朱步淵

（甘肅省平?jīng)鲆恢校?/p>

基于數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）的化學(xué)定量實驗是一種新型的實驗方法，主要是利用傳感器對一些微小的和連續(xù)變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行測定，從而使得高中的一些定量化學(xué)實驗更加清晰明了，用數(shù)據(jù)說話，用證據(jù)說話，讓學(xué)生對一些高中定量實驗有了更加深刻的理解。

一、中和熱的測定

中和熱的測定是高中階段一個非常重要的定量實驗，人教版教材《化學(xué)反應(yīng)原理》第一章第一節(jié)“化學(xué)反應(yīng)與能量變化”中就有“中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測定”這一定量實驗。教材中主要是利用溫度計的量中和反應(yīng)過程中的溫度變化，進(jìn)而測量計算反應(yīng)熱，可以說，這個實驗設(shè)計的是比較合理的，但是，在實際的教學(xué)過程中我們發(fā)現(xiàn)，存在以下幾個問題，首先，普通溫度計的誤差比較大，而中和熱的溫度變化比較小，容易造成誤差；其次，讀數(shù)誤差有時也會造成問題；第三，如果老師在課堂上進(jìn)行演示實驗，后面的學(xué)生看不清楚溫度的變化情況。但是，如果使用傳感器進(jìn)行實驗，以上幾個問題就可以迎刃而解了。

1.實驗設(shè)計思路

酸堿中和反應(yīng)是瞬間進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過程中會放出熱量，每生成1 mol所釋放出的熱量稱為中和熱。實驗設(shè)計中以硫酸和氫氧化鈉稀溶液進(jìn)行反應(yīng)，測定放出的熱量。

2.實驗儀器及試劑

儀器：數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器、pH傳感器磁、力攪拌器，50 mL燒杯、20 mL量筒等。

試劑：2 mol/LNaOH溶液、2 mol/LHCl溶液。

3.實驗方法與結(jié)果分析

（1）實驗方法

首先，將計算機(jī)、采集器、溫度傳感器、pH傳感器連接并且接通電源，打開SWR數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室軟件。然后，將溫度傳感器放入20 mL 2 mol/L 的鹽酸的燒杯中，用磁力攪拌器開始攪拌，1分鐘后，用量筒量取20 mL 2 mol/LNaOH溶液，緩緩傾入燒杯中。立刻點擊軟件界面上的開始按鈕開始測量溫度。軟件的分析界面就會記錄實時的溫度變化情況。待傾倒完畢后，點擊軟件操作界面上的結(jié)束按鈕，就可以得到中和過程中的以及溫度時間變化曲線以及實驗數(shù)據(jù)。最后保存數(shù)據(jù)和曲線圖像以供分析。

（2）結(jié)果分析

反應(yīng)過程中pH以及溫度變化曲線（上面的線為溫度、下面的線為pH）如圖所示。

由圖中可以明顯地看出溫度的變化以及pH的變化情況，通過溫度的變化，可以很清晰地看清楚酸堿中和反應(yīng)過程中的放熱情況，代入公式就可以進(jìn)行計算了。

（3）實驗拓展

上述實驗是課本上的經(jīng)典實驗，其實，利用數(shù)字化傳感器，用類似的方法，還可以讓學(xué)生探究測定不同濃度的酸堿中和反應(yīng)放出的熱量是否相同；中和熱的數(shù)值與酸堿的強(qiáng)弱是否有關(guān)等問題。

二、溶液導(dǎo)電性

1.實驗設(shè)計思路

“電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力強(qiáng)弱的比較”是高中化學(xué)中非常重要的實驗，對學(xué)生強(qiáng)化強(qiáng)、弱電解質(zhì)的認(rèn)識具有非常重要的意義，舊人教版教材中對這一部分知識主要是通過比較同濃度的不同電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力強(qiáng)弱，利用燈泡的亮度來比較導(dǎo)電性強(qiáng)弱，讓學(xué)生感性地認(rèn)識電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性，能達(dá)到一定的目的，但是很明顯存在理論缺陷。而新人教版教材對于強(qiáng)弱電解質(zhì)的講解只是進(jìn)行了定性分析，沒有任何定量分析，讓學(xué)生對強(qiáng)弱電解質(zhì)的認(rèn)識只是存在于自己的思維想象中，對影響電解質(zhì)溶液導(dǎo)電性的因素沒有切實的感受。

本實驗是一個課外探究實驗，目的是讓學(xué)生更加直觀地認(rèn)識影響電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力強(qiáng)弱的因素。利用電導(dǎo)率傳感器測量不同溫度、濃度下溶液的電導(dǎo)率變化情況，用數(shù)據(jù)采集器收集數(shù)據(jù)。并且用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，直觀地看出影響電解質(zhì)溶液導(dǎo)電性的因素。

2.實驗儀器及試劑

儀器：計算機(jī)，數(shù)據(jù)采集器，溫度傳感器，電導(dǎo)率傳感器，50mL量筒，50 mL燒杯（3個），50 mL容量瓶（3個），膠頭滴管，磁力攪拌器，電子天平，鐵架臺，洗瓶，鑰匙、濾紙。

試劑：NaCl（s），NaOH（s），Cu（OH）2（s），Ca（OH）2（s），AlCl3（s），無水乙醇。

3.實驗方法與結(jié)果分析

實驗一：電解質(zhì)溶液導(dǎo)電性與電解質(zhì)強(qiáng)弱的關(guān)系

①配置0.1 mol/L的NaOH溶液、Cu（OH）2溶液和無水乙醇溶液；

②分別將三種溶液放在磁力攪拌器上，啟動并調(diào)節(jié)磁力攪拌器的攪拌速度，利用電導(dǎo)率傳感器測定三種溶液的電導(dǎo)率。

③啟動“SWR”程序采集數(shù)據(jù)并保存數(shù)據(jù)和結(jié)果。

實驗二：電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性與溫度的關(guān)系

①配置0.1 mol/L的Ca（OH）2、NaCl、AlCl3溶液。

②將三種溶液分別置于磁力攪拌器上，固定電導(dǎo)率傳感器的位置，啟動攪拌器，調(diào)節(jié)攪拌速率并加熱。

③啟動“SWR”程序采集數(shù)據(jù)并保存數(shù)據(jù)和結(jié)果。

由實驗圖像數(shù)據(jù)可以看出來，電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性隨溫度上升會逐漸增強(qiáng)。

三、在高中化學(xué)實驗教學(xué)中開展基于數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）定量實驗的意義

1.揭示化學(xué)反應(yīng)原理更加直觀

化學(xué)原理的教學(xué)比較抽象，學(xué)生理解起來比較困難，借助于數(shù)字化信息系統(tǒng)的定量實驗，能讓學(xué)生從多個角度測量各物理量的變化，能將一些抽象的變化更加直觀地展示在學(xué)生面前，使學(xué)生對知識的理解更加透徹明晰。

2.對于定量化學(xué)實驗數(shù)據(jù)的處理更加準(zhǔn)確

比如，我們進(jìn)行的中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測定實驗，如果用傳統(tǒng)的方法來做，要求學(xué)生在攪拌的同時讀出溫度計的最高溫度，手忙腳亂，很容易錯失最高溫度的讀取。但是引入了溫度傳感器和磁力攪拌器，進(jìn)行數(shù)字化實驗，就不存在這個問題了，更重要的是，在電腦軟件上，可以清晰地看出各個時間段的溫度變化，使得讀數(shù)更加準(zhǔn)確，對于數(shù)據(jù)處理就有很大的幫助。

3.有利于教學(xué)難點的突破

高中化學(xué)中通過傳統(tǒng)實驗不足以讓學(xué)生理解一些概念和原理，借助數(shù)字化信息系統(tǒng)中傳感器的分析，將變得很容易，可以較快地突破教學(xué)難點。中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實驗將實驗中最本質(zhì)的東西通過實驗處理成數(shù)并且用圖像輸出，圖文并茂，從而讓學(xué)生形成鮮明的感性認(rèn)識，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，為感性認(rèn)知上升為理性認(rèn)識奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]任立新.數(shù)字化實驗在新課程化學(xué)教學(xué)應(yīng)用中的探索與實踐[J].學(xué)周刊，2011（3）：173.

[2]魏銳，王磊.含鐵物質(zhì)中鐵元素含量的測定[J].化學(xué)教育，2006（7）：50-51.

注：本文系甘肅省“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃課題《基于數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）的高中化學(xué)實驗教學(xué)研究》（課題編號GS[2016]GHB0665）研究成果之一。

編輯 溫雪蓮