一、手持技術(shù)的應(yīng)用有助于發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理素養(yǎng)

證據(jù)推理是一種高階思維能力，是學(xué)生必須掌握的思維方法，尤其是化學(xué)學(xué)科?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020 年修訂）》對(duì)證據(jù)推理闡釋為：具有證據(jù)意識(shí)，能基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過(guò)分析推理加以證實(shí)或證偽;建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系;知道可以通過(guò)分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系^[1]。證據(jù)推理的起點(diǎn)是證據(jù)，終點(diǎn)是結(jié)論，推理是達(dá)到目的的合理方式。證據(jù)包括圖像、圖表、數(shù)據(jù)、文本信息和已有經(jīng)驗(yàn)（知識(shí)、原理和規(guī)律）。獲取證據(jù)最為有效途徑是實(shí)驗(yàn)。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中占有十分重要的地位。物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí)、化學(xué)概念的形成、科學(xué)理論的理解都依賴于實(shí)驗(yàn)獲得的感性知識(shí)。這些化學(xué)內(nèi)容大多可以設(shè)計(jì)成實(shí)驗(yàn)用于教學(xué)。任何實(shí)驗(yàn)皆包含兩個(gè)要素：可操作的實(shí)驗(yàn)對(duì)象和可觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)變量。實(shí)驗(yàn)變量包括濃度、溫度、壓強(qiáng)、熱量等。用傳統(tǒng)方法操作化學(xué)實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)變量，經(jīng)常遇到以下問(wèn)題：一是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不同學(xué)生對(duì)氣體出現(xiàn)、顏色或渾濁度等變化的敏感程度不同，導(dǎo)致獲得的實(shí)驗(yàn)證據(jù)出現(xiàn)偏差，得出的圖表數(shù)據(jù)可靠性不足;二是學(xué)生通常可以觀察到比較明顯的宏觀現(xiàn)象，但過(guò)程中變量是實(shí)時(shí)變化的，用肉眼無(wú)法觀察^[2]。手持技術(shù)的使用很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。手持技術(shù)具有定量化和可視化的特點(diǎn)，傳感器等相關(guān)儀器支持不同變量的觀測(cè)，如溫度傳感器、pH傳感器、壓力傳感器、電導(dǎo)率傳感器、色度傳感器，還有用于觀測(cè)特定物質(zhì)的專用裝備，如二氧化碳傳感器、二氧化硫傳感器、氧氣傳感器等。這些傳感器在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中廣泛使用為師生取得可靠、理性、過(guò)程化的實(shí)驗(yàn)證據(jù)提供了保障。

二、手持技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)融合的探索

（一）手持技術(shù)的有效選擇

傳感器種類繁多，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如何選擇有效傳感器是首要問(wèn)題。教師需要依據(jù)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理合理選擇。有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，觀測(cè)誤差不大，或者實(shí)驗(yàn)過(guò)快或過(guò)慢、干擾因素過(guò)多等都無(wú)法發(fā)揮手持技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。如何研究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素？可操作的化學(xué)實(shí)驗(yàn)很多，但支持學(xué)生觀察的并不多。例如，NaOH與HCl的中和反應(yīng)、鐵釘?shù)匿P蝕，學(xué)生就難以觀察化學(xué)反應(yīng)速率的快慢。

人教版必修第二冊(cè)教材之所以選擇使用HO分解、鹽酸與大理石反應(yīng)，且在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中選擇NaSO與HSO反應(yīng)作為化學(xué)反應(yīng)速率的研究對(duì)象，正是由于反應(yīng)本身具有對(duì)反應(yīng)條件的要求較低、反應(yīng)速率適中、現(xiàn)象比較容易觀察、干擾因素較少等特點(diǎn)。如何選擇傳感器？需要對(duì)化學(xué)反應(yīng)本身進(jìn)行深入分析。

2HO=2HO+O↑反應(yīng)過(guò)程中，物質(zhì)變化為O生成和HO減少，能量變化為溫度升高。其中，可觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)變量是單位時(shí)間內(nèi)觀察氣泡產(chǎn)生的多少和溫度的升高。常規(guī)觀察氣泡時(shí)受人為因素影響，尤其差異不大的時(shí)候，誤差較大。此外，不同人對(duì)溫度的敏感程度不同。依據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)，教師可以選用氧氣傳感器和溫度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)。

NaSO+HSO=NaSO + SO↑+S↓+ HO反應(yīng)過(guò)程中，物質(zhì)的變化有SO^2-和H⁺的減少，生成SO和S，其中，S是以渾濁物的狀態(tài)出現(xiàn)。能量的變化并不明顯。由于相同時(shí)間內(nèi)溶液渾濁的觀察也不易準(zhǔn)確，依據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)，教師可以選擇pH傳感器、SO傳感器和色度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)。

（二）手持技術(shù)的有效使用

依據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)選擇傳感器，并不意味一定可以得到有效的證據(jù)。實(shí)驗(yàn)者需要分析如何利用傳感器得到有效的數(shù)據(jù)。

HO分解反應(yīng)過(guò)程中放熱較多，據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)算，0.6%HO溶液（以MnO為催化劑）20 s時(shí)溫度可由24.5 ℃上升到48.6 ℃。若以此反應(yīng)來(lái)探究濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，由于同時(shí)有溫度與濃度的變化，得到的證據(jù)無(wú)法有效用于推理。探究濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響時(shí)，選用氧氣傳感器比溫度傳感器得到的數(shù)據(jù)更具有說(shuō)服力。

NaSO與HSO反應(yīng)過(guò)程中有SO生成，從理論上講可以使用SO傳感器進(jìn)行測(cè)定，但由于SO具有溶解性，如照此實(shí)驗(yàn)幾乎看不到有氣體冒出，也得不到有效數(shù)據(jù)。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，HSO中（H⁺）減小。理論上講可以用pH傳感器測(cè)量反應(yīng)過(guò)程中（H⁺）的變化，但因反應(yīng)有SO溶在水中，有H⁺電離出來(lái)，故（H⁺）變化不唯一，得到的數(shù)據(jù)也不是有效的。選用色度計(jì)做實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果更準(zhǔn)確。

（三）手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效推理

其一，應(yīng)用氧氣傳感器探究催化劑對(duì)2HO=2HO+O↑反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)操作及結(jié)果如下（見(jiàn)表1）。

將數(shù)據(jù)采集器與3個(gè)氧氣傳感器相連，并與電腦連接，開(kāi)啟DISLab 8.0軟件。利用單機(jī)生成“組合曲線”，添加3條“氧氣的百分含量—時(shí)間”曲線。取編號(hào)為1、2、3的3只500 mL的三頸燒瓶（一口連接氣球，另一口連接裝有3 mL 5%HO溶液的5 mL注射器），不加或加入催化劑，連接氧氣傳感器后同時(shí)注入3 mL 5%HO溶液，觀察體系中氧氣濃度的變化情況。待氧氣的濃度不再變化，停止采集數(shù)據(jù)，保存曲線圖像。

圖1中藍(lán)線為沒(méi)有加入催化劑時(shí)體系中氧氣濃度隨著時(shí)間的變化曲線，紅線為加入少量MnO固體作催化劑時(shí)體系中氧氣的濃度隨著時(shí)間的變化曲線，綠線為加入3滴飽和氯化鐵溶液作催化劑后體系中氧氣的濃度隨著時(shí)間的變化曲線。由圖1可以看出，實(shí)驗(yàn)2中曲線最早出現(xiàn)拐點(diǎn)且曲線的斜率最大，實(shí)驗(yàn)3曲線次之，實(shí)驗(yàn)1中曲線幾乎沒(méi)有變化。

對(duì)比上述實(shí)驗(yàn)證據(jù)可進(jìn)行如下推理：在其他條件相同時(shí)，使用催化劑可以改變HO分解的反應(yīng)速率。MnO固體和氯化鐵溶液均對(duì)HO溶液分解有催化作用且催化效率不同。

其二，應(yīng)用溫度傳感器探究催化劑對(duì) HO溶液分解速率的影響，實(shí)驗(yàn)操作如下（見(jiàn)表2）。

圖2中紅線為沒(méi)有加入催化劑時(shí)溶液溫度隨著時(shí)間的變化曲線，藍(lán)線為加入少量MnO固體作催化劑時(shí)溶液溫度隨著時(shí)間的變化曲線，綠線為加入3滴飽和氯化鐵溶液作催化劑時(shí)溶液溫度隨著時(shí)間的變化曲線。由圖2可以看出，實(shí)驗(yàn)5中曲線最早出現(xiàn)拐點(diǎn)且曲線的斜率最大，實(shí)驗(yàn)6曲線次之，實(shí)驗(yàn)4中曲線幾乎沒(méi)有變化。對(duì)比實(shí)驗(yàn)4、5和實(shí)驗(yàn)4、6可知：在其他條件相同時(shí)，使用催化劑可以改變HO分解的反應(yīng)速率。MnO固體和氯化鐵溶液均對(duì)HO溶液分解有催化作用且效率不同。

無(wú)論是使用氧氣傳感器還是溫度傳感器，探究催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響時(shí)，最終得出的結(jié)論是一致的。

其三，應(yīng)用濁度傳感器探究濃度對(duì)NaSO與HSO反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)操作如下（見(jiàn)表3）。

在常溫下，改變NaSO溶液或HSO溶液濃度后的反應(yīng)變化曲線如圖3所示。藍(lán)線為2 mL 0.1 mol/L NaSO溶液與2 mL 0.1 mol/L HSO溶液反應(yīng)過(guò)程中溶液濁度的變化曲線（實(shí)驗(yàn)7），綠線為2 mL 0.1 mol/L NaSO溶液與2 mL 0.05 mol/L HSO溶液反應(yīng)過(guò)程中溶液濁度的變化曲線（實(shí)驗(yàn)9），紅線為2 mL 0.05 mol/L NaSO溶液與2 mL 0.1 mol/L HSO溶液反應(yīng)過(guò)程中溶液濁度的變化曲線（實(shí)驗(yàn)8）。從圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)7曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間最早，曲線斜率最大，其次是實(shí)驗(yàn)9，最后是實(shí)驗(yàn)8。

對(duì)比上述實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間以及曲線斜率可進(jìn)行如下推理：在其他條件相同時(shí)， NaSO溶液濃度越大，該反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率越大;對(duì)比實(shí)驗(yàn)7、9出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間以及曲線的斜率可以看出：在其他條件相同時(shí)，HSO溶液的濃度越大，該反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率越大。說(shuō)明：3條曲線達(dá)到的最大值是傳感器能檢測(cè)到的最大值，由于傳感器靈敏度不同，最大值略有不同。

其四，應(yīng)用濁度傳感器探究溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，實(shí)驗(yàn)操作如下（見(jiàn)表4）。

將數(shù)據(jù)采集器與3個(gè)濁度傳感器相連，并與電腦連接，開(kāi)啟DISLab 8.0軟件。利用單機(jī)“組合曲線”，添加3條“濁度—時(shí)間”曲線并調(diào)零。待3個(gè)比色皿中溶液濁度均達(dá)到檢測(cè)的最大值且數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，停止采集數(shù)據(jù)，保存曲線圖像。

在不同溫度下，2 mL 0.1 mol/L NaSO溶液與2 mL 0.1 mol/L HSO溶液反應(yīng)變化曲線如圖4所示。藍(lán)線為常溫下2 mL 0.1 mol/L NaSO溶液與2 mL 0.1 mol/L HSO溶液反應(yīng)過(guò)程中溶液濁度的變化曲線（實(shí)驗(yàn)11），綠線為熱水加熱后2 mL0.1 mol/L NaSO溶液與2 mL 0.1 mol/L HSO溶液反應(yīng)過(guò)程中溶液濁度的變化曲線（實(shí)驗(yàn)12），紅線為冰水冷卻后2 mL 0.1 mol/L NaSO溶液與2 mL 0.1 mol/L HSO溶液反應(yīng)過(guò)程中溶液濁度的變化曲線（實(shí)驗(yàn)10）。從圖4可以看出，實(shí)驗(yàn)12曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間最早，曲線斜率最大，其次是實(shí)驗(yàn)11，最后是實(shí)驗(yàn)10。對(duì)比實(shí)驗(yàn)10、11、12出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間及曲線的斜率可以看出：在其他條件相同時(shí)，溫度越高，反應(yīng)速率越大。說(shuō)明：3條曲線達(dá)到的最大值是傳感器能檢測(cè)到的最大值，由于傳感器靈敏度不同，所以最大值略有不同。

利用濁度傳感器探究濃度、溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響得到了合理的結(jié)論。學(xué)生利用手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法有了更深刻的理解，得到了比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在合理推理的過(guò)程中理解了化學(xué)知識(shí)，提升了證據(jù)推理素養(yǎng)水平。

此外，教師應(yīng)用手持技術(shù)分析速率曲線還可以引申出很多值得深入探討的問(wèn)題，給學(xué)生更大的思維拓展空間。但必修階段，不宜拓展太多。筆者在教學(xué)中未做過(guò)深分析，所得實(shí)驗(yàn)證據(jù)留待選修階段繼續(xù)探究。

三、總結(jié)

宋心琦教授曾說(shuō)，“由眼見(jiàn)為實(shí)獲得的信息可能并不是實(shí)驗(yàn)對(duì)象所提供的全部。數(shù)字化教學(xué)手段的引入將是課程改革發(fā)展的趨勢(shì)之一”。手持技術(shù)具有定量化、可視化的優(yōu)勢(shì)，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大有可為。課后筆者對(duì)學(xué)生進(jìn)行訪談，結(jié)果表明學(xué)生獲得的不光是實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，還有科學(xué)、定量的認(rèn)識(shí)方法。手持技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)深度融合不僅可以促進(jìn)學(xué)生證據(jù)意識(shí)和推理水平，而且可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，使微觀本質(zhì)宏觀化。這種融合在今后的教學(xué)中會(huì)越來(lái)越受重視。

參考文獻(xiàn)

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（作者系北京市順義區(qū)教育研究與教師研修中心教研員）

責(zé)任編輯：祝元志