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数字化手持技术在高中化学的应用

摘要:主要介绍了数字化手持技术在高中化学教学中的应用,并通过金属的电化学腐蚀与防护、酸碱中和滴定两个案例,证明了数字化手持技术应用于化学教学实践有利于发展学生的核心素养,是培养学生未来发展必备的品格和关键能力。数字化手持技术和传统教法的有机融合,可以突破教学难点,帮助学生理解,使复杂的问题简单化、定性的问题定量化、模糊的问题清晰化。结合永川区智慧教育平台等信息技术现有设施分析了数字化手持技术在永川中学校推广应用的前景。

关键词:数字化手持技术;化学教学;信息技术;实验探究

现在的高中化学课堂由于受课时和教学条件的影响,实验越来越少,学生习惯于“听”化学实验,直接背诵化学实验的现象和条件,在题海中学习化学实验,逐渐脱离了化学实验教学的本质。沿海和东部发达地区的老师为了解决这一困扰高中化学教学的难题,已经逐渐实现了课堂教育信息化,在课堂上充分使用以数字化手持技术为代表的一系列新型教育手段,教学效果显著。科学实验与技术的发展和进步是密切相关的,数字化手持技术实验作为一种现代化新型教育手段,具有实时性、准确性、便携性、直观性和综合性的特点,已成为当今科学实验探究与课堂教学最有力的教学工具。如何充分发挥数字化手持技术实验的技术优势,将其作为辅助学生学习高中化学强有力的工具,也是一个值得深思与探讨的问题。

1数字化手持技术

数字化手持技术是一种便携实验技术,是由数据收集器、探头以及相关软件组成的一体化技术,用于数据的收集与分析。数据收集系统能够与电脑联网处理信息,该系统能够定量收集温度、pH、电导率、色度、压强、氧气浓度(包括溶解氧)、二氧化碳浓度以及多种离子浓度等数据,并以曲线形式呈现在电脑上[1]。数字化手持技术实验在我国基础教育领域的应用和研究起步较晚,约在20世纪90年代进入我国,最初应用于物理教学中,随后被引入到化学等其他学科教学中[2]。

2数字化手持技术在高中化学教学中的应用实例

在实际教学过程中,很多教师都使用了数字化手持技术,取得了良好的效果。2.1应用于金属的电化学腐蚀实验。金属的电化学腐蚀实验选自人教版高中选修4第四章第四节。金属的电化学腐蚀分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀两种情况,其本质都是将金属与电解质溶液直接接触并在金属表面形成无数个微小的铁碳原电池,发生电化学腐蚀。金属的电化学腐蚀形成条件和反应机理是电化学学习的重难点。其中,腐蚀类型的判断和吸氧腐蚀原理模型的构建对学生来说尤其困难。为了解决这个教学上的重难点,教材第84页“实验4-3”对金属的吸氧腐蚀实验进行了演示探究,但教师在课堂实际操作中,往往会因所取铁粉和碳粉的质量比错误、所配制的电解质浓度大小不合适、反应物和产物的量太少、反应速率低等原因而使实验现象不明显、实验重复性不强、演示功能减弱。尤其是在吸氧腐蚀的实验中不能直观、明确地展现出是氧气参与了反应,反应后溶液中有碱生成,给学生从本质上理解金属的吸氧腐蚀造成了很大的困难。为了解决以上问题,可以利用手持技术对金属的电化学腐蚀实验进行改进和补充,帮助学生正确理解析氢腐蚀与吸氧腐蚀的概念,解决学生的迷思概念问题[3]。连接好装置后,接入数字化手持设备(见图1),实时监测反应过程中装置内的氧气含量、反应温度、溶液的pH等数据。经过一段时间的反应,可以通过电脑在实验过程中绘制图像,发现反应过程中氧气含量减少,说明氧气参与了反应;溶液的pH上升,说明反应生成了碱。调整反应条件,利用氧气传感器和压强传感器可便捷地测定实验过程中氧气浓度和压强的微弱变化以及吸氧腐蚀中溶液pH的变化,明确提出金属铁的电化学腐蚀是一个缓慢的氧化过程。钢铁在碱性或中性环境下发生吸氧腐蚀;在酸性环境下有析氢腐蚀,也有吸氧腐蚀。如果酸性较强,则以析氢腐蚀为主;如果酸性较弱,则以吸氧腐蚀为主;如果酸性不是太强或太弱,则二者都在进行。酸性或碱性环境下的吸氧腐蚀比中性环境下的吸氧腐蚀稍快,这主要是因为亚铁离子的产生会加快吸氧腐蚀[4]。2.2应用于酸碱中和滴定实验。酸碱中和滴定实验是一个对实验操作和数据处理要求都比较高的实验。在酸碱中和滴定实验中,用已知浓度的酸或碱滴定未知浓度的碱或酸,然后,利用浓度计算公式,根据已知浓度的酸或碱的体积,求出需要测定的未知的碱或酸的浓度。教师在课堂实验演示中往往会将一些指示剂提前加入到待测溶液中,以此来确定滴定的终点。但教师在实际的操作过程中,往往会因为各种原因造成较大的实验偏差,观察不到滴定突变等现象,使教学非常抽象。这时,如果使用数字化手持技术,通过探头实时监测溶液的酸碱性,经过电脑对数据的计算和处理,可以得到实时滴定曲线,滴定曲线的变化直观地显示了滴定突跃等现象,便于直观、清晰地了解并掌握酸碱中和滴定实验过程中溶液酸碱性的变化,并在滴定终点自动计算出待测溶液的浓度,避免了教师的无谓讲解。酸碱中和滴定实验中采用的数据采集器与电导率传感器,除上述应用之外,还有许多其他用途。(1)水质分析。纯水的主要杂质为一些可溶性的无机盐,其在水中主要以离子的形态存在,故可通过测定水的电导率来测定水的纯度,以电导率作为水质分析的理化指标之一。利用这种方法可测定市售的纯净水、蒸馏水、矿泉水和自来水的水质纯度。(2)大气监测。大气中的SO2、H2S、CO2、HCl和NH3等气体可用吸收液吸收。根据吸收气体前后吸收溶液电导率的变化,可以测定上述气体的含量。(3)工业流程控制。(4)电导滴定。主要用于滴定极弱的酸或碱,如硼酸、苯酚和氨水等[5]。

3数字化手持技术在培养学生化学核心素养中的作用

接入数字化手持设备有利于培养学生宏观辨识与微观探析的能力。利用数字化手持技术可以把以前无法展示的微观图像和化学结构更加直观地展现出来,也能通过对实验数据处理所形成的图像,更好地向学生展示化学反应中的变化观念与平衡思想。学生在利用数字化手持技术进行实验设计时,首先需要进行合理的猜想和预测,制定实验方案,选取传感设备对反应进行测量,明确需要采集的关键数据,设定计算公式,再实施实验探究活动。在实验的过程中,学生还要根据实验数据和曲线动态变化对实验进行监察和调节,这些都有利于培养学生科学探究与创新意识。同时,利用数字化手持技术,老师也能更好地在课堂上展现“四重表征”。老师在实验前可以先要求学生预测曲线,展现学生原有的认知结构和思维状态,然后,老师可以按照“宏观表征→符号表征→微观表征→符号表征→曲线表征”的顺序重新生成认知发展路径,从而引导学生进行“四重表征”间的相互转换。尤其在一些复杂实验中,由于反应过程太过复杂,反应机理对学生来说又太过抽象,不利于学生理解和掌握反应的实质和实验现象背后的原理。这时如果使用数字化手持技术实验,学生可以多角度地感受实验的现象及其背后的本质,就好像为学生提供认知和学习的脚手架,使教师有序、系统地协助学生建构与实验相关的化学原理,让学生更直观地感受反应的现象和结果,有效提高学生的学习兴趣,培养学生的化学学科核心素养。

4数字化手持技术在永川地区的使用前景

目前,永川区共有7所高中,均已具备良好的实验条件和设施,并已搭建、应用了永川区智慧教育平台。因此,永川区高中学校现代化教育设施设备比较齐全,教育信息化的水平较高,具备使用数字化手持技术的基础。在学校现有设施设备的基础上,给每个高中学校购置几套数字化手持设备,使其与现有设施设备有机结合,满足高中化学教学大部分的需求。恰逢新高考改革这一契机,相信很快就能产生显著的效果,因此,数字化手持技术在普通高中的推广和使用十分必要。

[参考文献]

[1]朱庆,钱杨义,麦裕华.化学教师对手持技术数字化实验应用的态度调查[J].化学教学,2019(10):13-19.

[2]陈琛,姚如富,邵忠德,等.数字化手持技术实验在高中化学课堂教学中的应用研究[J].化学教育,2015,36(1):29-33.

[3]孙慧玲,靳莹,霍爱新.基于手持技术的金属电化学腐蚀实验改进[J].化学教学,2014(3):52-54.[4]唐敏.实验探究钢铁的腐蚀[J].化学教育,2011(6):58-59.

[5]邓峰,钱扬义,林耿勉.手持技术在酸碱滴定中的应用研究[J].教学仪器与实验,2007(1):12-14.

作者:侯之光 单位:重庆市永川中学校

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