手持技術(shù)在測(cè)定化學(xué)反應(yīng)速率中的應(yīng)用

手持技術(shù)在測(cè)定化學(xué)反應(yīng)速率中的應(yīng)用王德華（寧波市鎮(zhèn)海中學(xué)浙江寧波315200）摘要本文討論了手持技術(shù)在測(cè)定化學(xué)反應(yīng)速率方面的應(yīng)用，通過手持技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取以及借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行曲線繪制，訓(xùn)練學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)與曲線的分析能力，并對(duì)應(yīng)用手持技術(shù)助力教學(xué)做了討論。關(guān)鍵詞手持技術(shù)傳感器數(shù)據(jù)曲線有效教學(xué)1問題的提出在蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》專題2第一單元化學(xué)反應(yīng)速率的表示方法中，對(duì)反應(yīng)速率是這樣測(cè)定的：1.在錐形瓶中放入5g大理石，加入20mL1mol/L鹽酸。每隔10s觀測(cè)注射器中氣體的體積，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄到表中。2.以mL/s為反應(yīng)速率的單位，計(jì)算每10s時(shí)間間隔內(nèi)的反應(yīng)速率，將計(jì)算結(jié)果填入上表中。時(shí)間/s102030405060氣體體積/mL反應(yīng)速率/mL·s-13.以反應(yīng)時(shí)間為橫坐標(biāo)，產(chǎn)生氣體的體積為縱坐標(biāo)，在左邊的坐標(biāo)紙上繪制二氧化碳?xì)怏w體積[V(CO2)]-反應(yīng)時(shí)間（t）曲線圖。4.比較你與其他同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如有差異，分析產(chǎn)生差異的可能原因。從圖中可看出，教材是通過注射器中體積的變化再結(jié)合時(shí)間來測(cè)定反應(yīng)的速率（反應(yīng)速率=△V/△t）。但是在實(shí)際操作中，往往會(huì)出現(xiàn)由于注射器摩擦過大或者氣密性不好等原因而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差很大，不同學(xué)生得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差也懸殊。所以有必要尋求對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，以得到較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，輔助對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，從而更有利于本課的教學(xué)。手持技術(shù)（Hand-heldTechnology），即數(shù)字化手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)，又稱為掌上實(shí)驗(yàn)室（Labinhand），是由計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)相結(jié)合的新型數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段，主要包括：數(shù)據(jù)采集器、傳感器、計(jì)算機(jī)及其配套軟件三部分。手持技術(shù)集數(shù)據(jù)采集、分析于一體，具有便攜、直觀、實(shí)時(shí)、定量等特點(diǎn)。將手持技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究性學(xué)習(xí)，能轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新精神，體現(xiàn)了新一輪浙江省基礎(chǔ)教育改革的思想和理念?；诖?，本塊內(nèi)容教學(xué)上借助了手持技術(shù)進(jìn)行課本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，以達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果，并訓(xùn)練學(xué)生獲取數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)作圖以及對(duì)圖的分析的能力。2本課的前端分析2.1學(xué)情分析本次授課的對(duì)象為高二理科班學(xué)生，在化學(xué)2的學(xué)習(xí)中對(duì)反應(yīng)速率有一定的了解，初步掌握了化學(xué)反應(yīng)速率的表示方法等相關(guān)知識(shí)，為本課的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。但在化學(xué)2的教學(xué)中，僅涉及到對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率定性判斷，其中設(shè)置的實(shí)驗(yàn)也僅從定性角度來實(shí)施，具體實(shí)驗(yàn)操作安排如下：【實(shí)驗(yàn)1】取兩支大試管，各加入5mL12%的過氧化氫溶液，將其中一支試管用水浴加熱，觀察并比較兩支試管中發(fā)生的變化?！緦?shí)驗(yàn)2】取兩支大試管，各加入5mL4%的過氧化氫溶液，用藥匙向其中一支試管內(nèi)加入少量二氧化錳粉末，觀察發(fā)生的變化。【實(shí)驗(yàn)3】取兩支試管，分別加入5mL4%、5mL12%的過氧化氫溶液，再各加入幾滴0.2mol/L氯化鐵溶液，觀察并比較兩支試管中氣泡生成的快慢。所以學(xué)生對(duì)反應(yīng)速率定量測(cè)定比較陌生，不知道如何比較準(zhǔn)確地測(cè)定反應(yīng)速率。所以在本課的教學(xué)中，教師要引導(dǎo)好學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的搭置，同時(shí)，由于本實(shí)驗(yàn)對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，還需把教材實(shí)驗(yàn)過渡到改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。2.2教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與技能（1）通過手持技術(shù)測(cè)出碳酸鈣和鹽酸反應(yīng)過程中壓強(qiáng)的變化，從定性和定量角度認(rèn)識(shí)反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響。（2）初步學(xué)會(huì)測(cè)定某些化學(xué)反應(yīng)速率的方法。（3）初步學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與記錄。過程與方法（1）通過本次實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的一般思路。情感態(tài)度與價(jià)值觀（1）通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，進(jìn)一步了解現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，并感受手持技術(shù)具有便攜、直觀、實(shí)時(shí)、定量等特點(diǎn)。（2）體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)在科學(xué)探究中的重要作用，激發(fā)科學(xué)探究的興趣和學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情。2.3教學(xué)重難點(diǎn)化學(xué)反應(yīng)速率的表示方法根據(jù)壓強(qiáng)變化來繪制曲線圖及其對(duì)曲線的分析2.4教學(xué)方法2.4.1學(xué)案導(dǎo)學(xué)所謂“學(xué)案導(dǎo)學(xué)”是指以學(xué)案為載體，以導(dǎo)學(xué)為方法，教師的指導(dǎo)為主導(dǎo)，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)為主體，師生共同合作完成教學(xué)任務(wù)的一種教學(xué)模式。這種教學(xué)模式一改過去老師單純的講，學(xué)生被動(dòng)的聽的“滿堂灌”的教學(xué)模式，充分體現(xiàn)了教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，使主導(dǎo)作用和主體作用和諧統(tǒng)一，發(fā)揮最大效益。通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，提高教學(xué)效益。2.4.2手持技術(shù)在本次課中，運(yùn)用手持技術(shù)來測(cè)定氣體壓強(qiáng)的變化，進(jìn)而繪制出壓強(qiáng)隨時(shí)間變化的曲線，幫助學(xué)生分析、理解反應(yīng)過程中壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線在不同階段所代表的具體意義，從而得到反應(yīng)過程中反應(yīng)速率隨時(shí)間的變化情況。3教學(xué)的實(shí)施教材中對(duì)速率的測(cè)定是通過△V/△t來計(jì)算的，根據(jù)pv=nRT，針對(duì)同一對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，溫度近似相等，所以可以用△p/△t來表示反應(yīng)速率。在本次課中，用壓強(qiáng)傳感器對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)裝置圖如下所示：手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比較，最大不同在于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)注重對(duì)現(xiàn)象的描述和對(duì)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)的分析處理，而數(shù)字化手持實(shí)驗(yàn)則可以通過軟件直接得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖像，因此手持實(shí)驗(yàn)的教學(xué)難點(diǎn)在于對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的曲線的分析。利用多媒體技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)課本實(shí)驗(yàn)展開教學(xué)，通過學(xué)案的設(shè)置來訓(xùn)練學(xué)生根據(jù)已知數(shù)據(jù)描點(diǎn)作圖的能力，并且能夠通過圖像分析得出反應(yīng)規(guī)律。手持實(shí)驗(yàn)曲線的形成過程恰恰是利用已知數(shù)據(jù)描點(diǎn)作圖的過程，而數(shù)據(jù)的采集過程則憑借傳感器來實(shí)現(xiàn)，由此可讓學(xué)生課堂設(shè)置了描點(diǎn)作圖能力訓(xùn)練環(huán)節(jié)，利用所給數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)描點(diǎn)作圖，讓學(xué)生從圖像中獲取信息以及分析圖像的方法，并感知反應(yīng)過程中生成氣體和反應(yīng)速率隨時(shí)間的變化，為之后學(xué)生對(duì)手持實(shí)驗(yàn)曲線圖的理解和分析奠定基礎(chǔ)。在教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師演示利用手持技術(shù)測(cè)定碳酸鈣和鹽酸反應(yīng)中壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線，引導(dǎo)學(xué)生從宏觀、微觀、符號(hào)和曲線4個(gè)方面進(jìn)行分析，將手持技術(shù)和四重表征完美結(jié)合。從曲線中觀察到，隨著反應(yīng)的發(fā)生，曲線斜率逐漸變小，即反應(yīng)過程中由于氫離子濃度降低，反應(yīng)速率逐漸變小的過程。通過實(shí)驗(yàn)圖像的分析應(yīng)用教學(xué)環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生，在分析碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)的曲線圖后，根據(jù)分析結(jié)果，嘗試在此曲線的基礎(chǔ)上畫出該曲線圖。再與手持實(shí)驗(yàn)所得的曲線圖進(jìn)行對(duì)比，加深對(duì)手持實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)和理解。在實(shí)際教學(xué)中借助多媒體，根據(jù)曲線的走向趨勢(shì)對(duì)曲線進(jìn)行分段、標(biāo)記，教會(huì)學(xué)生實(shí)用的曲線分析方法。4應(yīng)用手持技術(shù)的意義4.1使實(shí)驗(yàn)更加現(xiàn)代化、簡(jiǎn)易化手持技術(shù)使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)與國(guó)際接軌，化學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，還可以在戶外等場(chǎng)所隨時(shí)隨地進(jìn)行。一些在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無法實(shí)施的實(shí)驗(yàn)也可順利進(jìn)行；一些難于理解的科學(xué)概念和原理，借助于手持技術(shù)的實(shí)驗(yàn)變得容易認(rèn)知。例如二氧化氮與四氧化二氮的平衡體系，壓強(qiáng)影響平衡的移動(dòng)，其他條件不變，增大壓強(qiáng)平衡會(huì)向減小壓強(qiáng)的方向移動(dòng)，這對(duì)中學(xué)生來說非常難理解，但通過手持技術(shù)測(cè)出實(shí)際壓強(qiáng)變化，難點(diǎn)迎刃而解。此外，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果上，儀器會(huì)自動(dòng)顯示給學(xué)生清晰的實(shí)驗(yàn)結(jié)果而不需進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作。4.2使實(shí)驗(yàn)更加綜合化實(shí)驗(yàn)的綜合化不僅體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)手段上，同時(shí)也體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上。實(shí)驗(yàn)手段的綜合化主要是指在手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用了不同的實(shí)驗(yàn)儀器裝置，具有廣泛性和綜合性。計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、傳感器和相應(yīng)軟件與其他化學(xué)儀器的整合更加突出了手段的信息化，現(xiàn)代化，綜合了時(shí)代信息。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合化是指手持技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)單一學(xué)科單因素及多因素研究，而且還體現(xiàn)了跨學(xué)科的多因素研究，多角度觀察，并與現(xiàn)代信息技術(shù)完全整合，同時(shí)體現(xiàn)了研究性、探究性實(shí)驗(yàn)等綜合實(shí)踐活動(dòng)。4.3使實(shí)驗(yàn)不僅關(guān)注定性研究而且進(jìn)行定量研究一些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)往往只能讓學(xué)生明白“有什么”，而不清楚“有多少”，學(xué)生也只能對(duì)化學(xué)現(xiàn)象有一個(gè)膚淺的認(rèn)識(shí)（定性研究），而不能在量上有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)（定量研究）。手持技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果會(huì)給學(xué)生直觀的數(shù)據(jù)或圖像顯示，更加體現(xiàn)了科學(xué)的準(zhǔn)確性。例如二氧化錳作催化劑的雙氧水分解，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作只能了解催化劑可以加快或減慢化學(xué)反應(yīng)的速率，但是應(yīng)用手持技術(shù)可以準(zhǔn)確地運(yùn)用壓力傳感器測(cè)得所分解氧氣的壓力，通過做線性回歸，圖形的斜率就是該化學(xué)反應(yīng)的速率，如利用手持技術(shù)探究催化劑對(duì)雙氧水分解的影響實(shí)驗(yàn)，效果非常好。另外還可以定時(shí)測(cè)量化學(xué)反應(yīng)，即時(shí)獲得反應(yīng)過程中的定量數(shù)據(jù)。4.4使實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師和學(xué)生角色完成更充分傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)因?yàn)檫^程復(fù)雜，步驟繁瑣，往往使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課中扮演了一個(gè)參加機(jī)械勞動(dòng)的“機(jī)器”，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中必須把大量的精力和時(shí)間花費(fèi)在操作過程上，沒有足夠的時(shí)間觀察現(xiàn)象、思考問題和提出問題。利用手持技術(shù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)不僅可以解決上述問題。教師也從“信息源”向“信息平臺(tái)”轉(zhuǎn)變，教師不僅能夠輸出信息，而且可以交換信息，還能夠接受學(xué)生輸出的信息，從而可以促成課堂中信息的雙向和多向交流，實(shí)驗(yàn)操作的簡(jiǎn)單化使得學(xué)生有足夠的時(shí)間來發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，真正實(shí)現(xiàn)了課堂中的師生互動(dòng)乃至生生互動(dòng)，使教師與學(xué)生的角色發(fā)生了根本轉(zhuǎn)變。4.5使課堂變得更加高效手持技術(shù)在本質(zhì)上與多媒體技術(shù)一樣，都是為課堂教學(xué)服務(wù)的輔助認(rèn)知手段和工具。手持技術(shù)運(yùn)用在教學(xué)中除了作為學(xué)生的認(rèn)知工具外，同時(shí)也是教學(xué)信息的傳遞工具。手持技術(shù)利用現(xiàn)代電子傳感科技進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，將化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中每個(gè)時(shí)刻的化學(xué)變化直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，在引導(dǎo)學(xué)生感受到高新科技時(shí)代氣息的同時(shí)也使學(xué)生從動(dòng)態(tài)角度對(duì)化學(xué)物質(zhì)變化有了更本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。4.6使課外探究多了一項(xiàng)利器手持技術(shù)突破了空間和時(shí)間的限制，使得化學(xué)實(shí)驗(yàn)并不只在實(shí)驗(yàn)室中才能進(jìn)行，學(xué)生可以利用手持技術(shù)隨時(shí)隨地研究生活中遇到的化學(xué)問題，有利于學(xué)生將化學(xué)學(xué)科知識(shí)應(yīng)用于生活，體驗(yàn)化學(xué)對(duì)于生活的重要價(jià)值，進(jìn)而建立更為完善的化學(xué)價(jià)值觀。手持技術(shù)沖破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和方式的束縛，表現(xiàn)出極大的張力，將許多經(jīng)典的化學(xué)實(shí)驗(yàn)化繁為易，同時(shí)也將實(shí)驗(yàn)的對(duì)象擴(kuò)展到生活中的方方面面，利于學(xué)生主動(dòng)參與，開闊思路，增強(qiáng)他們的科技意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)。將化學(xué)學(xué)科知識(shí)與探究技能整合，發(fā)散學(xué)生的科學(xué)思維、訓(xùn)練其