传感器在中学化学实验探究中的应用

传感器在中学化学实验探究中的应用文章编号：1008-0546（201２）０３-00９２-0１中图分类号：g６３３．８文献标识码：ｂdoi：10.3９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０５４６．２０１２．０３．０４２现代教育离不开信息化手段，随着教学技术手段的不断发展，传感器的使用也在不断向中学课堂渗透。目前有不少四星级以上学校都建有自己的数字化实验室，作为学校的硬件资源提升了学校的综合实力，但是目前研究和开发传感器在中学化学实验中的应用尚处于摸索阶段。笔者有幸接触到传感器，在自己的化学实验探究过程中尝试使用传感器，得到一些浅薄的经验，愿与各位同仁分享，并希望得到更多同仁的关注与探讨。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。传感器将信号通过数字采集器和电脑程序的处理，转变为我们可视的便于记录和使用的数据输出，并可以各种我们需要的形式呈现出来，有利于我们观察和分析实验中的微小变化，更使实验得到深入的探究。下面笔者以自己的三个课堂教学过程为案例，来探讨传感器在中学化学实验探究课的应用情况。一、边讲边实验中发挥传感器的功用，可以使实验更加细微和深入在《氢氧化亚铁的制备和保存》一课中，我引导学生探讨如何制备纯净的白色氢氧化亚铁，起初采用的是将装有氢氧化钠的长滴管深入硫酸亚铁溶液中，而后采用的是植物油液封的方法，但是效果都不理想。这时我们发现造成不良影响的可能是来自于溶液中少量的溶解氧。为了测定溶解氧及其变化，我们需要借助先进的溶解氧传感器。只要一个小小的探头，连接好数据采集器和电脑，就可以即刻显示出溶解氧的数据，并记录溶解氧的变化。传统实验中要想测定溶解氧，通常使用碘量法，想要测定准确的数值，还需要配制标准的碘化钾溶液和硫代硫酸钠溶液，并用淀粉做指示剂，完成一个氧化还原滴定，这可不是一下两下可以完成的。有了溶解氧传感器，只要将它放在待测溶液中，约１０秒钟就可以测定出溶解氧了。我们立刻得到了５．３ｐｐｍ的溶解氧数据。那么是不是溶解氧在氧化氢氧化亚铁呢？我们只要做含有氢氧化亚铁的浊液中溶解氧的变化就可以了。所以我们利用传感器的连续在线测量的功能就可以立刻得到溶解氧下降的数据，直到下降到０．０ｐｐｍ。这个百万分之几的变化，试想，用传统实验方法怎么能观察得到呢？二、传感器的多通道功能，使我们可以同时观测到多个物理量的变化，并找出它们之间的相互关系例如我在探究“暖宝宝”发热原理的时候，由学生设计实验方案来证明是铁与氧气发生反应，而不是碳与氧气反应，我们需要测量那些物理量的变化？经讨论，我们找到三个传感器，一个氧气传感器，一个二氧化碳传感器，一个温度传感器。我们用三颈烧瓶和这三个传感器，同时测量，发现温度不断上升，氧气的百分含量不断下降，而二氧化碳的浓度几乎不变，这至少得到了两个说明：一是铁与氧气反应放热，二是碳没有被氧化。那么碳又起什么作用呢？实验探究不断深入。三、方便的对比试验，微小的变化也逃不过传感器为了研究“暖宝宝”成分中氯化钠和活性炭的作用，我们可以设计这样的对比试验。一份纯铁粉，另一份是纯铁粉＋活性炭＋氯化钠的混合物，同时测量温度的变化。我们用两个温度传感器分别放入两堆混合物中，但把温度随时间的变化图同时显示在一个二维坐标系中，结果得到了一个渐渐上升的曲线和一个水平线。有人会说，那用传统的温度计不也能做吗？是的。传统的方法重在最后的温度能否升高；而传感器的使用则能够显示出过程的变化，这个温度的升高快慢，变化的速率都可以从图线的变化曲直中得到，所以传感器在本实验中发挥了极大的作用。四、传感器使学生奇思妙想的实现成为了可能现代教育理念强调培养学生的创造性思维，培养学生的科学探究精神和创新意识。以前我们在谈到学生设计实验的时候，其实是带有很强的引导性的，因为我们知道，学生的很多想法是无法实现的，所以我们必须要让他们的想法和自己设计的一致，否则可能导致自己的课都上不下去的状况。那么我们为什么要禁锢学生的想法呢？这还是开放性的实验探究吗？那我们来分析一下为什么不能让学生尝试一下他自己的想法呢。这恐怕是我们无法满足学生的想法吧。譬如在讨论如何测定锌和硫酸反应速率的问题时，根据化学反应速率的定义，我们可以测量硫酸的消耗速率即ｃ（ｈ＋）的变化，那么我们还有其它的方法吗？例如锌离子浓度的变化？氢气的产生量？可能有的老师会说，这怎么测啊？锌离子的变化好测吗？该不会是每隔几秒来一次取样，然后加硫化钠来测硫化锌沉淀的质量吧，这也太费事了吧；那或者我们来测测氢气的量吧，怎么测，最简单的方法是在一个密闭的大针筒里看针筒活塞的推移速率吧。学生说那测测压强变化可以吗？——当然可以。传统实验不容易做到，不过现在我们有压强传感器就很方便了。用一个单孔橡胶塞连接反应容器和压力传感器即可。我们可以绘制出压强随时间变化的图像，通过分析就可以得到反应速率。当然我们还可以用锌离子浓度传感器、酸度传感器来测量随时间的变化量。随着科学技术的不断发展，传感器的功能也越来越强大，随着价格的下降，很多学校都可以根据需要选择合适的传感器来使用。我相信，只要我们一线的教师能接受并使用它，一定会在今后的教学中发挥更大的作用，为我们的教学带来全新的变革。