陳曉曄

摘要：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有明顯的優(yōu)點(diǎn)，分辨率、精確度高，快速、連續(xù)地采集和處理數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加形象、具體。本文通過(guò)對(duì)“中和熱的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，運(yùn)用溫度傳感器測(cè)量溫度變化，利用計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)，繪制溫度變化曲線，直觀呈現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并在教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用與思考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn) 化學(xué)實(shí)驗(yàn) 中和熱的測(cè)定

【分類號(hào)】G633.8

隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的新技術(shù)走進(jìn)我們的視野、我們的校園。我們教師的授課和學(xué)生的學(xué)習(xí)并不是一成不變的，而是需要適應(yīng)周圍環(huán)境的改變隨時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整，這就需要我們教師不斷吸收新事物，并且將其帶進(jìn)課堂?；瘜W(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，傳統(tǒng)的瓶瓶罐罐的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不能滿足中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求，新型的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)已深入社會(huì)生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)我們化學(xué)課堂也產(chǎn)生了巨大的沖擊。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)一方面彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)工具的缺陷，革新了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的儀器，拓展了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容；另一方面，使實(shí)驗(yàn)的方法更加先進(jìn)，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)的步驟更加清晰。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)我們的教學(xué)提出更高的要求，是教學(xué)改革的前沿課題。

一、 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的儀器

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要是由傳感器、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器以及通用軟件等構(gòu)成，把各種信號(hào)轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)，然后傳入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，通過(guò)通用軟件的分析和處理，把相關(guān)的信息以圖表等形式呈現(xiàn)出來(lái)。在教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)鹘y(tǒng)模式下的實(shí)驗(yàn)不足加以彌補(bǔ)，能夠?qū)⒒瘜W(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象及本質(zhì)逐步地轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)的信號(hào)，這樣也有利于學(xué)生深入研究化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)規(guī)律，并且數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具備了直觀、先進(jìn)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)等諸多方面的特點(diǎn)，能夠提高教學(xué)效率。通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用，能夠使化學(xué)課堂教學(xué)更加優(yōu)化，在降低課堂教學(xué)內(nèi)容難度的同時(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

1. 傳感器：由各種感應(yīng)元件組成，它們?cè)诓煌沫h(huán)境下改變自身特征，如熱敏電阻、壓敏電阻、光敏電阻等，它是實(shí)驗(yàn)測(cè)量的核心部件。通過(guò)“感”和“傳”兩個(gè)動(dòng)作來(lái)反饋事物的變化過(guò)程，其中“感”將物理量的變化轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)的變化；“傳”將變化的電流信號(hào)傳遞到數(shù)據(jù)采集器裝置，再把處理好的數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)平臺(tái)。在化學(xué)教學(xué)中常用的傳感器包括溫度傳感器、pH值傳感器、電導(dǎo)率傳感器、色度傳感器、氣體傳感器、濁度傳感器、氧化還原傳感器等等。

2. 數(shù)據(jù)采集器：采集傳感器感知的數(shù)據(jù)，并傳給計(jì)算機(jī)及內(nèi)部處理軟件進(jìn)一步放大。

3. 計(jì)算機(jī)及通用軟件處理：負(fù)責(zé)處理由采集器傳遞的信息，通過(guò)圖表等的形式來(lái)展示實(shí)驗(yàn)變化的規(guī)律。

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的具體應(yīng)用——以“中和熱的測(cè)定”為例

針對(duì)高中化學(xué)課本上的傳統(tǒng)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)“中和熱的測(cè)定”，我將傳統(tǒng)的溫度計(jì)改變?yōu)閿?shù)字傳感器（連接數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)）記錄實(shí)驗(yàn)中溫度的變化，使得這個(gè)實(shí)驗(yàn)更加簡(jiǎn)單，精確。

1. 實(shí)驗(yàn)原理

50mL0.50mol/L鹽酸與50mL0.55mol/L NaOH溶液發(fā)生中和反應(yīng)時(shí)放出的熱量為：（m1+m2）·c·（t2-t1）= 0.1×4.18×（t2-t1） kJ。

該反應(yīng)生成的H2O為0.025 mol，生成1molH2O時(shí)放出的熱量即為中和熱

中和熱實(shí)驗(yàn)測(cè)定裝置利用溫度計(jì)來(lái)測(cè)量反應(yīng)前后的溫度，運(yùn)用公式計(jì)算反應(yīng)放出的熱量。因此，在實(shí)驗(yàn)的每一階段溶液的溫度一定要測(cè)量準(zhǔn)確，及時(shí)記錄。

2. 實(shí)驗(yàn)儀器、藥品

大燒杯（500mL）、小燒杯（100mL）、量筒（50mL）兩個(gè)、泡沫塑料、泡沫塑料板 （中心有兩個(gè)小孔）、環(huán)形玻璃攪拌棒。0.50mol/L鹽酸、0.55mol/L NaOH溶液、蒸餾水、吸水紙。溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)。

實(shí)驗(yàn)整套裝置。將小燒杯放在大燒杯里，燒杯口平齊，中間用泡沫塑料填滿。在泡沫塑料板上打兩個(gè)孔，把溫度傳感器和環(huán)形玻璃棒分別從孔中插入，蓋在兩個(gè)燒杯上，就是一個(gè)簡(jiǎn)易的量熱器。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

①組裝儀器：連接計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器及溫度傳感器。點(diǎn)擊進(jìn)入桌面程序，打開(kāi)普通模式，設(shè)置記錄頻率每秒2次，采集時(shí)間為連續(xù)。

組裝中和熱實(shí)驗(yàn)裝置，將傳統(tǒng)溫度計(jì)改為溫度傳感器。

②藥品取用：用量筒量取50mLNaOH溶液，將溫度傳感器的探針置于溶液中，點(diǎn)擊“開(kāi)始”，記錄NaOH溶液的溫度，待傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后，點(diǎn)擊“停止”，保存數(shù)據(jù)為TOH。將溫度傳感器從NaOH溶液中取出，然后用蒸餾水清洗干凈，用吸水紙擦干。

用另一個(gè)量筒量取50mLHCl溶液并加入到小燒杯中，把套有蓋板的溫度傳感器和環(huán)形玻璃攪拌棒放入HCl溶液中，點(diǎn)擊“開(kāi)始”，記錄HCl溶液的溫度。待傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后，停止采集，保存數(shù)據(jù)為TH。計(jì)算兩種溶液的平均溫度記為T1。

③酸堿混合：先點(diǎn)擊“開(kāi)始”，記錄溶液的溫度變化，然后將量筒中的NaOH溶液迅速加入小燒杯中，蓋好蓋板，用環(huán)形玻璃攪拌棒上下來(lái)回移動(dòng)，使溶液均勻反應(yīng)，同時(shí)觀察數(shù)據(jù)采集器上的數(shù)據(jù)及曲線的變化趨勢(shì)。待溫度讀數(shù)穩(wěn)定不再升高時(shí)，點(diǎn)擊“停止”，記錄并保存數(shù)據(jù)為T2。

中和反應(yīng)前反應(yīng)器中HCl溶液的溫度穩(wěn)定，加人NaOH溶液后溫度迅速升高，約20s的時(shí)間后溫度基本不再升高，曲線出現(xiàn)平臺(tái)，溫度再次達(dá)到穩(wěn)定。

⑤按照上述步驟重復(fù)進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)。

⑥數(shù)據(jù)處理：輸入公式：Q=C*m*T3/n

“T3變化=T2-T1=24.5-21.1=3.4”（我的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)），代入公式，計(jì)算結(jié)果，得“Q=56.8KJ/mol”。

通過(guò)三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)計(jì)算公式可以求出此反應(yīng)的中和熱。教師參考書中給出稀HCl與稀NaOH溶液反應(yīng)，中和熱的理論值為（57. 3kJ/mol），相對(duì)誤差為0.9%。

4. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可知，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)非常方便，在相同的時(shí)間內(nèi)，采集到的數(shù)據(jù)量也很大，并且即時(shí)用圖表的形式在顯示屏上展示出來(lái)，一目了然。

課后與學(xué)生交流，學(xué)生們都很興奮，尤其是男同學(xué)，表現(xiàn)出極大的熱情。雖然只是一個(gè)小小的改動(dòng)，但是卻引來(lái)完全不同的效果。

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

1. 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以快速連續(xù)采集數(shù)據(jù)、同步顯示出連續(xù)圖像，而這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法完成的。學(xué)生通過(guò)圖像分析、現(xiàn)象歸納，更容易找出物理量的變化，可以幫助學(xué)生認(rèn)知、理解實(shí)驗(yàn)本質(zhì)。“中和熱的測(cè)定”是學(xué)生實(shí)驗(yàn)，要求讀出混合溶液的最高溫度并記錄數(shù)據(jù)。但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，溫度計(jì)的精確度不夠，溫度的變化稍縱即逝，難以觀察，從實(shí)驗(yàn)測(cè)定的數(shù)據(jù)計(jì)算出的中和熱數(shù)值與理論值相差較大。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中將傳統(tǒng)的溫度計(jì)改為溫度傳感器，溫度讀數(shù)可以精確到0.1℃，大大減小了誤差；溫度的變化以曲線、表格的形式呈現(xiàn)，方便學(xué)生更好、更直觀的讀數(shù)。

2. 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，系統(tǒng)能夠在很短的時(shí)間內(nèi)采集和處理大量數(shù)據(jù)，并利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和作圖功能，將數(shù)據(jù)反映成圖像來(lái)描述瞬間量的變化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“點(diǎn)采集”轉(zhuǎn)向到“線采集”，用極短的時(shí)間記錄大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以有效地解決暫態(tài)現(xiàn)象、難測(cè)量等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法解決的問(wèn)題。

3. 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的諸多弊端。它利用各種傳感器可以測(cè)量傳統(tǒng)測(cè)量工具所不能達(dá)到的精度。

四、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)需要注意的問(wèn)題

盡管數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合過(guò)程中有著不可替代的作用，但還是需要注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1. 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)逐步進(jìn)入學(xué)校的課堂，并參與課堂教學(xué)。在使用的過(guò)程中需要一批專業(yè)人員來(lái)操作，因此，需要加大師資的培訓(xùn)和學(xué)生的培訓(xùn)，才能夠發(fā)揮它的作用，使其成為在推進(jìn)素質(zhì)教育、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和探索精神的強(qiáng)有力的工具。

2. 傳感器的精度并非越高越好，對(duì)于初學(xué)者而言，主要學(xué)習(xí)的不是測(cè)量的準(zhǔn)確性，而是掌握實(shí)驗(yàn)操作的方法、數(shù)據(jù)處理的方法，測(cè)量精度過(guò)高對(duì)于初學(xué)者進(jìn)行誤差分析可能帶來(lái)不便。

3. 注重儀器的保護(hù)，防止傳感器與采集器的觸點(diǎn)接觸不良，引起測(cè)量的故障。

4. 不要忽視常規(guī)測(cè)量工具，如溫度計(jì)、酸堿pH計(jì)等。并且，在一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)中用常規(guī)教學(xué)儀器完成比較方便，也能夠滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。我們不能避重就輕，不能為了使用“新式武器”而拋棄傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段，畢竟要以有利于教學(xué)為基本出發(fā)點(diǎn)。

五、中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的前景

通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用，依靠現(xiàn)代先進(jìn)的教學(xué)技術(shù)和教學(xué)手段，通過(guò)動(dòng)靜結(jié)合、圖文并茂的形式把知識(shí)更加形象的展示給學(xué)生，使知識(shí)的掌握變得更加容易，學(xué)生對(duì)抽象的化學(xué)概念和原理的認(rèn)識(shí)更加清晰、深刻。在調(diào)動(dòng)學(xué)生多個(gè)感官參與課堂教學(xué)的同時(shí)，幫助學(xué)生更多、更快地獲得教學(xué)信息，從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)。同時(shí)，便于學(xué)生把獲得的結(jié)果運(yùn)用于實(shí)際生活當(dāng)中，解決更多的生活問(wèn)題，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的探究欲望。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)除了在“中和熱的測(cè)定”教學(xué)中的應(yīng)用外，在很多定量實(shí)驗(yàn)中都可以應(yīng)用，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生化學(xué)水平以及綜合能力的提高有著推動(dòng)作用，對(duì)教師教學(xué)能力以及專業(yè)水平的提高也有著促進(jìn)作用。通過(guò)運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展化學(xué)教學(xué)工作，有利于新課標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)新課改的進(jìn)程。

將傳感器、計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)設(shè)備應(yīng)用到中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，本身就是開(kāi)闊視野、與時(shí)俱進(jìn)的舉措，同時(shí)也為科學(xué)方法的培養(yǎng)和科學(xué)精神的塑造提供了鮮活的素材。工具的發(fā)展是腦的擴(kuò)展、手的延伸，是人類文明進(jìn)步的階梯。有了飛機(jī)，人類領(lǐng)略到天空的高遠(yuǎn)；有了宇宙飛船，人類體驗(yàn)到太空的深邃；有了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段，學(xué)生們必定能夠收獲意想不到的成功。

參考文獻(xiàn)

1. 梁榮忠 數(shù)字實(shí)驗(yàn)在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用 教育信息技術(shù) 2015.6

2. 呂鐸 傳遞化學(xué)思想，感受科技魅力 新課程 2015.4