数字化实验在化学教学中的应用

陈晓晔

摘要：与传统实验相比，数字实验具有分辨率高、精度高、数据采集快速、连续处理等明显优点，实验现象更加生动、具体。本文利用温度传感器测量温度变化，用计算机记录数据，绘制温度变化曲线，直观地呈现实验结果，并在教学中应用和思考。

关键词：数字实验 化学实验 测定中和热

【分类号】G633.8

随着现代科学技术的发展，越来越多的新技术进入我们的视野和校园。我们老师的教学和学生的学习不是一成不变的，而是需要适应周围环境的变化，随时做出相应的调整，这就要求我们老师不断吸收新事物，带入课堂。化学是一门基于实验的学科。传统的瓶罐实验不能满足中学化学实验的要求。新的数字实验已经深入到社会生产和生活的各个领域，对我们的化学课堂产生了巨大的影响。一方面，数字实验弥补了传统实验工具的缺陷，创新了化学实验仪器，扩大了化学实验的内容；另一方面，实验方法更先进，实验数据更准确，实验步骤更清晰。数字实验是教学改革的前沿课题，对我们的教学提出了更高的要求。

一、数字实验仪器

数字实验平台主要由传感器、计算机、数据收集器和通用软件组成，将各种信号转换为电流信号，然后通过通用软件的分析和处理，以图表的形式呈现相关信息。数字实验在教学中的应用可以弥补传统模式下的实验不足，逐步将化学反应的现象和本质转化为监测信号，也有利于学生深入研究化学反应的本质，数字实验系统具有直观、先进、准确、实时的特点，可以提高教学效率。通过数字实验在化学教学中的应用，可以优化化学课堂教学，提高学生学习化学的兴趣，同时降低课堂教学内容的难度。

1. 传感器：由热敏电阻、压敏电阻、光敏电阻等各种传感元件组成，是实验测量的核心部件。通过感觉和传输反馈事物的变化过程，其中感觉将物理量的变化转化为电流信号的变化；传输将变化的电流信号传输到数据收集器装置，然后将处理后的数据传输到计算机平台。温度传感器常用于化学教学，pH值传感器、电导率传感器、色度传感器、气体传感器、浊度传感器、氧化还原传感器等。

2. 数据采集器：采集传感器感知的数据，并传给计算机及内部处理软件进一步放大。

3. 计算机和通用软件处理：负责处理收集器传输的信息，并以图表的形式显示实验变化的规律。

数字实验的具体应用——以中和热测量为例

对于高中化学教科书中传统学生实验的中和热测量，我将传统温度计改为数字传感器（连接数据采集器和计算机），记录实验中温度的变化，使实验更简单、更准确。

1. 实验原理

50mL0.50mol/L盐酸与50mL0.55mol/L NaOH溶液中和反应时释放的热量为：(m1 m2)·c·(t2-t1)= 0.1×4.18×(t2-t1) kJ。

产生反应H2O为0.025 mol，生成1molH2O释放的热量是中和热

中和热实验测定装置用温度计测量反应前后的温度，并用公式计算反应释放的热量。因此，溶液的温度必须准确测量，并及时记录。

2. 实验仪器、药品

大烧杯(500mL)、小烧杯(100mL)、量筒(50mL)两个，泡沫塑料，泡沫塑料板 (中心有两个小孔)、环形玻璃搅拌棒。0.50mol/L盐酸、0.55mol/L NaOH溶液、蒸馏水、吸水纸。

整个实验装置。将小烧杯放入大烧杯中，口平，中间填充泡沫。在泡沫板上打两个孔，将温度传感器和环形玻璃棒分别插入孔中，盖在两个烧杯上，这是一个简单的热量测量器。

3.实验步骤

①组装仪器：连接计算机、数据收集器和温度传感器。单击进入桌面程序，打开普通模式，每秒设置2次记录频率，连续采集时间。

将传统温度计改为温度传感器，组装中和热实验装置。

②药品取用：用量筒量取50mLNaOH将温度传感器的探针放入溶液中，点击开始记录溶液NaOH当传感器读数稳定后，点击停止保存数据TOH。从温度传感器NaOH取出溶液，用蒸馏水清洗，用吸水纸擦干。

用另一个量筒量500mLHCl将溶液加入小烧杯中，将温度传感器和环形玻璃搅拌棒放入盖板中HCl点击溶液中的开始记录HCl溶液的温度。传感器读数稳定后，停止采集，保存数据TH。计算两种溶液的平均温度T1。

③酸碱混合：首先点击开始，记录溶液的温度变化，然后在量筒中NaOH溶液迅速加入小烧杯，盖上盖板，用环形玻璃搅拌棒上下移动，使溶液反应均匀，观察数据收集器上数据和曲线的变化趋势。当温度读数稳定且不再上升时，单击停止，记录并保存数据T2。

中和反应前反应器HCl溶液温度稳定，加人NaOH溶液后温度迅速升高，约20s时间过后，温度基本不再升高，平台出现曲线，温度再次稳定。

⑤按照上述步骤重复两次实验。

⑥数据处理：输入公式：Q=C*m*T3/n

“T3变化=T2-T1=24.5-21.1=3.(我的实验数据)，代入公式，计算结果，得到Q=56.8KJ/mol”。

这种反应的中和热可以根据计算公式通过三次重复实验找到。教师参考书给出稀薄的HCl与稀NaOH中和热的理论值为(57). 3kJ/mol)，相对误差为0.9%。

4. 实验教学效果

从以上实验可以看出，数字实验收集数据非常方便。同时收集的数据量也很大，显示屏上立即以图表的形式显示，一目了然。

课后与学生交流时，学生们非常兴奋，尤其是男生，表现出极大的热情。虽然这只是一个小小的变化，但它吸引了完全不同的效果。

三、数字实验的优势

1. 数字化实验可以快速连续采集数据、同步显示出连续图像，而这是传统实验无法完成的。通过图像分析和现象总结，学生更容易发现物理量的变化，这可以帮助学生认识和理解实验的本质。中和热测定是学生读取混合溶液最高温度并记录数据的实验。但在实际实验中，温度计的精度不够，温度变化转瞬即逝，难以观察，从实验测定的数据中计算出的中和热值与理论值相差较大。在数字实验中，将传统的温度计改为温度传感器，温度读数可以精确到0.1℃，误差大大降低；以曲线和表格的形式呈现温度变化，方便学生更好、更直观地阅读。

2. 数字实验采用计算机自动控制，系统可以在很短的时间内收集和处理大量数据，利用计算机强大的数据处理和绘图功能，将数据反映成图像，描述瞬时数量的变化过程，实现从传统实验数据点收集到线收集

3. 数字化实验可以克服传统实验仪器的诸多弊端。它利用各种传感器可以测量传统测量工具所不能达到的精度。

四、数字实验需要注意的问题

虽然数字实验在信息技术与实验教学的整合中起着不可替代的作用，但仍需注意以下问题：

1. 数字实验逐渐进入学校课堂，参与课堂教学。在使用过程中，需要一批专业人员进行操作。因此，为了发挥其作用，有必要增加教师培训和学生培训，使其成为促进素质教育、培养学生创新意识和探索精神的有力工具。

2. 传感器的精度不是越高越好。对于初学者来说，主要学习的不是测量的准确性，而是掌握实验操作和数据处理的方法。测量精度过高可能会给初学者的误差分析带来不便。

3. 注意仪器的保护，防止传感器与采集器接触不良，造成测量故障。

4. 不要忽视温度计、酸碱等常规测量工具pH等等。此外，在一些简单的实验中，使用传统的教学仪器更容易完成，但也可以满足实验教学的需要。我们不能避免重量，也不能放弃传统的实验手段来使用新武器。毕竟，我们应该以有利于教学为基本起点。

五、中学化学数字化实验的前景

通过数字实验在中学化学教学中的应用，依托现代先进的教学技术和教学手段，通过动态和静态的结合，向学生展示更生动的知识，使知识更容易掌握，学生对抽象化学概念和原则的理解更加清晰、深刻。在调动学生多感官参与课堂教学的同时，帮助学生获得更多、更快的教学信息，从感到理性认识。同时，方便学生在现实生活中应用成果，解决更多的生活问题，从而调动学生学习化学的积极性，提高学生探索的欲望。

数字实验除了应用于中和热测量教学外，还可以应用于许多定量实验。数字实验教学促进了学生化学水平和综合能力的提高，促进了教师教学能力和专业水平的提高。利用数字实验教学开展化学教学，有利于实现新课程标准，促进新课程改革的进程。

将传感器、计算机等信息技术设备应用于中学化学实验教学是开阔视野、与时俱进的措施，也为科学方法的培养和科学精神的塑造提供了生动的素材。工具的发展是大脑、手和人类文明进步的阶梯。有了飞机，人类可以欣赏天空的高度；有了宇宙飞船，人类可以体验到太空的深度；有了先进的实验手段，学生们将能够取得意想不到的成功。

参考文献

1. 梁荣忠 数字实验在初中物理教学中的应用 教育信息技术 2015.6

2. 吕铎 传达化学思想，感受科技魅力 新课程 2015.4