检查好装置气密性。按照图1装好，微热锥形瓶，右侧导管有气泡冒出后，撤去热源，如果在导管口形成一段水柱且一段时间不变化，证明气密性良好。（3）在具支锥形瓶的支管口装好压强传感器，并把温度传感器、压强传感器分别与计算机相连接（如图2）。

实验关键：（1）红磷充分燃烧，产物完全吸收;

（2）装置的密闭性至关重要;（3）反应前后测定压强时应注意温度一致。

实验过程：（1）在燃烧匙中装入足量的红磷，锥形瓶底部加入适量的水（促进产物五氧化二磷完全吸收）;（2）塞紧橡胶塞，闭合电路的开关，观察实验现象;（3）充分冷却后，记录计算机中显示的压强变化，处理数据;（4）重复实验3次，求出氧气的平均含量。

现象及数据：表1数据为实际实验过程所测。

发现问题：空气中氧气的含量为17.5%，比预测值（21%）低。

原因分析：通过查资料得知，物质都有一定的氧指数。氧指数简称OI，是在规定条件下，试样在氧气、氮气的混合气流中，维持可燃性物质平稳燃烧所需的最低氧氣浓度，以氧气所占体积百分数表示。氧指数越小，越易燃烧;反之，氧指数越大，越难燃烧。故在保证装置气密性良好，且严格控制反应前后温度的情况下，测得的氧气含量低于预估值。最可能的原因是红磷虽然为可燃性物质，但是有可能在氧气浓度低于一定值后无法继续燃烧，导致测得的氧气含量偏低。

根据实验数据可知，氧气浓度低于3.5%就无法燃烧。

解决方案：（1）提前准备好纯净的氮气和氧气，并按不同体积比混合;（2）按图3组装好实验装置，检查气密性;（3）装好红磷，打开1、2两个止水夹，把混合气体通入装有红磷的装置一段时间;（4）闭合电路的开关，观察是否燃烧;（5）记录数据（见表2），并根据实验数据得出结论。

三、实验意义

本节课重点是通过数字化传感实验进行化学教学，让学生充分感受到科学家研究科学的严谨态度及付出的巨大努力;通过数字化传感实验教学来提高学生的化学素养，使其感受到科技发展在科学研究方面所起到的巨大作用。

数字化传感实验由传感器、数据采集器和配套软件组成。教师可将其与计算机连接并采集数据、处理数据，这样能够弥补传统实验的缺陷，让学生了解先进的科学技术，培养学生的化学思维能力，提高学生的探究水平。但是使用数字化传感实验会弱化常规实验的操作规范，影响学生对实验现象的细致观察，且能采用数字化传感实验的实验不是很多，所以其在推广方面也存在一定的局限性[3]。

目前来看，适合使用数字化传感实验的化学实验主要有离子反应、中和反应、燃烧反应等相关实验。高考题目中有很多与图像分析相关的题目，自变量和因变量也比较多，有浓度、温度、催化剂、压强、表面积、pH、转化率、体积分数、反应速率、导电率、离子浓度比值等。这类题目难度比较大，学生如果能在日常学习中学会处理数字化传感实验的相关数据，对这些数据及图像的处理也会掌握得更加透彻，解答过程也更加得心应手。

结  语

本文中，教师通过对教学过程中出现的问题进行反思，积极思考并收集资料，帶领学生改进并制作实验仪器，再通过传感器等数字仪器进行实验验证，最后得出结论。每一步都环环相扣，紧密连接。学生在整个学习过程中，其思维被一步步地引导到正确的方向上，为后面定性、定量实验打下了基础。教师在尝试改进实验的过程中，也得到了锻炼与启发，有很大的收获。在以后的教学中，教师也可以多尝试进行一些教学上的改进，不断与时俱进，同时穿插一些新科技的应用。

[参考文献]

梁金红.数字化传感实验在化学教学中的应用策略：以初中化学测定空气里氧气的含量实验为例[J].中国现代教育装备，2020（20）：20-21.

洪兹田，陈女婷.建构思维模型 创新实验手段：一道“测定空气中氧气含量”实验拓展题分析及引发的思考[J].中小学实验与装备，2020，30（02）：58-61.

张香珠.例谈初中化学实验教学中的素养教育：以解读“测定空气中氧气含量实验”为例[J].考试周刊，2019（72）：149-150.

作者简介：朱丽萍（1983.1-），女，福建莆田人，

任教于福建省莆田第二中学，一级教师，本科学历，2021年获“莆田市高中教育先进个人”称号。