初中化学数字化实验

1 初 中 化 学 数 字 化 实 验 2 n数 字 化 化 学 实 验 室 主 要 包 括 实 验 室 、 手 持 技 术 仪 器 ( 如 数据 采 集 器 与 各 类 传 感 器 ) 、 常 规实 验 仪 器 和 计 算 机 等 3 4 一 、 手 持 技 术 的 概 念 与 原 理二 、 手 持 技 术 的 特 点三 、 手 持 技 术 使 用 方 法 介 绍四 、 手 持 技 术 在 初 中 化 学 实 验 教 学中 的 应 用 示 例 5 一 、 手 持 技 术 的 概 念 与 原 理n 手 持 技 术 (Held Technology)顾 名 思 义 ，在 掌 上 就 可 以 操 作 的 技 术 ， 因 而 又 称“ 掌 上 技 术 ” ， 是 一 种 常 用 的 传 感 器 技术 它 是 由 数 据 采 集 器 、 传 感 器 和 配 套的 软 件 组 成 的 、 定 量 采 集 各 种 常 见 数 据并 能 与 计 算 机 连 接 的 实 验 技 术 系 统 ， 由于 其 体 积 较 小 ， 在 手 掌 上 就 可 以 操 作 ，采 集 多 种 数 据 ， 故 形 象 地 称 为 手 持 技 术仪 器 。

6 n 它 的 工 作 原 理 如 图 所 示 ， 利 用 传 感 器 把 从外 部 感 应 到 的 物 理 量 通 过 电 信 号 的 形 式 传输 到 数 据 采 集 器 ,数 据 采 集 器 将 信 号 规 范 整合 后 传 送 到 数 据 处 理 系 统 进 行 实 时 分 析 、统 计 、 拟 合 等 处 理 7 n 传 感 器 (探 头 )可 根 据 需 要 测 定 的 参 数 ( 如温 度 、 湿 度 、 光 强 、 pH值 、 溶 解 氧 浓 度 、电 导 率 、 气 压 、 电 流 、 电 压 等 ) 而 自 行 选择n 数 据 采 集 器 主 要 用 于 采 集 并 储 存 实 验 数据 8 n将 计 算 机 与 手 持 技 术 仪 器 联 用 时 , 传 感器 可 以 精 确 地 测 量 与 传 递 实 验 中 所 测 定的 各 种 实 验 参 数 ， 所 得 实 验 数 据 将 通 过数 据 采 集 器 传 到 计 算 机 中 , 计 算 机 经 由配 套 软 件 将 数 据 以 表 格 和 图 像 的 形 式 呈现 , 并 进 行 分 析 处 理 9 n例 如 将 温 度 传 感 器 与 pH 传 感 器 置 于 盛有 少 量 水 的 烧 杯 中 , 随 着 固 体 氢 氧 化 钠固 体 的 加 入 , 计 算 机 屏 幕 上 将 分 别 出 现两 条 逐 渐 上 升 的 实 验 曲 线 , 并 且 在 表 格中 实 时 显 示 温 度 与 pH 值 的 变 化 数 据 。

可 见 , 利 用 基 于 计 算 机 的 化 学 实 验 , 能使 传 统 教 学 中 的 定 性 实 验 得 以 量 化 验 证 10 n 手 持 技 术 可 以 广 泛 应 用 于 理 科 实 验 中 ， 可 以方 便 而 迅 速 地 收 集 各 类 物 理 、 化 学 、 生 物 、环 境 等 数 据 ， 如 位 移 、 速 度 、 温 度 、 声 音 、光 、 电 、 力 、 pH值 、 以 及 Ca2 + 、 NO3- 、NH4 + 、 Cl- 的 浓 度 、 相 对 湿 度 、 心 电 图 等 n 是 一 套 先 进 的 便 携 式 数 据 采 集 系 统 ， 可 以 利用 它 对 许 多 自 然 现 象 和 科 学 实 验 进 行 探 究 性学 习 同 时 , 这 些 仪 器 的 轻 巧 与 便 携 还 为 学生 进 行 户 外 探 究 提 供 了 可 能 11 （ 一 ） 数 据 采 集 器 介 绍n 数 据 采 集 器 是 一 个 数 据 采 集 与 数 据 分 析 功能 的 综 合 理 科 实 验 系 统 n 它 把 实 验 过 程 中 的 物 理 信 号 转 变 为 数 字 信号 输 出 ， 全 程 跟 踪 实 验 过 程 中 的 数 据 变 化并 以 多 种 形 式 显 示 实 验 结 果 。

12 液 晶 显 示 屏端 口 4端 口 3端 口 2端 口 1外 接 传 感 器 连接 端 口计 算 机 连 线端 口AC/DC电 源 插座 接 口“ 开 机 ” 、“ 关 机 ” 按 钮 “ 前 进 ” 、“ 后 退 ” 按钮 “ 退 出 ” 按钮“ 执 行 ” 按钮 13 n能 与 计 算 机 连 接 ， 完 成 各 种 后 期 处 理的 实 验 技 术 系 统 将 手 持 技 术 与 网 络技 术 整 合 构 成 的 现 代 科 学 实 验 室 成 为“ 掌 上 实 验 室 ” 14 （ 二 ） 传 感 器 介 绍n传 感 器 ： 能 感 受 规 定 的 被 测 量 并 按 照 一 定 的规 律 转 换 成 可 用 输 出 信 号 的 器 件 或 装 置 或 传 感 器 是 一 种 能 把 物 理 量 或 化 学 量 转变 成 便 于 利 用 的 电 信 号 的 器 件 15 工 作 原 理 ： 放 大 变 换 输 出信 号 处 理信 号 检 出 器被 测 信 号 信 号 检 测测 量 环 境 16 n 在 中 学 化 学 实 验 教 学 中 常 用 的 传 感 器 有 以下 一 些 传 感 器 。

n (1)温 度 传 感 器 时 间 (秒 )40 60 80 100 12018192021222324252627数 字 温 度 计 17 n (2)电 导 率 传 感 器电 导 率 计 18 n （ 4） 压 力 传 感 器 19 n （ 5） 电 压 、 电 流 传 感 器 20 n （ 6） CO2传 感 器 21 n （ 7） 溶 解 氧 传 感 器 22 n （ 8） 离 子 传 感 器 23 n （ 9） 色 度 传 感 器 24 传 感 器 的 选 择 依 据 n 生 成 气 体 的 反 应 可 以 用 压 强 传 感 器 测 定 单位 时 间 内 压 强 的 变 化n 生 成 有 色 物 质 的 反 应 可 以 用 色 度 传 感 器 测定 单 位 时 间 内 色 度 的 变 化n 逐 渐 生 成 有 色 物 质 （ 或 沉 淀 ） 可 以 用 光强 传 感 器 测 定 单 位 时 间 内 光 强 的 变 化 25 n伴 随 明 显 的 热 效 应 可 以 用 温 度 传 感器 测 定 单 位 时 间 内 温 度 的 变 化n溶 液 中 离 子 浓 度 或 种 类 的 改 变 可 以用 电 导 率 、 或 离 子 传 感 器 测 定 单 位 时间 内 电 导 率 （ 或 离 子 ） 的 变 化 26 （ 三 ） 系 统 软 件 介 绍n 实 验 数 据 处 理 程 序 ： 利 用 计 算 机 强 大 的 运 算 和数 据 处 理 功 能 ， 能 更 好 地 把 握 实 验 的 动 态 以 及对 实 验 结 果 进 行 分 析 、 推 测 ， 同 时 还 可 以 通 过接 口 软 件 对 掌 上 技 术 的 硬 件 进 行 更 加 精 确 的 操作 。

n 实 时 录 像 系 统 ： 将 摄 像 头 与 计 算 机 连 接 ， 可 实时 地 记 录 实 验 现 象 、 将 数 据 曲 线 与 实 验 现 象 同时 呈 现 在 计 算 机 上 ， 且 记 录 的 数 据 和 拍 摄 的 录像 都 可 以 保 存 在 计 算 机 中 ， 可 以 随 时 播 放 ， 再现 实 验 过 程 27 二 、 手 持 技 术 的 特 点n 便 携 ： 数 据 采 集 器 和 传 感 器 都 较 小 ,实 验 时在 手 掌 上 就 可 以 操 作 ， 可 随 时 随 地 地 进 行定 量 实 验 探 究 活 动 n 实 时 ： 数 据 变 化 过 程 与 实 验 过 程 同 时 进 行 ，与 计 算 机 连 接 ， 就 能 将 显 示 变 化 过 程 的 各种 形 式 同 时 演 示 出 来 ， 与 微 型 摄 像 头 连 接 ，就 能 将 实 验 的 整 个 操 作 过 程 演 示 出 来 并 储存 在 计 算 机 的 硬 盘 中 ， 实 验 后 可 以 重 复 演示 28 n 准 确 ： 既 可 以 用 仪 器 或 电 脑 自 动 收 集 数 据 ，又 可 又 人 工 控 制 收 集 ， 实 验 数 据 可 以 准 确 到0.5%， 完 全 符 合 中 学 对 实 验 数 据 准 确 度 的要 求 。

n 综 合 ： 数 据 采 集 器 可 与 各 种 传 感 器 连 接 ， 可同 时 进 行 物 理 、 化 学 、 生 物 、 体 育 、 环 境 、气 象 等 学 科 实 验 的 定 量 探 究 研 究 29 n 直 观 ： 手 持 技 术 可 以 以 图 像 、 图 表 等 多 种 形式 动 态 实 时 地 显 示 实 验 的 变 化 过 程 可 以 在自 己 喜 欢 的 一 种 显 示 方 式 中 任 意 查 看 某 一 时刻 、 某 一 段 时 间 或 整 个 过 程 的 实 验 数 据 30 三 、 手 持 技 术 使 用 方 法 介 绍 31 1、 数 据 采 集 器 使 用 方 法n (1） 开 机n 按 下 数 据 采 集器 面 板 上 的“ 开 机 ” (ON）按 键 ， 采 集 器首 先 进 行 自 检 ，然 后 显 示 主 菜单 （ 如 右 图 ） 32 设 置 数 据 采 集 器 的 工 作 模 式n 从 开 机 状 态 的 图 面 开 始n 按 数 据 采 集 器 上 的 “ ”键 到 “ 系 统 配 置 ” ,按“ 回 车 ” 键 进 入 “ 系 统配 置 ” ， 根 据 需 要 按“ ” 或 “ ” 可 选 择 ：“ 自 动 ” 、 “ 手 动 ” 模式 。

本 实 验 设 置 “ 工 作模 式 为 “ 自 动 ” . 图 2系 统 配 置 33采 样 启 动 样 品 采 集 统 计 分 析 打 开 文 件 系 统 配 置 34采 样 启 动 样 品 采 集 统 计 分 析 打 开 文 件 系 统 配 置 35 n 按 “ ESC”键 返 回到 开 始 的 主 界 面 36 n从 开 机 状态 的 图 面开 始 ， 移动 光 标 到“ 采 集 器设 置 ” ，然 后 按 “ 执 行“ 键 （ 回车 键 ） ， 采 样 启 动 样 品 采 集 统 计 分 析 打 开 文 件 系 统 配 置 37 n屏 幕 显 示“ 传 感 器通 道 温 度 ” 后 ，接 着 显 示右 图 ： 38 n 设 置 采 样 率 ：n 根 据 需 要 设 置 ， 通 过 按 “ ” 或 键 “ ” 键可 选 择 频 率 ： ;10/min、 1/10sec 、 1/sec、 10/S、 25/S、 50/S、 100/S、500/Sn 本 实 验 选 择 ： “ 1/10sec” 按 “ 回 车 ” 键下 到 “ 采 样 数 ” 处 39 n 设 置 采 样 数 ：n 根 据 需 要 通 过 按 “ ” 或 键 “ ” 键 可 选择 采 样 数 ， 20 、 50、 100、 500、 1000、2000、 n 本 实 验 选 择 ： “ 10000” 按 “ 回 车 ” 键 下到 “ 显 示 方 式 ” 处 40 n 设 置 显 示 方 式 ：n 根 据 需 要 通 过 按 “ ” 或 键 “ ” 键 可 选择 显 示 方 式 ： 条 图 、 表 格 、 曲 线 、 数 字 。

n 本 实 验 选 择 ： “ 曲 线 ” 41 n 按 “ ESC”键 回 到“ 主 菜 单 ” 采 样 启 动 样 品 采 集 统 计 分 析 打 开 文 件 系 统 配 置 42 2、 采 集 数 据 n 按 “ 执 行 ” 键 （ 回 车 键 ） 开 始 采 集 数 据 ，同 时 打 开 软 件 （ 事 先 安 装 在 电 脑 中 ） ， 电脑 屏 幕 会 出 现 数 据 采 集 界 面 （ 事 先 数 据 采集 器 与 电 脑 连 接 好 ） ， 随 着 实 验 的 进 行 ，从 电 脑 屏 幕 可 观 察 到 曲 线 从 起 点 出 来 （ 12：00） 慢 慢 的 到 终 点 （ 14： 00） 实 验 结 束（ 也 可 在 实 验 结 束 后 从 文 件 夹 中 观 察 到 ） 43 四 、 手 持 技 术 在 初 中 化学 实 验 教 学 和 研 究 性 学习 中 的 应 用 示 例 44 （ 一 ） 手 持 技 术 在 酸 碱 中 和 反 应 中的 应 用 n 【 实 验 仪 器 与 试 剂 】n 数 据 采 集 器 、 pH传 感 器 、 磁 力 搅 拌 器 、 磁力 搅 拌 子 、 酸 式 滴 定 管 、 100mL烧 杯 ；n 0.1mol/L盐 酸 、 0.1mol/L氢 氧 化 钠 溶 液 。

45 46 47 n 【 实 验 步 骤 】n 量 取 25mL氢 氧 化 钠 溶 液 （ 0.1mol/L） 于100mL烧 杯 中 ； 酸 式 滴 定 管 用 0.1mol/L盐酸 润 洗 ， 装 液 ， 调 零 ； 打 开 磁 力 搅 拌 器 ，设 置 软 件 ， 开 始 记 录 数 据 的 同 时 打 开 酸 式滴 定 管 活 塞 ， 控 制 滴 加 速 度 稳 定 ； 待 加 入盐 酸 与 氢 氧 化 钠 溶 液 体 积 比 约 为 1： 1， 停止 数 据 记 录 ， 关 闭 酸 式 滴 定 管 活 塞 、 磁 力搅 拌 器 ， 拆 除 并 清 洗 仪 器 48 49 n 以 往 的 滴 定 实 验 都 只 是 定 性 试 验 ， 我 们 只 能通 过 滴 加 酚 酞 指 示 剂 ， 通 过 溶 液 颜 色 的 变 化来 说 明 pH发 生 突 变 ， 只 能 知 道 化 学 计 量 点附 近 溶 液 颜 色 从 无 色 到 淡 红 色 再 到 红 色 ， 从而 说 明 化 学 计 量 点 的 存 在 但 学 生 无 法 知 道中 和 滴 定 过 程 中 具 体 的 pH值 变 化 、 滴 定 前后 溶 液 中 各 种 粒 子 浓 度 变 化 ， 无 法 对 化 学 计量 点 附 近 的 突 跃 进 行 理 性 认 识 。

50 n 现 在 通 过 pH传 感 器 ， 利 用 手 持 技 术 ， 不 仅操 作 方 便 简 单 ， 在 学 生 保 持 对 实 验 的 感 性认 识 的 同 时 ， 还 可 以 让 学 生 观 察 到 溶 液 在整 个 滴 定 过 程 中 具 体 pH数 值 的 变 化 情 况 ，让 学 生 对 化 学 计 量 点 附 近 的 突 跃 进 行 理 性认 识 51 （ 二 ） 探 求 物 质 溶 解 于 水 时 温 度变 化 的 规 律 n物 质 溶 解 于 水 往 往 使 溶 液 的 温 度 发 生变 化 选 取 NH4NO3、 NaCl 和 NaOH 3 种 物 质 溶 解 于 水 时 , 应 用 手 持 技 术 , 定 量 测 量 其 温 度 的 变 化 , 探 求 物 质 溶 解于 水 时 温 度 变 化 的 规 律 52 53 54 n实 验 结 果 表 明 :( 1) NH4NO3 溶 解 于 水 时 , 溶 液 温 度 降 低 , 是 吸 热 过 程 , 而 且 其 溶解 于 水 中 的 质 量 越 多 , 温 度 也 越 低 55 56 n ( 2) N aOH 溶 解 于 水 时 , 溶 液 温 度 升 高 , 是放 热 过 程 , 而 且 其 溶 解 于 水 中 的 质 量 越 多 , 温 度 也 越 高 57 58 n( 3) NaCl 溶 解 于 水 时 , 溶 液 温 度 降 低 , 是 吸 热 过 程 , 而 且 其 溶 解 于 水 中 的 质量 越 多 , 温 度 也 越 低 59 60 n ( 4) 等 量 的 NH4NO3、 NaCl 和 NaOH 同 时溶 解 在 等 量 的 水 中 , NH4NO3 的 水 溶 液 温 度降 低 , NaOH 的 水 溶 液 温 度 升 高 , 而 NaCl 的水 溶 液 温 度 稍 有 降 低 。

物 质 在 水 中 溶 解 是一 个 复 杂 的 物 理 化 学 过 程 ,总 是 伴 随 着 能 量的 变 化 , 有 热 效 应 现 象 发 生 , 大 多 数 是 吸 热 , 如 实 验 中 的 NH4NO3、 NaCl, 有 的 则 是 放 热 , 如 NaOH 61 n目 前 手 持 技 术 在 国 内 化 学 教 学 中 的 应用 研 究 已 经 初 具 规 模 ， 已 有 多 所 高 校先 后 建 立 起 手 持 技 术 实 验 室 ， 部 分 经济 发 达 地 区 的 中 小 学 也 先 后 建 立 了 应用 基 地 62 n 研 究 表 明 ： 采 用 手 持 技 术 的 实 验 教 学 可 以 激发 学 生 的 学 习 兴 趣 和 探 究 热 情 ， 加 深 学 生 对某 些 化 学 概 念 的 理 解 、 提 高 学 生 对 图 像 的 认知 能 力 和 加 强 学 生 的 团 队 合 作 意 识 等 等 ， 为中 学 化 学 实 验 的 教 与 学 提 供 了 一 种 良 好 的 、可 供 选 择 的 教 育 手 段 63 。