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数字化化学实验的应用探究

发表时间：2020/12/3 来源：《教学与研究》2020年11月上作者：吴琳洁

[导读] 数字化实验室由数据采集器、系列传感器和软件构成。

陕西省西安市经开第一中学吴琳洁

数字化实验室由数据采集器、系列传感器和软件构成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定规律变换成为其他形式输出给数字采集器和电脑程序处理，形成具体的数据，便于我们来观察和分析。配备的传感器可以检测温度、压强、电流、电压、pH、电导率等物理量，支持对相关化学反应的监测。

        一．主题背景
        传统的化学实验主要是通过教师演示教学或者多媒体播放相关的实验视频，学生缺乏相关的实验操作技能，动手能力差，仅仅通过实验现象并不能确切的分析该反应的原理。同时，实验本身所消耗的时间过长，影响正常的教学进度。
        中学数字化实验系统可以将化学反应和现象转化为可监测的信号，帮助我们更深入地研究化学变化。数字化实验系统可以优化部分常规实验，降低教学难度；可以帮助解决一些常规实验手段不能解决的问题，为中学化学引入一批定量实验，是对常规实验手段的重要补充，是对化学教学与现代教育技术整合的有益探索。
        二．探究意义
        在传统化学实验操作过程中，虽能观察到实验过程出现的现象，但很难进行定量化处理。使用数字化传感技术，通过数据的分析，从而可以得出更加准确、科学的结论。
使用中学化学数字化仪器，可以培养学生分析数据的能力。中学化学数字化实验，有信息工具仪器，如传感器和数据采集器和计算机。可以测量和储存随时间变化的物理量以及随其它方面变化的数据，同时实现可视化。适当组合地使用传感器和数据收集器来实时呈现数据图像，有利于培养学生获取数据的能力，提高学生的思考能力。
        三．探究目标
        （1）?突破传统实验。在高中化学的学习中，有很多抽象、难懂的概念和原理，学生学习时容易产生认知障碍，感到困难，以致影响后续学习。还有一些的实验现象，用传统实验仪器难以揭示，利用数字化实验，可以还原科学实验的本来面目，加深学生对化学现象和原理本质的理解。这种数字化实验不可替代的作用对学生学习化学起到了积极的促进作用,让学生感受科技对化学学习和学科发展的作用和意义，提高学习化学的兴趣。
        （2）创新教学模式。新课程标准提倡学生主动参与、乐于探索、勤于动手,致力于培养学生分析和处理各种问题的能力及交流合作能力。利用数字化实验有利于改变传统的以讲授为主的教学模式，突出自主、合作、探究型学习，让学生成为课堂的主体。
        四．课例实践-----离子反应
        【教师解读传统实验】
        离子反应是高中化学的一个重要内容，并且在必修的开始就提出，传统的教学方法只能从理论上分析，实验也是定性的验证性实验,传感技术的使用使得教师可以通过实验定量描述离子反应与变化，使学生从感性上认识到离子反应是向着离子浓度减少的方向进行，对典型离子反应有着本质的理解，同时也可在中和反应中采用此方法进行电导滴定，使学生学会确定等当点，扩充学生的实验视野。
        【实验目的】
        1.通过组合传感器、数据采集器、计算机，熟悉使用传感技术仪器
        2.通过实验能够知道离子反应是向着离子浓度减少方向进行的反应
        3.掌握离子反应的本质
        【实验原理】
        典型离子反应如氢氧化钡和稀硫酸反应因为生成沉淀和水，离子浓度会逐渐减小，当降低到最低点时，再逐渐增大，学生从电导率的变化可以得出离子反应的本质。
        【实验药品及装置】
        Edison系统、数据采集器、电导率传感器、酸式滴定管、0.1mol/L氢氧化钡溶液、0.1mol/L硫酸溶液
        【实验步骤】
        1.用移液管准确量取20.00mL未知氢氧化钡溶液放入洗净的100mL烧杯中，将装好标准硫酸溶液的酸式滴定管固定好待用。
        2．打开电脑中Edis系统，选择新建一个空白实验，用鼠标选择“实验配置”中“自动识别传感器”。将数据采集器与电脑连接，将电导率传感器与数据采集器连接，将其探头伸入烧杯
        3．点击工具栏上“开始”按钮进行采集。打开电磁搅拌器开关，逐滴滴入硫酸溶液，观察软件界面中的数字显示。
        4.待反应结束后停止采集。

【实验结果与分析】

        反应的电导率变化图：先下降，再上升
        【问题与讨论】
        图形呈现V字形，分析每一段图形变化趋势的原因，说明了什么？此时生成了什么物质？
        五．实践反思
        对于刚进入高一的学生来说，才真正开启化学的学习，学生在初中阶段所积累的基础实验操作技能并不多，通过数字化探究实验，可以训练学生基本实验操作技能，提高动手能力,培养学生合作与创新的能力，学生的实验素养不断的提高。
        利用数字化探究实验，可以巩固基础知识，加深对实验本质和现象的理解，比如在进行离子反应提升教学过程中，先让学生提出对理解离子反应还存在的问题,然后进行小组交流和讨论,接着设计一些数字化探究实验让学生深刻理解离子反应的本质以及离子反应发生前后离子浓度等变化情况，加深了学生对离子反应的理解。
        由于此研修初期是在选修课中进行，结合教学过程中的实际情况，课题组成员均认为将数字化实验应用于常态课教学中，可以达到优化课堂，提高课堂教学效率,加深学生对于实验的理解。从长远来看，可以培养学生的化学核心素养，拓宽学生对于化学学科的认识视野。另外不同于其他学科的是，化学是以实验为基础的学科，实验的准备繁琐，但又极度精细，对于授课教师的要求也更高：课前的充分准备，及多次试验，从而保证试验数据的准确、可靠性，所以这也是对于老师的一项考验。