手持技术在化学理论课堂的应用研究

王玺

摘 要：随着手持传感技术的引入，在化学理论课上落实核心素养有了新的方法，通过不同手持传感器的数据采集，让化学理论课从传统教学中得以改进，从粗略到精细的探究过程，从无形到有形的感受过程，从知识告知到数据体会结论，整个学习过程培养学生科学探究意识，宏微结合思想以及证据推理的能力，与传统教学相比可以将微观变化以图像形式表达，突破理论课的难点，让学生感受真实的化学变化，很好落实了核心素养。

关键词：手持技术;传感器;化学理论课;核心素养

近年来，随着《普通高中化学课程标準》提出的包括“宏观辨析与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“实验探究与创新意识”“科学精神和社会责任”等五个要素的高中化学核心素养（简称“化学核心素养”），教师围绕化学核心素养展开教学和研究，如何在课堂教学中实现化学核心素养的落实成为实现课堂有效性的标准。在化学教学课堂中中学化学理论主要指化学知识中的基本概念理论的形成及理解和应用化学概念是将化学现象、化学事实经过比较、综合、分析、归纳、类比等方法抽象出来的理性知识，它是已经剥离了现象的一种更高级的思维形态，传统教学和实验无法反映其化学现象事实的本质，在中学学习过程存在着一定的难度。而信息技术的发展对基础教育起到了重要的作用，为突破化学理论课的难点必定可以发挥其优势。其中数字化手持技术实验是计算机和微电子技术相结合的新型数字化实验手段（简称手持技术），集数据采集分析于一体，具有便携性、智能性、开放性等特点，不同传感器对数据的采集的直观性和准确性，结合实时绘图功能，对学生理解抽象的理论知识和解释图像的能力提供了定量的实验支持，为化学理论课堂落实化学核心素提供了很大的帮助。

通过对手持技术在中学化学日常教学中的应用，尤其是中学化学理论课中对化学核心素养的落实有一些应用心得，笔者将根据几种常见的不同传感器在不同课例中的应用来探讨手持技术在化学理论课发挥的作用。实验用传感器是朗威数字化信息系统实验室数据采集器V8.0及其传感器。

一、从粗略到精细的探究过程：pH传感器在实际课堂中的应用

以理论课盐类水解为例，传统教学中以有色的氯化铁溶液为实验溶液，采用改变浓度和温度的条件来探究盐类水解的本质，传统实验是以观察颜色变化和pH计来测量pH值的变化，来研究盐类的水解，实验中只能定性的研究平衡的移动，研究的结果存在着颜色变化不明显，pH变化不够精确，没有体验平衡移动的过程等实际问题。此实验中引入手持技术中pH传感器可以得到pH-时间关系曲线来观察精确pH变化来感受平衡移动过程。

实验一：取20mL0.1mol/L氯化铁溶液于烧杯中并不断搅拌，加热溶液，根据pH采集器得到pH-时间关系曲线图1，形象描述受温度影响时氢离子浓度变化，温度升高氢离子浓度增大，水解被促进，得到平衡正向移动的结论。

实验二：取20mL0.1mol/L氯化铁溶液于烧杯中并不断搅拌，向溶液中滴加数滴1mol/L氢氧化钠溶液，根据pH采集器得到pH-时间关系曲线图2，形象体现因初始加入盐酸氢离子浓度瞬间减小pH增大，后平衡向正向移动氢离子浓度增大pH减小，但pH大于初始pH。

实验三：取20mL0.1mol/L氯化铁溶液于烧杯中并不断搅拌，向溶液中滴加数滴1mol/L盐酸溶液，根据pH采集器得到pH-时间关系曲线图3，形象体现因初始加入盐酸氢离子浓度瞬间增大pH减小，后平衡向逆向移动氢离子浓度减小pH增大，但pH小于初始pH。

以上三个实验可以清晰地感受到氢离子浓度变化后受平衡影响发生移动的过程，对学生理解勒夏特列原理，盐类水解的本质有了直观的了解。

手持技术的引入，让学生认识实现从宏观辨识到微观探析，从粗略的定性实验观察到精确定量实验数据分析来深入理解盐类水解的实质和影响因素，不仅突破了化学理论抽象的问题，帮助学生宏微结合视角进行分析，体验严谨的科学探究，进一步认识化学变化是有限度可调控的，使化学核心素养得到落实。

二、从无形到有形感受过程：电导率传感器在实际课堂中的应用

以理论课“强电解质和弱电解质”为例，如何来判断完全电离和部分电离的定义，以及溶液离子浓度的大小，传统实验利用同浓度溶液通电使电灯发光的强弱来判断，存在亮度判断以及实验设备较复杂的情况。通过电导率传感器对溶液导电能力的判断，得到电导率-时间曲线可以很好的判断溶液离子浓度的大小，更清晰地理解强电解质和弱电解质的定义。

实验一：各取20mL0.2mol/L氨水和0.1mol/LBa（OH）2测定其电导率，得到电导率为1.1646mS/cm与16.432mS/cm定量的体现强弱电解质的区别;

实验二：用0.1mol/L稀硫酸滴定20mL0.1mol/L氢氧化钡溶液，边滴定边搅拌，观察电导率的变化，得到电导率-时间曲线图4，直观地表现出离子浓度先减小后增大的趋势，很好的解释了Ba（OH）2+H2SO4==BaSO4↓+2H2O溶液中强电解质溶质变化从而出现离子浓度变化的趋势;

实验三：用0.2mol/L醋酸滴定20mL0.2mol/L氨水溶液，边滴定边搅拌，观察电导率的变化，得到电导率-时间曲线图5，可以实际看到实验过程表现出离子浓度先增大后略减小，很好解释了NH3·H2O+CH3COOH==CH3COONH4+H2O从弱电解质生成强电解质离子浓度的变化趋势，曲线图4和曲线图5两幅图的比较能够加深强电解质和弱电解质的区别，加深其理解和应用。

手持技术的应用对化学学科中无法以实验现象来解释的实验得以实现，从实际数据为依据出发，推理出科学理论的正确性，落实学生严谨求学的态度。

三、从知识告知到数据体会结论：其他传感器的应用

（一）认识原电池化学能转化为电能中利用盐桥可以使电流更稳定，无法通过传统实验实现，往往简单告知其作用，无法切身体会到结论，而通过电流传感器的实验采集，可以观察到电流-时间曲线并且形象地体现出来。例如：Zn|稀硫酸|Cu原电池的电流-时间曲线图6;Zn|ZnSO4‖CuSO4|Cu饱和氯化钾+琼脂做盐桥原电池，得到电流-时间曲线图7。直观体现双池盐桥原电池电流的稳定性。

（二）研究金属电化学腐蚀中压强传感器、氧气浓度传感器在电化学腐蚀中的应用，传统实验中针对反应过程中通过液面的变化来判断压强的变化，变化程度和实验误差较大，过程不容易观察，通过压强传感器和氧气浓度传感器的采集，得到压强-时间曲线图8和氧气%-时间曲线图9。可以让学生更直观地认识到电化学腐蚀过程中氧气的作用，尤其是吸氧腐蚀的理解，不是停留在教师告知的阶段，而是以实验事实为依据。

相同传感器的应用案例就不一一列举，其他类型的传感器的应用也需要慢慢积累，总之借助传感器技术能实时收集数据的特点，通过直观地观察变量，学生更容易理解实验的微观原理及其本质，如利用实时绘图技术（传感器技术）的探究实验教学，证实该教学方法比传统实验教学的效果更好，学生解释图像的能力显著提高。整个过程培养学生科学探究意识，宏微结合思想以及证据推理的能力，与传统教学相比可以将微观变化以图像形式表达，突破理论课的难点，让学生感受真实的化学变化，很好落实了核心素养。

参考文献

[1]陈家宝，鹿钰锋，史青青.利用传感器探究NaHCO3溶液的稳定性[J].实验教学与仪器，2020，v.37;No.392（12）：36-37.

[2]侯之光.数字化手持技术在高中化学教学中的应用[J].现代盐化工，2020，v.47;No.196（06）：149-150.

[3]贺冬顺.“弱电解质的电离平衡”教学设计[J].中学化学教学参考，2020，528（20）：39-40.

[4]马善恒，王后雄，刘正宇.中学化学手持技术数字化实验研究的演进及展望[J].化学教育（中英文），2020，41（17）：112.

[5]崔立斌，张国婷，王素利，等.新高考背景下信息技术融入高中化学教学的策略[J].河北北方学院学报（社会科学版），2020，v.36;No.185（04）：110-112.