張玉珍

摘要：利用希沃傳屏技術(shù)和傳感器融合應(yīng)用，將紅磷燃燒實驗操作及現(xiàn)象與壓強(qiáng)、溫度變化曲線同步對應(yīng)，加深對實驗設(shè)計思路的理解。在希沃傳屏功能下，用無線一氧化碳傳感器探究木炭的不完全燃燒實驗，并進(jìn)一步配合無線二氧化碳傳感器，探究木炭還原氧化銅的氣體產(chǎn)物，理解反應(yīng)物的量不同產(chǎn)物不同。用分光光度計探究混合溶液中鈉、鉀元素的焰色反應(yīng)，數(shù)據(jù)科學(xué)直觀。通過應(yīng)用，提出數(shù)字化技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用原則和策略。

關(guān)鍵詞：希沃傳屏;傳感器;分光光度計

文章編號：1008-0546（2022）08-0076-05?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.016

一、探究紅磷燃燒測空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的實驗

1.研究背景

本課探究的是滬教版九年級化學(xué)上冊第二章第一節(jié)“測定空氣中氧氣含量”實驗（如圖1所示）。

該實驗是初中化學(xué)第一個半定量實驗。傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)本實驗內(nèi)容有許多障礙點：（1）“氣壓”是一個物理概念，而初三物理氣壓知識與本節(jié)教學(xué)進(jìn)度基本同步，學(xué)生知識遷移的能力有限，此時還很難將氣壓知識應(yīng)用到化學(xué)實驗中。（2）紅磷燃燒后產(chǎn)物有劇毒，所以只能采用教師演示實驗，無法確保全體學(xué)生都能清晰看到實驗過程，效果難以保證。（3）該實驗中的氣壓變化同時受到氣體量的變化和溫度兩個因素的影響，多因素的同時干擾下，學(xué)生很難理解教材實驗設(shè)計的原理及操作要求，如：實驗前為什么要夾緊彈簧夾？點然紅磷后為什么要迅速伸入？

對于氣壓變化無現(xiàn)象的問題，應(yīng)用數(shù)字傳感器是非常合適的。在教學(xué)中，根據(jù)數(shù)字化實驗的功能特點，兩次以不同形式使用DIS技術(shù)。

2.教學(xué)過程

（1）課的引入

在課的開始，為了讓學(xué)生感知氣壓的存在和氣壓變化的影響因素。筆者設(shè)計了“抽、注空氣實驗”（如圖2所示），用注射器抽取或注入空氣的方式，來改變裝置內(nèi)氣體的量，從而改變壓強(qiáng)。借助壓強(qiáng)傳感器采集數(shù)據(jù)，從而得出密閉裝置內(nèi)氣體的量與氣壓之間的變化關(guān)系。

（2）新知學(xué)習(xí)

筆者在傳統(tǒng)實驗裝置上連接了壓強(qiáng)傳感器和溫度傳感器（見圖3）。數(shù)據(jù)顯示采用曲線圖和數(shù)值同時呈現(xiàn)的圖像模式。對比分析壓強(qiáng)、溫度兩條曲線，幫助學(xué)生理解實驗的過程，進(jìn)而更好地理解實驗設(shè)計的思路。

考慮到初三學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)時間較短，如果完全用數(shù)字化實驗代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗，跳躍太大，不利于化學(xué)思維的形成。此外，在教師演示實驗的過程中，學(xué)生不知道該觀察實驗現(xiàn)象還是觀察數(shù)據(jù)變化，最理想的情況是，實驗中每一步操作與現(xiàn)象以及傳感器數(shù)據(jù)都能一一對應(yīng)地一步步出現(xiàn)。因此，筆者采用了多屏互動技術(shù)，讓傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗完美結(jié)合。

筆者借助希沃傳屏（見圖4）的分割屏原理，在教室白板上安裝希沃傳屏發(fā)送端 app，在智能手機(jī)和筆記本電腦上分別安裝了希沃傳屏接收端app。打開手機(jī)攝像頭，將演示實驗的畫面，超清、放大同屏到希沃白板上，解決了學(xué)生看不清楚演示實驗裝置的問題。再將筆記本電腦也通過傳屏 app，將傳感器的圖像分析界面也連接到希沃白板，此時一塊希沃白板被分割成兩個并列的動態(tài)畫面（見圖5）。后續(xù)實驗中教師每一步操作帶來的傳統(tǒng)實驗裝置內(nèi)的宏觀現(xiàn)象如燃燒、水倒流，所引起的溫度、壓強(qiáng)的曲線變化同步在白板上呈現(xiàn)，一目了然，突破思維屏障。

二、無線一氧化碳、二氧化碳傳感器探究碳的化學(xué)性質(zhì)

1.碳的不完全燃燒實驗

（1）研究背景

在學(xué)習(xí)滬教版九年級化學(xué)第四章第一節(jié)“碳”中碳的可燃性時，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了木炭在氧氣中燃燒，對于木炭的不完全燃燒，傳統(tǒng)課上較多的是以“燒炭中毒”為例直接解釋中毒原因，這樣往往讓學(xué)生對化學(xué)的認(rèn)知較為負(fù)面。隨著時代的進(jìn)步，我們可以提供更新的探索思路。如圖6所示，在三口瓶的一端用鐵絲綁住燃著的木炭，中間一個口徑連接一氧化碳無線傳感器、另一端用醫(yī)用橡膠塞密封，在檢測出 CO后，用注射器注入水澆滅木炭，全程密閉，防止污染環(huán)境。

（2）教學(xué)片段

【教師】出示木炭在氧氣中燃燒的實驗照片，請學(xué)生回顧該實驗的現(xiàn)象和化學(xué)方程式。

【學(xué)生】思考作答

【教師】如果讓木炭在同樣一瓶空氣中燃燒，產(chǎn)物又會是什么呢？如何證明？

【學(xué)生】產(chǎn)物可能是二氧化碳，也可能是一氧化碳，二氧化碳可以用澄清石灰水檢驗。

【教師】一氧化碳的檢驗可以借助新的檢測手段——一氧化碳傳感器，它能直接讀出氣體中一氧化碳的含量。那么現(xiàn)在我們打開一氧化碳傳感器，可以讀出實驗前裝置內(nèi)的一氧化碳含量為0，接下來，我們將木炭用鐵絲綁住在酒精燈火焰上點燃，并快速伸入平底三口燒瓶中，請大家觀察實驗現(xiàn)象和屏幕上的傳感器數(shù)據(jù)變化（教師通過傳屏將實驗畫面和傳感器數(shù)據(jù)同時傳至教室白板）。

【學(xué)生】通過觀察白板上實驗畫面和傳感器的動態(tài)數(shù)據(jù)變化，得出結(jié)論。

一氧化碳傳感器的使用，一方面讓學(xué)生第一次切實“看到”CO就在身邊產(chǎn)生，能夠更加注重實驗安全，提升環(huán)保意識。另一方面也讓學(xué)生初步理解反應(yīng)物的量不同可能導(dǎo)致產(chǎn)物不同，為碳與氧化銅反應(yīng)的學(xué)習(xí)做鋪墊。

2.木炭還原氧化銅實驗

（1）研究背景

“木炭還原氧化銅”實驗是九年級化學(xué)教學(xué)中一個重要的演示實驗，該反應(yīng)是否產(chǎn)生一氧化碳是常見的課堂生成問題。學(xué)生在學(xué)習(xí)本實驗前已經(jīng)學(xué)習(xí)了質(zhì)量守恒定律，能夠根據(jù)質(zhì)量守恒定律猜測反應(yīng)的氣體產(chǎn)物可能有三種情況：①只有一氧化碳;②只有二氧化碳;③既有一氧化碳又有二氧化碳。傳統(tǒng)教學(xué)中，教師從化學(xué)方程式配平角度引導(dǎo)學(xué)生從理論上得出當(dāng)氧化銅與木炭的物質(zhì)的量之比為2∶1時，氣體產(chǎn)物只有二氧化碳。

近年來，設(shè)計實驗探究碳還原氧化銅反應(yīng)后產(chǎn)物的氣體成分已成為熱點。而由于前期學(xué)生并沒有完全理解該反應(yīng)氣體產(chǎn)物的情況，依照教材裝置圖（見圖7）以及對應(yīng)的實驗現(xiàn)象，學(xué)生難以理解為什么會有一氧化碳產(chǎn)生、為什么大試管中固體減少的質(zhì)量與澄清石灰水中增加的質(zhì)量不一定相等。這部分知識往往成為學(xué)生遺留的難點。

為了滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，在學(xué)生對傳統(tǒng)實驗進(jìn)行充分探究和足夠的認(rèn)識后，筆者保留教材實驗的發(fā)生裝置，將產(chǎn)生的氣體導(dǎo)入平底三頸燒瓶，并分別連接一氧化碳和二氧化碳傳感器，檢測是否有一氧化碳和二氧化碳產(chǎn)生（見圖8）。

（3）教學(xué)片段

【教師】3000多年前我國古代銅匠以孔雀石為原料煉銅，加猛火長灸，孔雀石先被分解為氧化銅，繼而氧化銅與木炭反應(yīng)，被還原為金屬銅，最終化為灼銅水，再做成各種各樣的器物、兵器。從這段資料中可以看出，生成銅的一步反應(yīng)，反應(yīng)的藥品、反應(yīng)的條件分別是什么？除了銅，該反應(yīng)可能還生成什么？

【學(xué)生】木炭與氧化銅在高溫條件下反應(yīng)生成銅，可能還生成二氧化碳或者一氧化碳。

【教師】從環(huán)保的角度，同學(xué)們更希望氣體產(chǎn)物生成的是二氧化碳還是一氧化碳呢？

【學(xué)生】更希望產(chǎn)生的是二氧化碳。

【教師】如何避免產(chǎn)生一氧化碳？

【學(xué)生】增加氧化銅的含量。

【教師】請同學(xué)們首先嘗試配平生成二氧化碳的反應(yīng)，你發(fā)現(xiàn)了什么？

【學(xué)生】通過配平從理論上發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧化銅與木炭物質(zhì)的量之比等于2∶1時產(chǎn)生的是二氧化碳。

【教師】請同學(xué)們根據(jù)猜測設(shè)計實驗裝置，并檢驗產(chǎn)物。

【師生】討論交流實驗方案后按照教材實驗裝置進(jìn)行實驗。

【教師】該實驗到底會不會產(chǎn)生一氧化碳，還需要更精確的實驗手段進(jìn)行檢測。同時如果氧化銅的量減少是不是也像我們猜測的那樣會產(chǎn)生一氧化碳呢？

【教師】出示圖8所示的實驗裝置，按照生成 CO2和CO 的化學(xué)方程式分別進(jìn)行了氧化銅與木炭物質(zhì)的量之比為2∶1、1.5∶1、1∶1三組實驗。實驗數(shù)據(jù)如圖9所示。

通過CO2和CO 曲線高度差的明顯沖擊，讓學(xué)生清楚地認(rèn)識到，該實驗主要的反應(yīng)是生成二氧化碳的反應(yīng)，隨著CuO比例增多，CO生成量越來越少。在學(xué)生對傳統(tǒng)實驗進(jìn)行充分探究和足夠的認(rèn)識后，將數(shù)字化實驗作為補(bǔ)充實驗，增強(qiáng)對原教材實驗的理解，提升學(xué)生思維能力和分析探究能力。

三、應(yīng)用分光光度計改進(jìn)焰色反應(yīng)實驗

1.研究背景

焰色反應(yīng)是滬教版九年級化學(xué)教材實驗，傳統(tǒng)的焰色反應(yīng)在實際操作中因鉑絲蘸取溶液量太少，燃燒火焰持續(xù)時間短，觀察現(xiàn)象不太明顯，尤其是鉀元素的紫色火焰，即使透過藍(lán)色鈷玻璃，學(xué)生觀察到明顯紫色依舊十分困難，影響實驗結(jié)果的真實性。

基于上述問題，在教學(xué)中，可使用無線分光光度計設(shè)計數(shù)字化實驗對傳統(tǒng)實驗進(jìn)行補(bǔ)充。實驗裝置如圖10所示。

用噴霧器將待測液體連續(xù)噴灑至火焰上方，通過光纖采集火焰的光信號，轉(zhuǎn)化成電信號被光纖連接的分光光度計在特定波長處檢測光波強(qiáng)度，即可檢測溶液中某些金屬元素的存在情況。對于混合金屬鹽溶液的檢驗，由于各自的特征波長不同，相互之間不受影響。

2.教學(xué)片段

【教師】剛才我們通過用鉑絲蘸取待測液檢測氯化鉀溶液，觀察到紫色火焰不明顯，今天我們還可以使用一種數(shù)字化手段——火焰分光光度計法，進(jìn)行檢測。我們先來看一下單獨的氯化鈉溶液、氯化鉀溶液噴灑在火焰上，分光光度計中會出現(xiàn)什么樣的結(jié)果呢？

【學(xué)生】觀察火焰顏色和曲線圖譜（見圖11）

【教師】從實驗中可以發(fā)現(xiàn)，如果溶液中含鉀元素，則會在770 nm左右出現(xiàn)一個波峰，若含鈉元素，則會在588 nm左右出現(xiàn)一個鈉元素的波峰。那么現(xiàn)在有一瓶硝酸鉀溶液，可能混有氯化鈉溶液，我們該如何檢驗?zāi)兀?/p>

【學(xué)生】觀察實驗結(jié)果（見圖12）

【教師】通過分光光度計進(jìn)行焰色反應(yīng)，不僅可以判斷溶液中鈉、鉀元素的含量高低，還可以用到混合溶液的分離提純中，例如上述溶液，我們發(fā)現(xiàn)硝酸鉀含量更多，可以采用降溫結(jié)晶的方式進(jìn)行提純。

四、教學(xué)反思

1.數(shù)字化技術(shù)在初中化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用原則

（1）適切性原則

教師在熟練掌握初中化學(xué)教學(xué)基本要求的前提下，對教材實驗進(jìn)行充分準(zhǔn)確的分析。根據(jù)實驗教學(xué)重點和難點，考慮技術(shù)的融合使用是否可以提供沒有使用該項技術(shù)就很難實現(xiàn)的效果，例如：節(jié)約上課時間、觀察到傳統(tǒng)實驗無法觀察到的現(xiàn)象或者數(shù)據(jù)、能夠構(gòu)建實驗現(xiàn)象與實驗規(guī)律之間的關(guān)聯(lián)等。

（2）適時性原則

數(shù)字化技術(shù)通常作為一種教學(xué)的輔助手段，出現(xiàn)在某種特定用途，如：激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、突破某個重點、難點，對傳統(tǒng)實驗進(jìn)行補(bǔ)充，以便拓寬學(xué)生的實驗探究思維等。因此，只有在合適的時間采用數(shù)字化技術(shù)，才能發(fā)揮二者融合的優(yōu)勢，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

（3）適度性原則

數(shù)字化技術(shù)的使用不是為了吸引眼球，也不是多多益善，而是為了更好地服務(wù)學(xué)生，服務(wù)教學(xué)。教師必須根據(jù)教學(xué)的需要將傳統(tǒng)實驗教學(xué)與數(shù)字化實驗相融合，統(tǒng)籌安排，適度使用，才能達(dá)到錦上添花的效果。

2.數(shù)字化技術(shù)在初中化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用策略

（1）突破教學(xué)難點

化學(xué)教學(xué)中有很多待突破的難點，尤其是在促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知上。實踐證明用傳統(tǒng)的方法已很難突破，而數(shù)字化實驗是一種新的技術(shù)手段，教師可以嘗試用其在這些經(jīng)典的難關(guān)上整合、創(chuàng)新。

（2）加強(qiáng)學(xué)生活動

通過創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，讓學(xué)生在一定的目標(biāo)指引下開展有針對性的實踐活動，在技術(shù)的支持下，通過操作、觀察等行為獲得直觀體驗，將動手和動腦緊密結(jié)合、互相促進(jìn)。例如：活性炭是家用除甲醛、冰箱除臭劑以及凈水器中常用的有效物質(zhì)。學(xué)生在學(xué)習(xí)了活性炭具有吸附性后，教師為學(xué)生提供過濾柱和分光光度計，學(xué)生查閱資料學(xué)習(xí)儀器功能和使用方法，開展課后探究活動，設(shè)計實驗，探究市面上不同顆粒大小的活性炭對紅墨水的吸附作用。

（3）挖掘儀器功能

從各種數(shù)字化實驗軟硬件的功能及應(yīng)用開始研究，尋找與教學(xué)需求的結(jié)合點，也是數(shù)字化實驗研究的重要切入點。隨著全球信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化設(shè)備呈現(xiàn)出由單一功能向多功能、從有線到無線，操作簡潔、便攜性、可移動性逐漸增強(qiáng)，使學(xué)生的數(shù)字化實驗活動更加普及、靈活，便于教師可以設(shè)計更多生活化的數(shù)字化實驗。

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