论文部分内容阅读
传统化学实验主要以演示、验证、定性分析为主，在培养学生的观察能力、动手能力等方面发挥着不可替代的作用。而数字化实验（又称手持技术、掌上实验等）在当前各行各业的定量研究中方兴未艾，大有燎原之势。使用数字化实验仪器开展化学实验及其教学，可极大地弥补传统实验手段较难开展定量测定的缺陷。将现代数字化实验技术融入传统化学实验教学，发挥传统实验手段与现代技术各自的优势，取长补短，相得益彰，可极大地调动学生学习化学的热情与信心，提高化学课堂教学效果。
一、数字化实验简述
数字化实验系统主要有传感器（探头）、数据采集器和计算机（包括相关数据处理软件）共同构成（如图1），是一种集数据采集、数据处理和数据分析于一体的智能化实验教学平台。它使化学实验室装备获得了数字化接口，可以有力地支持信息技术与化学实验教学的全面整合。
多类型的信息传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操控平台和强大的函数图像功能是数字化实验主要的技术特征。借助这样的技术支撑，我们可以对化学变化及现象进行多角度的分析、研究。在中学化学教学中，由于其携带方便、测量精确、数据处理方便、自动生成表格和曲线、实验结果直观等优势而深受师生的喜爱，成为中学化学实验教学中备受关注的新热点。
二、传统实验教学与数字化实验技术的融合
以沪教版九年级《化学》中“化学研究些什么？”教学片断为例。
片断1： 探究蜡烛燃烧时火焰的温度。
在生活中经常会使用蜡烛，然而对于蜡烛燃烧时不同层次火焰的温度，学生一般不会很清楚，教材是这样设计实验的：
实验原理：将一根木条插入燃烧蜡烛的火焰中（如图2），1-2秒后拿出来，观察木条烧焦情况。
实验现象：观察到插入到火焰最中间部分的木条基本没有变黑，外面的部分已经烧焦（如图3）。
实验结论：焰心的温度最低，外焰温度最高。
不足之处：木条插入火焰中的部位不同或插入的时间没有控制好，容易使木条都烤焦，特别是外焰与内焰的烤焦程度很难分辨。
利用数字化实验能直接测出蜡烛燃烧时不同层次火焰的温度，实验操作简便且结论更直观、可信。
实验原理：将高温传感器与数据采集器、计算机（安装相关数据处理软件）相连接，组合成一套测量高温的数字化实验设备，测量蜡烛火焰不同部位的温度。
师生合作：教师点击软件上“开始”按钮，学生将3支高温传感器同时插入蜡烛火焰中的不同部位（如图4），观察现象。
实验现象：可观察到火焰3个部位的传感器反映出来的温度都迅速升高（如图5），等数据基本平稳后读数分别是：790℃、620℃、510℃左右。
实验结论：蜡烛燃烧时火焰分为3层，其中外焰部分温度最高，其次是内焰，而焰心部分的温度最低。
片断2： 探究蜡烛燃烧时物质的变化。
蜡烛燃烧后究竟生成了什么物质？传统实验利用二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊的原理检测是否生成二氧化碳，利用观察到水雾的产生检测是否有水生成。
实验原理：在蜡烛火焰上方罩一干燥的烧杯，观察烧杯壁上是否出现一层水雾（如图6）；然后迅速倒转烧杯，并倒入少量澄清的石灰水，振荡，观察石灰水是否变浑浊。
实验现象：蜡烛燃烧时，观察到上方罩着的烧杯壁上出现一层水雾；倒转烧杯并倒入少量澄清的石灰水，振荡，观察到澄清的石灰水变浑浊。
实验结论：上面的实验现象说明蜡烛在燃烧时生成了二氧化碳气体和水。
不足之处：瓶壁上观察到有水雾，不一定是水（常温下呈液体的物质不一定是水）；如果烧杯中没有收集到足够的二氧化碳，澄清的石灰水变浑浊的现象不明显。
数字化实验系统中有多种物质的专用传感器，如氧气传感器、二氧化碳传感器等，这些传感器不仅能较精准地测得物质，而且能以数字和曲线的形式直观呈现出来这些物質数量的变化。
实验原理：在图7所示的密闭容器（上盖上开有三个小孔，分别插入氧气、二氧化碳和相对湿度传感器进行密封）内点燃蜡烛，密闭容器内的物质（主要指氧气、二氧化碳和水）的变化可通过氧气传感器、二氧化碳传感器和湿度传感器以数字和曲线的形式显示出来。
师生合作：教师点击软件上“开始”按钮，学生点燃蜡烛，用密封罩罩住，观察蜡烛的燃烧情况，同时观察大屏幕上显示的数据及曲线变化趋势，分析容器内物质的变化情况。
实验现象：蜡烛燃烧程度越来越弱，火焰也越来越小。蜡烛在燃烧过程中，观察到氧气的含量（体积分数）在不断地减少，而二氧化碳浓度（ppm）和相对湿度（%）在不断地增加（如图8）。
实验结论：蜡烛在燃烧过程中，需要消耗氧气，同时生成二氧化碳和水。
片断3：探究空气中氧气的含量。
传统实验是通过可燃物在密封容器中燃烧时因消耗掉氧气使容器内压力减小的原理来设计实验，测定空气中氧气的体积含量。
实验原理：红磷燃烧需要消耗密闭集气瓶内空气中的氧气，且燃烧时生成的五氧化二磷是一种固体，待燃烧结束后恢复到室温，打开止水夹，由于集气瓶内压强会减小，水就会由导管吸入到集气瓶中，吸入的水的体积约为空气中氧气的体积（如图9）。
实验现象：红磷在集气瓶中燃烧，产生大量的白烟。燃烧结束后，等集气瓶冷却到室温，打开止水夹，观察到烧杯中的水被吸入到集气瓶中，且吸入的水约占集气瓶体积的1/5。
不足之处：实验中集气瓶内压力变小是通过吸水这个实验现象来体现的，这对初学化学的学生来讲，不是非常的直观。
数字化实验系统中有压强传感器，密封容器内压强的变化可以通过数字化实验系统清晰地呈现出来。
实验原理：用一集气瓶及相配套的橡皮塞（橡皮塞上开三小孔，分别插入玻璃导管、燃烧匙和压强传感器），燃烧匙中放入足量的红磷，将红磷引燃后迅速插入到集气瓶中，燃烧结束后，冷却到室温，再打开止水夹，观察右边烧杯中的水会被吸进集气瓶的体积及压强变化曲线图（如图10） 。 师生合作：教師点击软件上“开始”按钮，学生将燃烧匙中的红磷在酒精灯上引燃后，迅速插入集气瓶中，并旋紧橡皮塞。观察实验现象及大屏幕上显示的压强曲线图。等到集气瓶冷却，压强曲线也稳定，打开止水夹，观察现象。
实验现象：红磷燃烧时，产生大量的白烟，然后慢慢地熄灭，等瓶子温度冷却到常温（压强曲线稳定）后，打开止水夹，烧杯内的水被吸入集气瓶中，吸进的水约占集气瓶体积的1/5。同时还能观察到压强曲线在开始时有一短暂的上升趋势，接下来呈明显的下降趋势，直至稳定（如图11）。
实验结论：红磷开始燃烧时，放出热量，瓶内气体受热膨胀，压力反而会增大。但随着燃烧的进行，瓶内氧气消耗，且生成物为固体，等集气瓶温度恢复到室温，瓶内压力明显减小。打开止水夹，吸入集气瓶中水的体积就约为空气中氧气的体积。
三、思考与体会
将数字化实验技术应用于中学化学实验教学中，可以方便快速地为学生提供精确的实验数据和直观图像，帮助学生更好地理解实验中所包含的化学核心概念和原理，提高科学探究的水平和能力，增强科技创新意识，全面提高科学素养。
1.原理更科学。
传统化学教学主要以定性实验为主，较难与电脑、网络相对接，无法进行数据的采集和处理，极大地限制了学生自主地、定量地搜集和处理信息的能力以及进行研究型学习所需的创造力的提升。数字化实验系统通过传感器进行测量，由专门的数据分析软件进行处理，所得数据准确、清晰，体现了定量化学实验的科学性。
2.证据更精准。
数字化实验装置测得的数据与图像可以使学生获得更精确的实验信息。与传统实验相比较，可以极大地避免学生在实验操作时可能出现的失误，减少数据不真实情况的出现，避免很多不必要的误差，有利于分析数据和获得正确的结论。
3.结论更可信。
传统方法进行化学实验时，主要凭人的感官观察实验现象，在观察过程中难免会有遗漏、片面或受到其他因素的干扰等，进而会出现现象描述不准确、不全面、主次不分甚至颠倒黑白等问题。数字化实验通过传感器实时采集和记录数据，相当于用计算机代替人的眼、手以及纸和笔进行观察和记录，实现了数据记录的连续性与准确性，获得的结论更可信。
实验教学是教学过程的有机组成部分，数字化实验也仅是实验教学的一部分，是传统化学实验的有力补充。虽然使用数字化实验进行化学教学有很多的优点，但也有其局限性（如费钱、费时等）。因此，数字化实验技术的应用应恰到好处，教师要为解决教学过程中的难点和障碍而使用，要在深入理解和领会教学要求及学生认知规律的基础上使用数字化技术。
（作者为江苏省苏州市吴江区笠泽实验初级中学党支部书记，江苏省中学化学特级教师）
一、数字化实验简述
数字化实验系统主要有传感器（探头）、数据采集器和计算机（包括相关数据处理软件）共同构成（如图1），是一种集数据采集、数据处理和数据分析于一体的智能化实验教学平台。它使化学实验室装备获得了数字化接口，可以有力地支持信息技术与化学实验教学的全面整合。
多类型的信息传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操控平台和强大的函数图像功能是数字化实验主要的技术特征。借助这样的技术支撑，我们可以对化学变化及现象进行多角度的分析、研究。在中学化学教学中，由于其携带方便、测量精确、数据处理方便、自动生成表格和曲线、实验结果直观等优势而深受师生的喜爱，成为中学化学实验教学中备受关注的新热点。
二、传统实验教学与数字化实验技术的融合
以沪教版九年级《化学》中“化学研究些什么？”教学片断为例。
片断1： 探究蜡烛燃烧时火焰的温度。
在生活中经常会使用蜡烛，然而对于蜡烛燃烧时不同层次火焰的温度，学生一般不会很清楚，教材是这样设计实验的：
实验原理：将一根木条插入燃烧蜡烛的火焰中（如图2），1-2秒后拿出来，观察木条烧焦情况。
实验现象：观察到插入到火焰最中间部分的木条基本没有变黑，外面的部分已经烧焦（如图3）。
实验结论：焰心的温度最低，外焰温度最高。
不足之处：木条插入火焰中的部位不同或插入的时间没有控制好，容易使木条都烤焦，特别是外焰与内焰的烤焦程度很难分辨。
利用数字化实验能直接测出蜡烛燃烧时不同层次火焰的温度，实验操作简便且结论更直观、可信。
实验原理：将高温传感器与数据采集器、计算机（安装相关数据处理软件）相连接，组合成一套测量高温的数字化实验设备，测量蜡烛火焰不同部位的温度。
师生合作：教师点击软件上“开始”按钮，学生将3支高温传感器同时插入蜡烛火焰中的不同部位（如图4），观察现象。
实验现象：可观察到火焰3个部位的传感器反映出来的温度都迅速升高（如图5），等数据基本平稳后读数分别是：790℃、620℃、510℃左右。
实验结论：蜡烛燃烧时火焰分为3层，其中外焰部分温度最高，其次是内焰，而焰心部分的温度最低。
片断2： 探究蜡烛燃烧时物质的变化。
蜡烛燃烧后究竟生成了什么物质？传统实验利用二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊的原理检测是否生成二氧化碳，利用观察到水雾的产生检测是否有水生成。
实验原理：在蜡烛火焰上方罩一干燥的烧杯，观察烧杯壁上是否出现一层水雾（如图6）；然后迅速倒转烧杯，并倒入少量澄清的石灰水，振荡，观察石灰水是否变浑浊。
实验现象：蜡烛燃烧时，观察到上方罩着的烧杯壁上出现一层水雾；倒转烧杯并倒入少量澄清的石灰水，振荡，观察到澄清的石灰水变浑浊。
实验结论：上面的实验现象说明蜡烛在燃烧时生成了二氧化碳气体和水。
不足之处：瓶壁上观察到有水雾，不一定是水（常温下呈液体的物质不一定是水）；如果烧杯中没有收集到足够的二氧化碳，澄清的石灰水变浑浊的现象不明显。
数字化实验系统中有多种物质的专用传感器，如氧气传感器、二氧化碳传感器等，这些传感器不仅能较精准地测得物质，而且能以数字和曲线的形式直观呈现出来这些物質数量的变化。
实验原理：在图7所示的密闭容器（上盖上开有三个小孔，分别插入氧气、二氧化碳和相对湿度传感器进行密封）内点燃蜡烛，密闭容器内的物质（主要指氧气、二氧化碳和水）的变化可通过氧气传感器、二氧化碳传感器和湿度传感器以数字和曲线的形式显示出来。
师生合作：教师点击软件上“开始”按钮，学生点燃蜡烛，用密封罩罩住，观察蜡烛的燃烧情况，同时观察大屏幕上显示的数据及曲线变化趋势，分析容器内物质的变化情况。
实验现象：蜡烛燃烧程度越来越弱，火焰也越来越小。蜡烛在燃烧过程中，观察到氧气的含量（体积分数）在不断地减少，而二氧化碳浓度（ppm）和相对湿度（%）在不断地增加（如图8）。
实验结论：蜡烛在燃烧过程中，需要消耗氧气，同时生成二氧化碳和水。
片断3：探究空气中氧气的含量。
传统实验是通过可燃物在密封容器中燃烧时因消耗掉氧气使容器内压力减小的原理来设计实验，测定空气中氧气的体积含量。
实验原理：红磷燃烧需要消耗密闭集气瓶内空气中的氧气，且燃烧时生成的五氧化二磷是一种固体，待燃烧结束后恢复到室温，打开止水夹，由于集气瓶内压强会减小，水就会由导管吸入到集气瓶中，吸入的水的体积约为空气中氧气的体积（如图9）。
实验现象：红磷在集气瓶中燃烧，产生大量的白烟。燃烧结束后，等集气瓶冷却到室温，打开止水夹，观察到烧杯中的水被吸入到集气瓶中，且吸入的水约占集气瓶体积的1/5。
不足之处：实验中集气瓶内压力变小是通过吸水这个实验现象来体现的，这对初学化学的学生来讲，不是非常的直观。
数字化实验系统中有压强传感器，密封容器内压强的变化可以通过数字化实验系统清晰地呈现出来。
实验原理：用一集气瓶及相配套的橡皮塞（橡皮塞上开三小孔，分别插入玻璃导管、燃烧匙和压强传感器），燃烧匙中放入足量的红磷，将红磷引燃后迅速插入到集气瓶中，燃烧结束后，冷却到室温，再打开止水夹，观察右边烧杯中的水会被吸进集气瓶的体积及压强变化曲线图（如图10） 。 师生合作：教師点击软件上“开始”按钮，学生将燃烧匙中的红磷在酒精灯上引燃后，迅速插入集气瓶中，并旋紧橡皮塞。观察实验现象及大屏幕上显示的压强曲线图。等到集气瓶冷却，压强曲线也稳定，打开止水夹，观察现象。
实验现象：红磷燃烧时，产生大量的白烟，然后慢慢地熄灭，等瓶子温度冷却到常温（压强曲线稳定）后，打开止水夹，烧杯内的水被吸入集气瓶中，吸进的水约占集气瓶体积的1/5。同时还能观察到压强曲线在开始时有一短暂的上升趋势，接下来呈明显的下降趋势，直至稳定（如图11）。
实验结论：红磷开始燃烧时，放出热量，瓶内气体受热膨胀，压力反而会增大。但随着燃烧的进行，瓶内氧气消耗，且生成物为固体，等集气瓶温度恢复到室温，瓶内压力明显减小。打开止水夹，吸入集气瓶中水的体积就约为空气中氧气的体积。
三、思考与体会
将数字化实验技术应用于中学化学实验教学中，可以方便快速地为学生提供精确的实验数据和直观图像，帮助学生更好地理解实验中所包含的化学核心概念和原理，提高科学探究的水平和能力，增强科技创新意识，全面提高科学素养。
1.原理更科学。
传统化学教学主要以定性实验为主，较难与电脑、网络相对接，无法进行数据的采集和处理，极大地限制了学生自主地、定量地搜集和处理信息的能力以及进行研究型学习所需的创造力的提升。数字化实验系统通过传感器进行测量，由专门的数据分析软件进行处理，所得数据准确、清晰，体现了定量化学实验的科学性。
2.证据更精准。
数字化实验装置测得的数据与图像可以使学生获得更精确的实验信息。与传统实验相比较，可以极大地避免学生在实验操作时可能出现的失误，减少数据不真实情况的出现，避免很多不必要的误差，有利于分析数据和获得正确的结论。
3.结论更可信。
传统方法进行化学实验时，主要凭人的感官观察实验现象，在观察过程中难免会有遗漏、片面或受到其他因素的干扰等，进而会出现现象描述不准确、不全面、主次不分甚至颠倒黑白等问题。数字化实验通过传感器实时采集和记录数据，相当于用计算机代替人的眼、手以及纸和笔进行观察和记录，实现了数据记录的连续性与准确性，获得的结论更可信。
实验教学是教学过程的有机组成部分，数字化实验也仅是实验教学的一部分，是传统化学实验的有力补充。虽然使用数字化实验进行化学教学有很多的优点，但也有其局限性（如费钱、费时等）。因此，数字化实验技术的应用应恰到好处，教师要为解决教学过程中的难点和障碍而使用，要在深入理解和领会教学要求及学生认知规律的基础上使用数字化技术。
（作者为江苏省苏州市吴江区笠泽实验初级中学党支部书记，江苏省中学化学特级教师）