張玉珍
摘要:利用希沃傳屏技術(shù)和傳感器融合應(yīng)用,將紅磷燃燒實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象與壓強(qiáng)、溫度變化曲線同步對(duì)應(yīng),加深對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的理解。在希沃傳屏功能下,用無線一氧化碳傳感器探究木炭的不完全燃燒實(shí)驗(yàn),并進(jìn)一步配合無線二氧化碳傳感器,探究木炭還原氧化銅的氣體產(chǎn)物,理解反應(yīng)物的量不同產(chǎn)物不同。用分光光度計(jì)探究混合溶液中鈉、鉀元素的焰色反應(yīng),數(shù)據(jù)科學(xué)直觀。通過應(yīng)用,提出數(shù)字化技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用原則和策略。
關(guān)鍵詞:希沃傳屏;傳感器;分光光度計(jì)
文章編號(hào):1008-0546(2022)08-0076-05?? 中圖分類號(hào):G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.016
一、探究紅磷燃燒測(cè)空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)
1.研究背景
本課探究的是滬教版九年級(jí)化學(xué)上冊(cè)第二章第一節(jié)“測(cè)定空氣中氧氣含量”實(shí)驗(yàn)(如圖1所示)。
該實(shí)驗(yàn)是初中化學(xué)第一個(gè)半定量實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)教學(xué)中,學(xué)生學(xué)習(xí)本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有許多障礙點(diǎn):(1)“氣壓”是一個(gè)物理概念,而初三物理氣壓知識(shí)與本節(jié)教學(xué)進(jìn)度基本同步,學(xué)生知識(shí)遷移的能力有限,此時(shí)還很難將氣壓知識(shí)應(yīng)用到化學(xué)實(shí)驗(yàn)中。(2)紅磷燃燒后產(chǎn)物有劇毒,所以只能采用教師演示實(shí)驗(yàn),無法確保全體學(xué)生都能清晰看到實(shí)驗(yàn)過程,效果難以保證。(3)該實(shí)驗(yàn)中的氣壓變化同時(shí)受到氣體量的變化和溫度兩個(gè)因素的影響,多因素的同時(shí)干擾下,學(xué)生很難理解教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理及操作要求,如:實(shí)驗(yàn)前為什么要夾緊彈簧夾?點(diǎn)然紅磷后為什么要迅速伸入?
對(duì)于氣壓變化無現(xiàn)象的問題,應(yīng)用數(shù)字傳感器是非常合適的。在教學(xué)中,根據(jù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的功能特點(diǎn),兩次以不同形式使用DIS技術(shù)。
2.教學(xué)過程
(1)課的引入
在課的開始,為了讓學(xué)生感知?dú)鈮旱拇嬖诤蜌鈮鹤兓挠绊懸蛩?。筆者設(shè)計(jì)了“抽、注空氣實(shí)驗(yàn)”(如圖2所示),用注射器抽取或注入空氣的方式,來改變裝置內(nèi)氣體的量,從而改變壓強(qiáng)。借助壓強(qiáng)傳感器采集數(shù)據(jù),從而得出密閉裝置內(nèi)氣體的量與氣壓之間的變化關(guān)系。
(2)新知學(xué)習(xí)
筆者在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置上連接了壓強(qiáng)傳感器和溫度傳感器(見圖3)。數(shù)據(jù)顯示采用曲線圖和數(shù)值同時(shí)呈現(xiàn)的圖像模式。對(duì)比分析壓強(qiáng)、溫度兩條曲線,幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的過程,進(jìn)而更好地理解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路。
考慮到初三學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)時(shí)間較短,如果完全用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn),跳躍太大,不利于化學(xué)思維的形成。此外,在教師演示實(shí)驗(yàn)的過程中,學(xué)生不知道該觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象還是觀察數(shù)據(jù)變化,最理想的情況是,實(shí)驗(yàn)中每一步操作與現(xiàn)象以及傳感器數(shù)據(jù)都能一一對(duì)應(yīng)地一步步出現(xiàn)。因此,筆者采用了多屏互動(dòng)技術(shù),讓傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)完美結(jié)合。
筆者借助希沃傳屏(見圖4)的分割屏原理,在教室白板上安裝希沃傳屏發(fā)送端 app,在智能手機(jī)和筆記本電腦上分別安裝了希沃傳屏接收端app。打開手機(jī)攝像頭,將演示實(shí)驗(yàn)的畫面,超清、放大同屏到希沃白板上,解決了學(xué)生看不清楚演示實(shí)驗(yàn)裝置的問題。再將筆記本電腦也通過傳屏 app,將傳感器的圖像分析界面也連接到希沃白板,此時(shí)一塊希沃白板被分割成兩個(gè)并列的動(dòng)態(tài)畫面(見圖5)。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中教師每一步操作帶來的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的宏觀現(xiàn)象如燃燒、水倒流,所引起的溫度、壓強(qiáng)的曲線變化同步在白板上呈現(xiàn),一目了然,突破思維屏障。
二、無線一氧化碳、二氧化碳傳感器探究碳的化學(xué)性質(zhì)
1.碳的不完全燃燒實(shí)驗(yàn)
(1)研究背景
在學(xué)習(xí)滬教版九年級(jí)化學(xué)第四章第一節(jié)“碳”中碳的可燃性時(shí),學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了木炭在氧氣中燃燒,對(duì)于木炭的不完全燃燒,傳統(tǒng)課上較多的是以“燒炭中毒”為例直接解釋中毒原因,這樣往往讓學(xué)生對(duì)化學(xué)的認(rèn)知較為負(fù)面。隨著時(shí)代的進(jìn)步,我們可以提供更新的探索思路。如圖6所示,在三口瓶的一端用鐵絲綁住燃著的木炭,中間一個(gè)口徑連接一氧化碳無線傳感器、另一端用醫(yī)用橡膠塞密封,在檢測(cè)出 CO后,用注射器注入水澆滅木炭,全程密閉,防止污染環(huán)境。
(2)教學(xué)片段
【教師】出示木炭在氧氣中燃燒的實(shí)驗(yàn)照片,請(qǐng)學(xué)生回顧該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和化學(xué)方程式。
【學(xué)生】思考作答
【教師】如果讓木炭在同樣一瓶空氣中燃燒,產(chǎn)物又會(huì)是什么呢?如何證明?
【學(xué)生】產(chǎn)物可能是二氧化碳,也可能是一氧化碳,二氧化碳可以用澄清石灰水檢驗(yàn)。
【教師】一氧化碳的檢驗(yàn)可以借助新的檢測(cè)手段——一氧化碳傳感器,它能直接讀出氣體中一氧化碳的含量。那么現(xiàn)在我們打開一氧化碳傳感器,可以讀出實(shí)驗(yàn)前裝置內(nèi)的一氧化碳含量為0,接下來,我們將木炭用鐵絲綁住在酒精燈火焰上點(diǎn)燃,并快速伸入平底三口燒瓶中,請(qǐng)大家觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和屏幕上的傳感器數(shù)據(jù)變化(教師通過傳屏將實(shí)驗(yàn)畫面和傳感器數(shù)據(jù)同時(shí)傳至教室白板)。
【學(xué)生】通過觀察白板上實(shí)驗(yàn)畫面和傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)變化,得出結(jié)論。
一氧化碳傳感器的使用,一方面讓學(xué)生第一次切實(shí)“看到”CO就在身邊產(chǎn)生,能夠更加注重實(shí)驗(yàn)安全,提升環(huán)保意識(shí)。另一方面也讓學(xué)生初步理解反應(yīng)物的量不同可能導(dǎo)致產(chǎn)物不同,為碳與氧化銅反應(yīng)的學(xué)習(xí)做鋪墊。
2.木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)
(1)研究背景
“木炭還原氧化銅”實(shí)驗(yàn)是九年級(jí)化學(xué)教學(xué)中一個(gè)重要的演示實(shí)驗(yàn),該反應(yīng)是否產(chǎn)生一氧化碳是常見的課堂生成問題。學(xué)生在學(xué)習(xí)本實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)學(xué)習(xí)了質(zhì)量守恒定律,能夠根據(jù)質(zhì)量守恒定律猜測(cè)反應(yīng)的氣體產(chǎn)物可能有三種情況:①只有一氧化碳;②只有二氧化碳;③既有一氧化碳又有二氧化碳。傳統(tǒng)教學(xué)中,教師從化學(xué)方程式配平角度引導(dǎo)學(xué)生從理論上得出當(dāng)氧化銅與木炭的物質(zhì)的量之比為2∶1時(shí),氣體產(chǎn)物只有二氧化碳。
近年來,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究碳還原氧化銅反應(yīng)后產(chǎn)物的氣體成分已成為熱點(diǎn)。而由于前期學(xué)生并沒有完全理解該反應(yīng)氣體產(chǎn)物的情況,依照教材裝置圖(見圖7)以及對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,學(xué)生難以理解為什么會(huì)有一氧化碳產(chǎn)生、為什么大試管中固體減少的質(zhì)量與澄清石灰水中增加的質(zhì)量不一定相等。這部分知識(shí)往往成為學(xué)生遺留的難點(diǎn)。
為了滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,在學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行充分探究和足夠的認(rèn)識(shí)后,筆者保留教材實(shí)驗(yàn)的發(fā)生裝置,將產(chǎn)生的氣體導(dǎo)入平底三頸燒瓶,并分別連接一氧化碳和二氧化碳傳感器,檢測(cè)是否有一氧化碳和二氧化碳產(chǎn)生(見圖8)。
(3)教學(xué)片段
【教師】3000多年前我國古代銅匠以孔雀石為原料煉銅,加猛火長灸,孔雀石先被分解為氧化銅,繼而氧化銅與木炭反應(yīng),被還原為金屬銅,最終化為灼銅水,再做成各種各樣的器物、兵器。從這段資料中可以看出,生成銅的一步反應(yīng),反應(yīng)的藥品、反應(yīng)的條件分別是什么?除了銅,該反應(yīng)可能還生成什么?
【學(xué)生】木炭與氧化銅在高溫條件下反應(yīng)生成銅,可能還生成二氧化碳或者一氧化碳。
【教師】從環(huán)保的角度,同學(xué)們更希望氣體產(chǎn)物生成的是二氧化碳還是一氧化碳呢?
【學(xué)生】更希望產(chǎn)生的是二氧化碳。
【教師】如何避免產(chǎn)生一氧化碳?
【學(xué)生】增加氧化銅的含量。
【教師】請(qǐng)同學(xué)們首先嘗試配平生成二氧化碳的反應(yīng),你發(fā)現(xiàn)了什么?
【學(xué)生】通過配平從理論上發(fā)現(xiàn),當(dāng)氧化銅與木炭物質(zhì)的量之比等于2∶1時(shí)產(chǎn)生的是二氧化碳。
【教師】請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)猜測(cè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置,并檢驗(yàn)產(chǎn)物。
【師生】討論交流實(shí)驗(yàn)方案后按照教材實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
【教師】該實(shí)驗(yàn)到底會(huì)不會(huì)產(chǎn)生一氧化碳,還需要更精確的實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)如果氧化銅的量減少是不是也像我們猜測(cè)的那樣會(huì)產(chǎn)生一氧化碳呢?
【教師】出示圖8所示的實(shí)驗(yàn)裝置,按照生成 CO2和CO 的化學(xué)方程式分別進(jìn)行了氧化銅與木炭物質(zhì)的量之比為2∶1、1.5∶1、1∶1三組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9所示。
通過CO2和CO 曲線高度差的明顯沖擊,讓學(xué)生清楚地認(rèn)識(shí)到,該實(shí)驗(yàn)主要的反應(yīng)是生成二氧化碳的反應(yīng),隨著CuO比例增多,CO生成量越來越少。在學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行充分探究和足夠的認(rèn)識(shí)后,將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為補(bǔ)充實(shí)驗(yàn),增強(qiáng)對(duì)原教材實(shí)驗(yàn)的理解,提升學(xué)生思維能力和分析探究能力。
三、應(yīng)用分光光度計(jì)改進(jìn)焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)
1.研究背景
焰色反應(yīng)是滬教版九年級(jí)化學(xué)教材實(shí)驗(yàn),傳統(tǒng)的焰色反應(yīng)在實(shí)際操作中因鉑絲蘸取溶液量太少,燃燒火焰持續(xù)時(shí)間短,觀察現(xiàn)象不太明顯,尤其是鉀元素的紫色火焰,即使透過藍(lán)色鈷玻璃,學(xué)生觀察到明顯紫色依舊十分困難,影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性。
基于上述問題,在教學(xué)中,可使用無線分光光度計(jì)設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示。
用噴霧器將待測(cè)液體連續(xù)噴灑至火焰上方,通過光纖采集火焰的光信號(hào),轉(zhuǎn)化成電信號(hào)被光纖連接的分光光度計(jì)在特定波長處檢測(cè)光波強(qiáng)度,即可檢測(cè)溶液中某些金屬元素的存在情況。對(duì)于混合金屬鹽溶液的檢驗(yàn),由于各自的特征波長不同,相互之間不受影響。
2.教學(xué)片段
【教師】剛才我們通過用鉑絲蘸取待測(cè)液檢測(cè)氯化鉀溶液,觀察到紫色火焰不明顯,今天我們還可以使用一種數(shù)字化手段——火焰分光光度計(jì)法,進(jìn)行檢測(cè)。我們先來看一下單獨(dú)的氯化鈉溶液、氯化鉀溶液噴灑在火焰上,分光光度計(jì)中會(huì)出現(xiàn)什么樣的結(jié)果呢?
【學(xué)生】觀察火焰顏色和曲線圖譜(見圖11)
【教師】從實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn),如果溶液中含鉀元素,則會(huì)在770 nm左右出現(xiàn)一個(gè)波峰,若含鈉元素,則會(huì)在588 nm左右出現(xiàn)一個(gè)鈉元素的波峰。那么現(xiàn)在有一瓶硝酸鉀溶液,可能混有氯化鈉溶液,我們?cè)撊绾螜z驗(yàn)?zāi)兀?/p>
【學(xué)生】觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖12)
【教師】通過分光光度計(jì)進(jìn)行焰色反應(yīng),不僅可以判斷溶液中鈉、鉀元素的含量高低,還可以用到混合溶液的分離提純中,例如上述溶液,我們發(fā)現(xiàn)硝酸鉀含量更多,可以采用降溫結(jié)晶的方式進(jìn)行提純。
四、教學(xué)反思
1.數(shù)字化技術(shù)在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用原則
(1)適切性原則
教師在熟練掌握初中化學(xué)教學(xué)基本要求的前提下,對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行充分準(zhǔn)確的分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn),考慮技術(shù)的融合使用是否可以提供沒有使用該項(xiàng)技術(shù)就很難實(shí)現(xiàn)的效果,例如:節(jié)約上課時(shí)間、觀察到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法觀察到的現(xiàn)象或者數(shù)據(jù)、能夠構(gòu)建實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)規(guī)律之間的關(guān)聯(lián)等。
(2)適時(shí)性原則
數(shù)字化技術(shù)通常作為一種教學(xué)的輔助手段,出現(xiàn)在某種特定用途,如:激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、突破某個(gè)重點(diǎn)、難點(diǎn),對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充,以便拓寬學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究思維等。因此,只有在合適的時(shí)間采用數(shù)字化技術(shù),才能發(fā)揮二者融合的優(yōu)勢(shì),促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。
(3)適度性原則
數(shù)字化技術(shù)的使用不是為了吸引眼球,也不是多多益善,而是為了更好地服務(wù)學(xué)生,服務(wù)教學(xué)。教師必須根據(jù)教學(xué)的需要將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相融合,統(tǒng)籌安排,適度使用,才能達(dá)到錦上添花的效果。
2.數(shù)字化技術(shù)在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用策略
(1)突破教學(xué)難點(diǎn)
化學(xué)教學(xué)中有很多待突破的難點(diǎn),尤其是在促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知上。實(shí)踐證明用傳統(tǒng)的方法已很難突破,而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是一種新的技術(shù)手段,教師可以嘗試用其在這些經(jīng)典的難關(guān)上整合、創(chuàng)新。
(2)加強(qiáng)學(xué)生活動(dòng)
通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境,讓學(xué)生在一定的目標(biāo)指引下開展有針對(duì)性的實(shí)踐活動(dòng),在技術(shù)的支持下,通過操作、觀察等行為獲得直觀體驗(yàn),將動(dòng)手和動(dòng)腦緊密結(jié)合、互相促進(jìn)。例如:活性炭是家用除甲醛、冰箱除臭劑以及凈水器中常用的有效物質(zhì)。學(xué)生在學(xué)習(xí)了活性炭具有吸附性后,教師為學(xué)生提供過濾柱和分光光度計(jì),學(xué)生查閱資料學(xué)習(xí)儀器功能和使用方法,開展課后探究活動(dòng),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),探究市面上不同顆粒大小的活性炭對(duì)紅墨水的吸附作用。
(3)挖掘儀器功能
從各種數(shù)字化實(shí)驗(yàn)軟硬件的功能及應(yīng)用開始研究,尋找與教學(xué)需求的結(jié)合點(diǎn),也是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究的重要切入點(diǎn)。隨著全球信息技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)字化設(shè)備呈現(xiàn)出由單一功能向多功能、從有線到無線,操作簡(jiǎn)潔、便攜性、可移動(dòng)性逐漸增強(qiáng),使學(xué)生的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)活動(dòng)更加普及、靈活,便于教師可以設(shè)計(jì)更多生活化的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)
[1]陳瓊.對(duì)木炭還原氧化銅氣體產(chǎn)物成分探究下的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備,2020,30(5):40-41.
[2]項(xiàng)佳敏,錢華,馬宏佳,陳凱.信息技術(shù)與化學(xué)學(xué)科教學(xué)深度融合的案例研究——以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為例[J].化學(xué)教學(xué),2020(9):21-27.
[3]裴傳友,馬善恒,楊芹.中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展與應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué),2020(2):56-60.
[4]劉珊,吳良根,王偉群.數(shù)字化傳感技術(shù)在初中化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的調(diào)查研究——以蘇州市為例[J].化學(xué)教與學(xué),2020(6):83-86.
[5]王立新,錢揚(yáng)義,蘇華虹,陳博殷,梁宏宇.手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與化學(xué)教學(xué)的深度融合:從“研究案例”到“認(rèn)知模型”——TQVC概念認(rèn)知模型的建構(gòu)[J].遠(yuǎn)程教育雜志,2018,36(4):104-112.
[6]徐睿.中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的新趨勢(shì)[J].化學(xué)教學(xué),2020(9):31-36.