奔驰c200改amg排气:传感技术应用于高中化学定量实验的研究

传感技术应用于高中化学定量实验的研究
2008-12-11  来源：芜湖市第十二中学　王艳

文　摘：随着课程改革的不断深化，对于化学实验教学的认识也在不断深化，先进的科学技术不断引入到化学实验中。传感器技术是一种与现代科学密切相关的新兴技术，研究的选题对象主要是定量实验或是定量定性相结合的实验，具有便捷、直观、实时、准确等特点。在中学实验教学中引入传感器技术，不仅革新中学化学实验内容，拓展实验方法，提高定量实验的准确度，还能促使学生了解先进的科学技术，提高学生动手能力。
关键字：传感器 定量实验 酸碱中和滴定 动手能力

　　一 问题的提出
　　随着课改的进一步深化，化学定量实验内容占据一定比重，其教学功能不仅仅在于能够培养学生的观察能力，还能够深化学生对事物变化中的量的关系的认识，培养严谨的科学态度，理解化学变化的本质。高中阶段常见的化学定量实验有物质的量浓度溶液的配制、硫酸铜晶体中结晶水含量的测定,酸碱中和滴定,中和热的测定,以及盐的溶解度的测定等,而受实验条件限制，传统的定量实验准确度不够，学生难以接触到先进的定量分析化学仪器，给定量实验的教学带来困扰，造成学生会做题但是解决实际问题的能力降低。
　　基于办学条件改善，数字实验室走进高中校园。传感器技术实验最大的特点就是将实验结果数字化，这样可以引入大量的定量实验，因此它不仅能从量的角度说明传统定性实验的结论，也可以利用数据处理向导使定量实验得到比较精确的结果，更好地培养学生分析问题和解决问题的能力。本文选取“酸碱中和滴定”为案例进行说明。
　　二 研究过程
　　1、研究背景
　　（1）传感技术简介
　　它是由数据采集器、传感器和配套的软件组成的定量采集和处理数据系统，并能与计算机连接完成各种后期处理的实验技术系统。传感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值等。传感器是传感技术的核心，它能感受到待测物的相关信息，并按照一定的规律转换成可用输出信号，经数据采集器处理之后在液晶屏上显示并储存在内存中。
　　（2）传感技术充分体现了实验的综合化
　　手段综合化：应用了不同的实验仪器、装置，具有广泛性和综合性。计算机、数据采集器、传感器和相应软件与其他化学仪器的整合更加突出了手段的信息化、现代化，综合了时代信息。
　　内容综合化：不仅能实现单一学科单因素及多因素研究，而且还体现了跨学科的多因素研究，多角度观察，并与现代信息技术完全整合，同时体现了研究性、探究性实验等综合实践活
　　（3）化学实验教学中运用传感器技术的价值
　　《普通高中化学课程标准（实验）》中特别强调“通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究的意识，促进学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力”。
　　目前我们所提出的探究性实验，是以学生为课堂和实践活动中的主体，教师引导学生探讨或师生共同探讨。一些传统的实验中学生只能对化学现象有一个肤浅的认识（定性研究），而不能在量上有一个清晰的认识（定量研究）。在化学实验教学过程中使用先进的传感技术，实验研究结果会给学生直观的数据或图像显示，更加体现了科学的准确性。
　　传统的化学实验因为过程复杂，步骤繁琐，往往使学生在实验课中扮演了一个参加机械劳动的 “机器”，学生在实验操作过程中必须把大量的精力和时间花费在操作过程上，没有足够的时间来观察现象、思考问题和提出问题。传感技术有助于激发学生的学习兴趣以及培养学生的观察力。有利于探究教学活动的开展，增强学生间的交流与合作。
　　传感器是获得实验数据的一类有效武器，利用传感器可以获得实验过程中关于温度、浓度、色度、pH等很多方面的数据，利用数据采集器或计算机，可以将数据以图形等多种形式显示出来，学生可以非常直观地对图形进行观察，然后做出判断或预测，还可以利用相关计算机软件，对数据进行线性拟合、微积分处理、数学建模等多种形式的处理，以发现隐藏在数据背后的化学规律和原理。有助于培养学生分析和处理实验数据的能力。以及实事求是、严肃认真的科学态度，从而全面提高学生的科学素养。
　　2、实验实施
　　（1）与传统实验对比
　　“一份未知浓度的NaOH溶液15ml ，用1mol/l的盐酸溶液滴定，用去酸30ml ，求该NaOH溶液的浓度”，这道关于酸碱中和滴定的计算题，对于学完人教必修1的学生来说很简单，但是如果减少一个数据“一份未知浓度的NaOH溶液15ml ，用1mol/l的盐酸溶液滴定，能否计算出该NaOH溶液的浓度”。这就是定量实验的问题了。
　　首先明确“定什么量？”、“如何定量？”、“如何精确定量？”。实验任务是精确求出达到滴定终点的耗酸量，再经过量的对应关系进行数据处理求出未知NaOH溶液浓度。这又引出问题，如何确定滴定终点？传统实验用指示剂变色指示滴定终点，指示剂的变色范围距离滴定终点pH＝7有一定偏差。《普通高中化学课程标准（实验）》在《化学反应原理》和《实验化学》两个选修模块的活动与探究建议中都明确提出通过实验绘制滴定曲线。如果要绘制滴定曲线，使用传统仪器则十分麻烦。比如我们使用pH计，我们只能滴加一定体积测定一次混合溶液的pH，同时还需要记录滴加的体积。最后将测得的数据经过描点、作图等处理过程，才能形成曲线图。另外，由于我们不可能每滴加一滴酸（或碱）溶液就测定一次数据，这样实验的信度也不高。如果使用pH传感器，它可以实时记录滴定过程中混合溶液的pH，而且测得的数据能以图形的形式显示出来，我们只要控制滴加速度（匀速），很容易就可以得到一个pH对时间的滴定曲线，找到溶液PH=7时对应的加入盐酸体积。
　　（2）实验仪器和药品
　　GQY手持主机5104，pH传感器，光电门传感器，酸式滴定管和磁力搅拌器，GQY中和滴定固定板，量筒，1mol/l的盐酸溶液,NaOH溶液,PH标准液。
　　（3）溶液配制和准备
　　用量筒量取15ML未知浓度的NaOH溶液与烧杯中待滴定；
　　将酸式滴定管中加满1mol/l的盐酸溶液并放出气泡待用；
　　用PH为4.00，9.18的标准溶液将PH传感器标定；
　　打开磁力搅拌器，并确保光电门等传感器都连接好；打开光电门选择液滴计数模式，并清零。
　　（4）界面准备
　　装载实验模板，数据采集器与软件连接，运行GQY数字化实验室单机运行平台，打开酸碱中和滴定和滴定曲线的绘制实验模板，单击设备连接，进行传感器连接，问号消失，显示设备连接成功，界面准备完成。
　　（5）实验操作
　　单机实验开始按钮，置于ON，开始实验；
　　调节滴定管旋钮，调整滴定管按钮，让酸以不连续的液滴开始滴定；
　　等PH降到7以下时，单击开始按钮，置于OFF，完成一次实验
　　（6）实验结果展示
　　计算机绘制出滴定过程中的pH的变化曲线，并求导 
　　注：红色为酸碱中和滴定PH变化曲线，
　　蓝色为对PH求导导数曲线，以确定出严格意义的滴定终点（导数曲线的极值点）
　　3、实验总结
　　基于传感技术绘制出滴定曲线使学生真实的感受到反应过程中pH的变化特点，真正感受到滴定过程中“突跃”的存在，解决了教学中的难点。而理解指示剂的选择这一难点，即指示剂的变色范围距离滴定终点pH＝7有一定偏差，那么为什么还可以用来指示滴定的终点？关键也在于理解中和过程中pH存在的突跃。pH的突跃是真实存在的，但如何让学生直观感受到它的存在，是传统教学难以做到的，但使用传感技术可以解决这些问题。在滴定曲线图的辅助下，学生比较容易建立滴定突变的概念，而且通过定量分析，对学生形成科学的思维和学习方法起到了积极作用。
　　三、展望
　　把传感技术引入化学实验中，能使学生学会从定量的角度分析和解决问题，探求变量之间的因果关系和相关关系，发展了学生的问题解决能力;学会如何进行探究性实验学习,学会合作学习;培养科学严谨的态度和对社会的责任感；真正体现了新课标教育思想。
　　期待数字实验室走进更多中学校园，让更多学生接触到新进的科学技术，以提高未来公民的科学素养。
 
参考书目：
［1］中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（实验）.北京：人民教育出版社
［2］传感技术?酸碱中和滴定曲线的绘制 安徽：安徽师范大学化学学院
［3］郑长龙等主编.化学实验教学新视野.北京：高等教育出版社，2003
［4］ 宋心琦主编.普通高中化学课程标准实验教科书（选修 4）.北京：人民教育出版社

责任编辑：花勇