初中化学数字化实验

1初中化学数字化实验2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。34一、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手持技术(HeldTechnology)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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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数据采集器主要用于采集并储存实验数据8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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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。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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。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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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在中学化学实验教学中常用的传感器有以下一些传感器。(1)温度传感器数字温度计17(2)电导率传感器电导率计18（4）压力传感器19（5）电压、电流传感器20（6）CO2传感器21（7）溶解氧传感器22（8）离子传感器23（9）色度传感器24传感器的选择依据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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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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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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。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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。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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。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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311、数据采集器使用方法(1）开机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从开机状态的图面开始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按“ESC”键返回到开始的主界面。36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屏幕显示“传感器通道——温度”后，接着显示右图：38设置采样率：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/S……。本实验选择：“1/10sec”→按“回车”键下到“采样数”处。39设置采样数：根据需要通过按“←”或键“→”键可选择采样数，20、50、100、500、1000、2000、……本实验选择：“10000”→按“回车”键下到“显示方式”处40设置显示方式：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。本实验选择：“曲线”41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422、采集数据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【实验仪器与试剂】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；0.1mol/L盐酸、0.1mol/L氢氧化钠溶液。454647【实验步骤】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。4849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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。物质溶解于水往往使溶液的温度发生变化。选取NH4NO3、NaCl和NaOH3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。525354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5556(2)NaOH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5758(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5960(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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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