初中化学课堂数字化手持技术的应用——以“酸碱中和反应”为例

哈尔滨市第三十六中学 邹丽丹

化学实验中原有的定性实验，不再能满足学生的探知需求，为了增质提效，数字化实验应运而生。数字化实验是探究物质及物质间反应情况或程度的一种工具，将反应过程中的抽象或微观的现象以直观的数据或曲线等形式呈现，作为化学实验教学的工具，可以创造出高效的学习环境，便于学生第一时间理解和分析实验现象，掌握实验过程和实验原理， 这对于化学实验教学有着至关重要的作用。

一、数字化手持技术的应用背景

如今，科学技术飞速发展，科技能力不断加强，我们的教学工作面临着新的挑战，尤其是在每章节的重难点突破方式上，需要满足更高的学业质量要求。 化学学科的特点是以实验为基础，通过对实验现象的观察、实验结论的分析，学生可以走进物质世界、揭示物质奥秘。但不是所有的实验都有明显的现象，也不是所有的实验都能通过物理性观察得出结论。 为了避免出现学生机械性记忆的情况，让学生明白实验原理，真正学习到实验基本技能，化学实验教学必须开发新思路， 利用技术手段将化学实验由繁入简、由隐入显，肩负起提升学生科学素养的使命。

“手持技术”也被称为掌上实验室，是由微电子技术和电脑两者结合的数字化实验技术， 手持技术仪器一般包括：电脑、传感器、数据采集器还有相应的软件。手持技术能一同完成数据的采集和分析，以曲线的形式呈现在电脑上，具有直观性、实时性、定量性等特点。 将手持技术应用到初中的化学实验教学和探究性学习中，能有效地转变学生已往的抽象实验、预设性实验的学习方式，能简化实验的分析过程，利用直观且客观的数据及曲线等信息，更便于得到实验结果。 在培养学生的科学探究能力，形成化学观念，有针对性地解决实际问题上， 数字化手持技术的实验探究，体现出了当下基础教育改革的理念和思想。

二、数字化手持技术的应用策略

以统编版化学教材（五四制）九年级第三单元课题2“酸与碱的中和反应”的教学过程为例，在盛装5 mLNaOH 溶液的小烧杯中滴入无色酚酞溶液，烧杯中的溶液由无色变为红色，说明溶液是碱性的，再向此红色溶液中逐滴加入稀盐酸，边加边搅拌，至溶液由红色变为无色为止，说明溶液此时已不显碱性。 学生通过观察到溶液颜色的改变，推理判断溶液中的NaOH 已经被消耗，从而证明NaOH 与稀盐酸发生了化学反应。 通过反应物被耗尽，得到两种物质间反应的发生， 学生通过定性和推理的方式得出结论，并没有直观获取物质减少的过程和被消耗的相关数据。此实验的弊端是在NaOH 被部分消耗的时候，无法证明反应物在减少，即教材上的实验只能定性得到结果，实现不了一部分反应物参加反应的定量情况。

但如果利用数字化手持技术辅助教材实验， 由原始的定性变成定性和定量相结合， 由原始的宏观现象变成通过微观反应来解释宏观现象， 由抽象的实验变成直观的数据呈现，采用宏微结合的思想，让学生对实验过程的理解更加充分。本实验可以采用数字化手持技术，从体验pH 变化、 温度变化和电导率变化的过程， 多角度呈现NaOH 与稀盐酸发生中和反应的现象。通过数字化手持技术获得的实验证据，有助于分析酸碱中和反应的实质，进而形成认识复分解反应的微观视角。 中和反应中pH、温度、电导率等变化的数值曲线实证，体现出化学实验数据处理和分析的一般过程， 初步形成研究无明显现象反应的思维模型。

（一）利用pH 传感器完成NaOH 溶液与稀盐酸的实验探究（见表1）

表1 pH 变化分析表

此实验中pH 的变化特别明显（见图1），曲线变化较大，能够直接看到pH 由大于7 到接近7，在持续加入盐酸的过程中，pH 最终小于7，能观察到OH-逐渐减少至消失的过程。

图1 pH 变化曲线图

（二）利用温度传感器完成NaOH 溶液与稀盐酸的实验探究（见表2）

表2 温度变化分析

由于温度传感器灵敏度高， 因此得出的曲线为锯齿状（见图2），在这里引导学生对该数据进行分析，用曲线来大致描绘温度的变化趋势，即可得到清晰的曲线图。 引导学生分析图中的相关信息，总结得出中和反应为放热反应的特点。

图2 温度变化曲线图

但问题出现了，热量来源于哪些微粒的结合？

通过完成该化学反应的方程式，可以发现，热量要么来源于氢离子和氢氧根离子结合，要么来源于氯离子和钠离子结合。 这样一来教师可以设计补充实验的方案（硝酸钠和氯化钾的混合），同时也体现出控制变量的思想，混合过程中温度无明显变化， 通过两组温度变化图进行对比，可以看出中和反应放出的热量来源于H+和OH-离子的结合，进而也证明了NaOH 与盐酸发生了反应。

（三）利用电导率传感器完成NaOH 溶液与稀盐酸的实验探究（见表3）

可以看出，在常温、常压下，溶液中涉及到的离子只有Na+、Cl-、H+或OH-，与温度测量一样，体现控制变量的思想，设计实验的过程中，同样增加对比实验，测定盐酸加氯化钠、盐酸加氢氧化钠的电导率图进行对比，可以很明显的发现两幅图的区别在于中和反应的电导率是有回升（见图3），能得到中和反应的实质，进而证明了NaOH 与盐酸发生了反应。

图3 电导率变化曲线图

表3 电导率变化分析表

实验实验现象分 析实验结论电导率传感器电导率曲线先逐渐下降，再逐渐上升。未滴入盐酸时，NaOH溶液中大量存在Na+和OH-， 溶液导电性较强， 随着盐酸与NaOH 发生反应，溶液中H+与OH- 反应生成导电性弱的水，溶液导电性减弱，当减弱到最低点时，说明两者恰好完全反应，曲线接着升高， 说明盐酸过量，大量存在H+ 和Cl-，溶液导电性增强。NaOH 溶液与盐酸发生了化学反应

结合三个实验，从不同的角度和量的变化，展示给学生最直观的数据现象， 得出酸碱中和反应的实质是H+和OH-结合生成水分子，进而引导学生总结出研究无明显现象反应的一般方法：反应物被消耗或耗尽。 应用了数字化手持技术的化学实验，把不同的物理量以变化曲线的形式展示出来，让学生从多角度看到了NaOH 与盐酸反应的现象， 学生更直观地看到反应中物质相关数据的变化过程，从而更深刻地理解了中和反应[2]。在定性的基础上，在结合定量的分析得出反应能够发生的结论。

三、结论与反思

《义务教育化学课程标准（2022 年版）》中明确提出，辅助学生能用严谨性强、科学性强的语言和必要有效的信息技术手段合理描述并整理出探究的过程和结果，并能从多视角对常见的化学实验进行全面地探讨和分析。 可见，数字化的手持技术作为提升课堂教学质量的有力手段，可以为化学实验的教学提质增效。

用数字化手持技术实验来理解物质间的变化，能够帮助学生建立研究无明显现象反应的思维模型，将复杂实验设计简单化，让学生基于数据曲线进行证据推理、实验结论处理和分析。 可以说，数字化手持技术在化学实验教学课堂中发挥的作用就是赋予了学生一双可以透视物质间反应的“眼睛”，让化学实验课堂变得简单而有效[3]。