传感器技术在高中化学教学中的应用初探

著名化学家戴安邦先生曾说:“化学实验教学是全面实施化学教育的一种最有效的形式。”实验是化学的灵魂。它可以培养学生实事求是的、严肃认真的科学态度, 培养学生观察问题、分析问题和解决问题的能力, 培养学生逻辑思维、创造性思维的习惯, 它还可以调动学生学习化学的积极性, 它又是增强学生学习化学兴趣的催化剂。在化学教学中, 尤其是化学概念、化学理论, 通过化学实验创设各种情境, 有利于学生对问题的理解和深化。

人教版新课程标准实验教科书化学选修4《化学反应原理》第三章《水溶液中的离子平衡》主要探讨水溶液中的离子间的相互作用。这一章涉及的内容非常丰富, 包括弱电解质的电离平衡、稀溶液的酸碱性及p H、酸碱中和滴定、盐类水解和沉淀溶解平衡。理论性比较强是该课程的特点。根据化学学科的特点及学生的心理、生理特点, 在本章的理论分析之中穿插了一些定量的实验、科学探究、思考与交流, 或验证推理, 或引导探究和分析, 使理论分析丰富、生动起来, 同时也促使学生主动参与其中, 使之在习得科学知识的同时, 也培养了逻辑思维能力, 获取了科学探究的体验。[1]

传感器 (transducer/sensor) 是指能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置, 通常由敏感元件和转换元件组成。它是一种检测装置, 能感受到被测量的信息, 并能将检测感受到的信息, 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出, 以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。[2]传感器是获得实验数据并通过数据处理发现化学规律和原理的一类有效武器。随着新课程的开展, 我们尝试将传感器与新课程标准相融合, 寻找传感器的最佳使用场所。在尝试中我们体会由于数字化实验测量的精确、快速、操作灵活、简便, 使得学生能够比较容易发现或者验证各种数量之间的数学关系, 对定量研究的化学规律和化学原理是非常适用。在实践中我们发现传感器有以下优点.

1使用传感器技术可以快速的呈现实验结果, 增强课堂的时效性

酸碱中和滴定实验中, 滴定终点时溶液p H存在突变区域, 这是学生利用酸碱指示剂判断酸碱中和滴定终点的必备知识, 也是学生学习化学的一个难点, 如何解决这个问题一直是教师感觉非常棘手的问题。在传统的教学过程中教师是这样处理的:教师带领学生通过大量的计算得出消耗不同标准液时溶液的p H, 计算繁琐、耗时很长, 至少需要30分钟才能绘制出p H突变曲线。通常心理学家认为, 高中学生的年龄特点决定了他们对一个事物的专注时间不会超过20分钟, 所以这样的教学结果是学生对p H计算留下深刻印象, 但是对p H突变的理解却比较淡漠, 这样的课堂设计肯定是舍本求末。而如今使用传感器技术可以很快完成这个实验, 大约4分钟就可以完成酸碱中和滴定实验并通过计算机处理数据绘制出酸碱中和滴定p H突变曲线。教师很快将结果呈现出来, 恰好在学生思维兴奋时期思考突变的原因以及为什么使用酚酞、甲基橙作指示剂可以判断滴定的终点。与以往学生需要通过大量计算来绘制曲线、寻找规律相比, 这个方法显得非常便捷和精准了。可见使用传感器技术可以增强课堂的实效, 节约时间。

2使用传感器技术可以实现实验现象的直观化

我们在教学中往往有这样的感受, 有些实验过程中的实验现象或物理参数由于变化很微弱学生无法观察到, 有些实验由于反应时间过长或过短而无法在课堂上展示。而使用传感器技术可以很好地解决这些问题, 它可以通过高精度的测量检测出Fe Cl3溶液和KSCN溶液平衡发生移动时溶液颜色的微小变化, 也可以像电影的快放或慢放那样呈现过慢或过快的化学反应过程。例如, 使用传统仪器装置进行冰醋酸加水稀释过程中溶液电导率测定的实验时, 对于电流计的灵敏度要求非常高。往往在实验中由于电流计不够灵敏、指针摆动幅度过小无法观察, 或者指针摆动过快、现象“稍纵即逝”学生无法观察到溶液的导电能力先变大再逐渐变小的过程。学生没有看清实验现象就会对实验的结论产生质疑。而使用传感器技术可以通过设置合理的采集速率可以记录下较快的电流变化并通过电脑数据处理绘制出图形。这个快速完成的实验现象最后被计算机定格为图形展示出来, 学生可以很清楚的看到稀释过程中的电导率和p H的变化, 理解了冰醋酸溶于水建立平衡的过程以及醋酸作为弱电解质建立电离平衡后随着不断的加水稀释平衡发生移动的过程, 通过分析得出稀释可以促进电离的结论。

通过这两个实验, 我们不难看出传感器技术可以为学生们搭建一个实验探究的平台, 可以将实验过程中隐性的过程清晰的呈现出来, 帮助学生理解一些化学原理中的重点和难点。但是由于价格昂贵, 所以无法满足全体学生的实验要求, 同时有些化学实验本身有明显的实验现象, 使用传感器技术处理后就显得“画蛇添足”了。例如p H试纸作为一种传统的实验仪器, 它的价格低廉、操作简便而且能够快速得出实验结果而且现象明显, 能更好的将实验普及到各种学校, 对于提高学生的实验能力和学习兴趣有着无法替代的优势。

《普通高中化学课程标准 (实验) 》中特别强调“通过以化学实验为主的多种探究活动, 使学生体验科学研究的过程, 激发学习化学的兴趣, 强化科学探究的意识, 促进学习方式的转变, 培养学生的创新精神和实践能力”。通过以上的实践, 我们体会到在新课程改革的进程中, 我们教师要勇于接受新鲜事物, 不断开发新的实验仪器的功能, 设计与教学内容相关联的实验方案, 利用它来帮助学生理解知识的难点让学生体会到理论分析与实验验证并重的科学探究过程。

摘要：实验是化学的灵魂。在化学教学中, 尤其是化学概念、化学理论, 通过化学实验创设各种情境, 有利于学生对问题的理解和深化。本文结合传感器技术在《水溶液中的离子平衡》教学中的优化选择, 总结传感器技术的特点、最佳适用范围以及实验实例, 在化学新课程教学改革中展开了探索与实践。

关键词：课程改革,实验仪器,探索实践

参考文献

[1] 何少华, 裴群, 金仲呜, 等.化学反应原理教师教学用书[M].人民教育出版社, 2007, 2:54～79.

[2] 何希才.传感器技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005.