手持技术数字化实验在化学教学中的应用

李茂炽 但世辉

“手持技术数字化实验”是依托由传感器、数据采集器和装有配套软件的电脑端组成的收集与处理实验数据的信息技术系统，进行实验的一种实验手段。该实验手段不但简化了实验操作，而且能够定量收集温度、pH值、电导率、压强、氧气浓度等实验数据，并以图表等可视化形式呈现实验结果，有利于学生探析微观世界，认知抽象概念，提高学习兴趣和信息技术应用能力。数字化实验能够在哪些方面服务于初中化学教学呢？

一、丰富验证性实验的检测手段

验证性实验是实验者在对研究对象有一定认知的基础上提出假设，并验证假设是否正确的实验。这种实验重在实验操作的设计和实验结果的分析，而非实验探究的过程，适合依托数字化实验来实现。

以次氯酸分解（HClO？2HCl+O2↑）实验为例。该实验需要验证是否有氧气生成，若用传统实验方法，学生要先收集生成的气体，再用带火星的木条能否在气体中复燃来检验氧气是否存在。理论上学生会看到木条复燃，但实际操作中情况并不理想。由于次氯酸分解生成氧气的速率很慢，大概需要5分钟才能收集到足够使木条复燃的氧气，并且次氯酸分解的条件为光照，倘若遇上阴雨天则实验耗时更长，不利于课堂教学。这是传统实验方法难以克服的问题。鉴于此，教师可以在教学中引入数字化实验，将探测溶解氧的传感器放入次氯酸溶液中，再连接上数据采集器和笔记本电脑（如图1），借助数字化实验的数据可视化优势，让学生在极短的时间内通过电脑屏幕看到随着次氯酸的分解，溶解氧含量逐渐增多的情况（如图2）。

数字化实驗的过程不需要光照，用时较少，操作简单，实验数据直观、清晰，学生很容易通过实验数据分析出实验有氧气生成，有利于达成学习目标。

二、简化探究性实验的研究过程

探究性实验是实验者在不知晓实验结果的前提下，通过自主探究得出实验结论，进而形成科学概念的一种认知活动。传统实验教学往往按照“理论分析—设计实验—完成实验并观察现象—得出结论”的程序进行。这种模式下，学生需要记录和分析多个实验现象，探究过程比较复杂烦琐，而且，学生对实验结果的分析带有“猜测”意味，归纳出的实验结论往往具有片面性。以探究“钠和水反应时水面上形成的白色物质”实验为例。传统实验用湿润的酚酞试纸检验钠和水反应产生的白色烟雾，实验者可以清晰地观察到试纸变红，但此操作只能证明白色烟雾是一系列碱性物质，它到底是Na2O、NaOH，还是Na2CO3，则无法准确判定。教师如果引导学生借助数字化实验展开探究，用湿度传感器和pH传感器收集实验数据，学生就可以通过生成的图像直观地看到白色烟雾的湿度先上升后下降的变化趋势（如图3），以及白色烟雾的碱性先快速变强再略有下降的变化趋势（如图4）。

根据图4第5～10秒所示图像分析，湿度上升的原因是钠和水反应放热，放出的热量导致水蒸气挥发。同时，分析图3和图4第12秒左右的图像变化可知，放出的热量使金属钠挥发，在空气中和水蒸气反应生成氢氧化钠，消耗了水蒸气而使空气中的湿度下降，并使白色烟雾中的氢氧化钠溶液的浓度变大、碱性快速变强，而在第12秒之后，随着白色烟雾散开，其湿度和碱性自然下降。由此，学生得出结论：钠和水反应生成的白色物质是由水蒸气及受热后挥发出来的钠原子和氧气反应生成的氢氧化钠构成的混合体系。

数字化实验手段使实验探究过程更简洁，实验现象有数据支持，增强了实验结论的准确性和可信度。

三、扩展研究性学习的项目内容

化学教学中，研究性学习指学生在教师的指导下，依据研究问题，分组独立完成文献查阅、方案设计、实际操作、数据处理、结论整理等实验环节，从而掌握丰富的化学知识和科学的实验研究方法、体会到小组合作重要性的学习过程。中学生可以借助数字化实验设备携带方便、操作简单、结论精准等优势，高质量地完成相关研究。

以“测定果蔬中维生素C含量”研究性学习为例。传统的碘量法实验中，随着碘单质的加入，溶液中的维生素C还原碘单质，溶液逐渐由无色变为紫色（碘单质溶于水呈现紫色），变色时即为滴定终点，找到了滴定终点，就可以进一步计算所测溶液中维生素C的含量。传统实验手段最大的阻碍在于溶液颜色的变化很难观察，这意味着滴定终点很难把握，可能导致实验数据测量不精准。教师借助数字化实验手段，结合氧化还原电位滴定法展开实验，就可以解决上述问题。

在氧化还原滴定实验中，随着氧化剂碘单质的加入，溶液中的维生素C被氧化，溶液中氧化态物质和还原态物质的浓度逐渐变化，电位也会随着变化，这样就可以精准记录电位变化的数据，从而准确判定滴定终点。教师可以引导学生用电势电位传感器记录电位的变化，用滴数传感器记录标准碘溶液的消耗体积，进而根据生成的“电势电位—体积”图像，计算所测溶液中维生素C的含量。基于以上原理，教师可以设计不同的研究问题，如比较几种常见果蔬中维生素C含量的高低、研究外界条件对橙汁中维生素C含量的影响等，引导学生结合数字化实验展开研究性学习，并将研究结果应用于膳食指导。

由此可见，数字化实验可为学生创设真实的问题情境，有助于提升学生探究的兴趣，提高学生的化学核心素养。

（作者单位：李茂炽，襄阳市教育科学研究院；但世辉，襄阳市东风中学）

［本文系湖北省教育科学规划2021年度重点课题“数字化实验在中学化学教学中的实践策略研究”（课题编号：2021JA147）和中国教育装备行业协会教育装备研究院2022年度教育装备科研课题“手持技术实验在内陆欠发达地区中学化学教学中的实施策略研究”（课题编号：CEFR22031R26）的阶段性成果］