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新课程背景下传感器在高中化学实验中的应用研究 - 北师大二附中


新课程背景下传感器在高中化学实验中的 应用研究

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郭晓雪 北京市西城区 北师大二附中 (010)62042244-3185 13811278356

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新课程背景下传感器在高中化学实验中的应用研究

/>北师大二附中 郭晓雪



要: 本文主要从三方面介绍了在新课程理念下, 将传感器应用于高中化

学教学中的应用案例,讨论了传感器对化学教学的影响。 关键词:新课程理念 传感器 化学实验 教学 数据转换 一、新课程理念对化学实验教学的要求 新的高中化学课程标准明确指出: “通过实验探究,掌握基本的化学实验技 能和方法, 进一步体验实验探究的基本过程,认识实验在化学科学研究和化学学 习中的重要作用,提高化学实验能力。 ”因此,新课标理念下的高中化学教学要 通过以化学实验为主的多种探究活动 ,使学生体验科学探究过程,激发学习情 趣,强化科学探究意识,促进学习方式的转变,培养学生的创新精神。 二、传感器技术应用于化学实验教学是一次教学手段的革新 随着课程改革的不断深化, 对于化学实验教学的认识也在不断深化,先进的 科学技术不断引入到化学实验中。利用传感器进行化学实验教学, 不仅开拓了 现代化学实验教学的一个新的领域,而且改变并弥补了传统实验方法的不足,使 实验不仅关注定性研究而且进行定量研究,而且更符合学生的认知规律。 我们传统实验过于强调直接观察,让学生产生就有一种错觉,一说化学实验 就和烧杯、试管、酒精灯??联系在一起,看不到实验现象就不叫化学实验;所 以在化学实验中如果不能直接观察和看得到就好像没法做实验研究了, 认为真正 的科学实验就是这样子。 化学学科的现代化实验,不是靠直接去测量观察而进行 研究的,一般都要变成一种物理信号,然后进行转换测量和转换处理。传感器技 术的引入会让学生意识到有些化学现象虽然不能直接观察到, 但是并不意味着它 们没有发生,可以借助一些工具把那些看不到的现象变得可观察、可分析。 三、传感器技术在化学实验中的案例研究 在化学实验中可用多种传感器,如 pH 传感器、电导率传感器、二氧化碳传 感器、温度传感器、压强传感器、色度计传感器等。通过传感器进行实验,改变 了以往传统的实验方法,更使一些以前无法做到的实验得以实现。同时,就某些 知识点,可以进行一些拓展实验,激励学生进行探究性学习,从而培养学生的自 主探索、发现探究和合作学习的能力。具体主要体现在如下几个方面:

(一) 、通过传感器可以增强常规化学实验的可操作性及可观测性 案例 1: 《新课程人教版高中化学必修 1》 中有一个探究碳酸钠和碳酸氢钠溶 于水时温度变化的实验。在实验过程中发现,1g 碳酸氢钠和碳酸钠分别溶于水 时,用手触摸试管,感觉到其温度变化并不是很明显。如果增加其用量又会造成 试剂的浪费。 但如果采用温度传感器对碳酸钠和碳酸氢钠溶于水后的温度进行测 量,会看到 1g 碳酸钠溶于水时,温度从 15.4°升高到 21.3°.碳酸氢钠溶于水 时温度从 15.4°降到 14.5°.随后,将试剂的量逐步减少,再进行测量,得到结 果如下表所示: 表 1 碳酸钠和碳酸氢钠溶于水的温度变化表 药品质量 0.5g 0.4g 0.2g 碳酸钠温度 5.6° 5.2° 4.6° 碳酸氢钠的温度 0.9° 0.8° 0.2°

通过以上结果可以看出, 碳酸钠溶于水的确伴有温度升高的现象,而碳酸氢 钠溶于水伴有温度降低的现象。 在实验室里,使用温度计和通过手触摸可以分别 定量和定性的检测温度的变化, 但是这两种方法的灵敏度都相对比较低,仅凭观 察、触摸,很难获得真实可靠的实验结果。而利用传感技术,则大大增强了检测 的灵敏度,只需要很少的量就能看到很明显的实验效果。 案例 2:在“化学平衡的影响因素”的教学过程中,压强对平衡的影响是个 难点。传统实验中教师往往用针筒压缩 NO2 气体,让学生观察气体颜色的变化来 体会平衡的移动,但是这样的颜色变化很不明显,学生观察也很不方便。压强传 感器的出现很好地解决了这个问题, 它通过压强变化曲线图让学生更加清楚地看 到压强的变化规律,帮助学生更好地理解平衡移动的影响因素。 [实验过程]

数字 采集器

压强传感器

压强传感器

图 1 压强对平衡的影响实验装置图

a、两个针筒分别充好空气和 NO2 气体,固定在铁夹台商,并连接好压强传 感器; b、用力向下压固定器的上木板,迅速固定好双拧螺丝,观察投影屏幕上的 压强曲线变化图。 可以观察到充空气针筒的压强曲线在螺丝固定后不再变化,保 持水平;而充 NO2 气体的针筒的压强曲线在螺丝固定后逐渐下降,说明平衡在向 着减小压强的方向移动。 c、松开针筒活塞,再固定好双拧螺丝,减压后再次观察压强曲线变化。可 以观察到充空气针筒的压强曲线在螺丝固定后不再变化,保持水平;而充 NO2 气 体的针筒的压强曲线在螺丝固定后逐渐上升, 也说明平衡在向着增大压强的方向 移动。 d、实验后,将废气通入 NaOH 溶液中进行处理。 [实验结果]:

图 2 改变空气体积时压强随时间变化曲线

图 3 改变 NO2 体积时压强随时间变化曲线

(二) 、通过传感器可以对教材内容进行拓展实验。 在高中化学中有一些比较重要的章节,因其内容的理论性、抽象性比较强, 又没有可操作性的实验,导致其在传统教学中很难让学生理解透。例如,新课程 选修模块 4“化学反应原理”中的“弱电解质的电离”这一节,一直被视为教学 难点。通过传感器,实验具有了可操作性。可以利用电导率传感器和 PH 传感器, 通过采集实验数据,绘制相关曲线,让学生理解透强弱电解质的概念,并将冰醋 酸溶于水的抽象过程转化成一个具体的可观测的量化过程。 以下是对本节内容的 一些相关探究实验。 实验探究 1 温度对电离平衡的影响

【实验过程】在两个小烧杯中分别加入等浓度等体积的醋酸溶液, 一份在常温下 测其 PH 值,另一份放在水浴中加热,等微热后测定其 PH 值。 【实验结果】常温:PH=2.23 实验探究 2 微热:PH=1.86

浓度对电离平衡的影响

【实验过程】在常温下将 2ml 的醋酸溶液用蒸馏水稀释 100 倍后, 测其稀释前后 PH 值的变化。 【实验结果】稀释前:PH=2.3 稀释后:PH=3.4

图 4 醋酸溶液 PH 值随浓度变化曲线

实验探究 3

冰醋酸稀释过程中 C(H+)的变化

【实验过程】在常温下将冰醋酸用蒸馏水不断稀释, 利用电导率传感器观察稀释 前后溶液电导率随浓度变化的曲线图。 【实验结果】

图 5 冰醋酸稀释过程中电导率的变化曲线 (横坐标表示醋酸溶液的浓度,纵坐标表示电导率)

实验探究 4

同浓度、同体积的盐酸溶液、醋酸溶液中分别加入足量镁条、观察

比较反应速率的快慢和变化;同 PH、等体积的盐酸溶液、醋酸溶液中分别加入 足量镁条、观察比较反应速率的快慢和变化。 (实验说明: PH 传感器将盐酸和醋酸配成相同 PH 的溶液,在和镁条反应 用 之前将其数值显示在大屏幕上 PH=1.97,增加实验的真实性。 ) 利用传感器技术把弱电解质的电离过程以量化的形式真真切切地展现在了 学生地面前。 将操作实验带来的兴趣随之带入了对于问题的思考中。有数值和图 的读取,学生解决问题就相对容易了,这就是传感器实验所带来的独特的优势, 从学生更容易感知、理解的角度探讨了弱电解质电离的宏观表现形式 。另外, 在整个实验过程中还培养了学生的观察能力和图像分析的能力。 (三)传感器可以作为研究性学习的一个重要辅助工具 在新课程改革中, “研究性学习”的重要性受到强调,传感器可以为研究性 学习提供工具支持。比如野外采样,如果不用传感器实验系统,在数据采集和处 理上是难以实现的。而借助于传感器可以使实验变得简单且容易认知。仪器会自 动显示给学生清晰的实验结果而不需进行复杂的数据处理工作。 以下是用传感器 进行研究性学习的一个案例: 利用二氧化碳传感器对教室内二氧化碳浓度进行测 定。 【实验目的】在一般空间的洁净空气中,CO2 含量约占 0.04%左右,但如果达到 0.07%—0.1%使人感到不适;如果浓度达到 2%,使人头痛,恶心,血压升高;达 到 5%会使人窒息。冬天门窗关闭的上课教室,CO2 的浓度比较高。有必要测定其 含量。 【实验方法】利用二氧化碳传感器对课前课后教室内二氧化碳的含量进行监测 【实验数据及分析】 四节课的二氧化碳浓度含量如下表所示:
表 2 二氧化碳含量变化记录表

第一节 第二节 第三节 第四节 课前 课后

【实验体会】 利用传感器学生很容易的就获得了课前课后教室内二氧化碳含量

变化的数据,它不受时间空间的限制,操作简单,数据真实可靠,将实验从定性 分析上升到了定量分析。通过此次探究性学习,让学生认识并会使用新型仪器, 培养了学生的科学态度、创新精神及社会责任心,使学生学会关心环境、关心社 会,并对室内的空气清洁提出许多合理化的建议。 四、传感器技术应用于化学实验教学的前景展望 丰富的传感器可以增强学生的实践体验, 信息化的实验手段可以拓展学生 探究日常生活中化学变化的能力。 利用传感技术较高精度的测量可以检测反应过 程中许多实验现象或物理参数的微弱变化:通过设定不同的采集速率,使我们就 像电影中的慢镜头一样来研究瞬间反应中的细微变化, 像快镜头一样来浓缩历时 较长的化学变化过程。 同时, 由于传感技术多种指标的检测功能使一批原理简单、 操作复杂的定量实验变得简便易行,可供中学化学教学选用。例如化学平衡常数 的测定、化学反应速率的测定、含铁物质中铁元素含量的测定、影响淀粉和碘的 显色因素等。 这些定量实验的引入,对于学生定量研究意识和能力培养将起到积 极地促进作用。

参考文献
[1] 钱扬义.手持技术在理科实验中的应用研究.北京:高等教育出版社,2003:229-233 [2] 王磊 魏锐 《传感技术-化学实验探究手册》 北京师范大学出版社 2007 年 [3] 邓锋 钱扬义.化学教育,2006,27(6) :37—39 [4] 邓锋 钱扬义.化学教育,2009,30(1) :35—37 [5] 王祖浩.普通高中课程标准实验教科书.化学(必修 1、选修 4).


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