化学数字化实验与微型实验：中学化学教学设计

在中学化学学习体系中化学实验的重要性毋庸置疑。在观察化学现象的基础上，分析其中的微观变化并进行科学抽象，培养运用科学方法形成化学概念和规律以及应用概念和规律解决问题的能力，十分有利于学生的成长和成才。中学化学实验尤其是教学实验长期以来以传统实验和常规仪器为主，由于化学实验的复杂性，以及受时间地点、仪器准备、物质毒性、实验危险性等因素的制约，有的实验很难在真实实验室条件下完成，有的实验因现象不明显甚至不易被察觉而失去教学价值。科学技术的进步促进实验设备和实验手段的现代化，为突破这些瓶颈问题和更好地开发实验资源提供有力的支撑，本节主要讨论数字化实验技术和微型实验技术以及它们在中学化学教学中的运用。

一、数字化实验技术及其运用

数字化化学实验就是把数字化实验系统运用于化学实验。传感器、数据采集器和计算机（含配套软件）的组合是数字化实验系统的基本结构。各式传感器可以完成包括温度、电压、电流、光等多种物理量数据的采集，并将它们转化为相应的电信号。数据采集器能将传感器采集到的各种电信号进行处理后输入计算机。计算机把来自数据采集器的信号通过应用软件进行分析与处理，并以多种形式实时显示在计算机屏幕上，实现信息技术与实验教学的整合。

1.数字化实验技术的优势

数字化实验系统的核心技术是传感器技术，它运用于实验的主要优点有：

（1）精确。数字化实验系统由电脑自动收集实验数据，或由人工控制采集数据，能感知微小的变化，精确测定物理量，使实验技术实现从定性到定量的飞跃。精确的量化数据及其各种表现形式也能把物质的微观变化及其规律更加鲜明地展示在大家眼前。

（2）直观。系统测得的数据可以自动记录，并通过计算机自动以数据、表格、图像等多种形式动态显示，反映即时实验过程，有利于学生的感知，有助于顺利突破思维障碍。

（3）便捷。智能化实验系统能以实验者需要的方式呈现实验过程与结果；能够大大缩短实验所需时间，使学生在有限的学习时间里增加体验、探究的机会成为可能；也能将实验的整个过程和结果储存起来，便于以后适时演示和交流。

数据采集器可以根据需要与计算机联机使用，也可以自带电源在室外脱机独立使用。

（4）综合。数据采集器可以只连接一个传感器，也可以同时连接多个传感器，因此数字化实验系统可以多角度地呈现实验数据或同时进行多学科综合实验，供不同学科从不同角度对实验进行分析。

（5）实证。数字化实验系统的应用使学生的相关学习基于实证，更加具有科学的本质特征，同时也可以获得更多理论推导所不可能获得的事实数据。

2.数字化实验技术在中学化学教学中的应用

中学化学教学中已有的数字化实验让我们看到，数字化实验技术能对中学化学的教学内容和教学方法产生积极影响，成为培养学生科学探究能力的有效途径。

（1）填补传统实验的空白，开启新的微观研究。例如，“向碳酸钠溶液中滴加稀盐酸，反应明显分两个阶段进行”，教学中一般从理论上进行分析推测，学生缺乏实际感性认识。借助于数字化实验技术能把“不可见”变为“可见”，轻松给出实验中的证据，使学生对无色溶液中无现象的化学反应的研究成为可能。

主要仪器和装置：pH传感器、滴数计、磁力搅拌器。

实验方法：烧杯中放入约20mL 0.1 mol/L Na2CO3溶液、一个搅拌磁子，将0.1 mol/L盐酸注入滴数计的滴管中，将pH传感器插入烧杯的溶液中。实验时开启磁力搅拌器至适当转速，向烧杯中逐滴滴加盐酸。

实验结果：如图6-10所示，反应的两个阶段生动地呈现在纸上，精确的实验数据同时显示这两个阶段消耗的盐酸体积相同。如果再用0.1 mol/L Na HCO3溶液进行同样的实验（如图6-11所示），将两个实验图像进行对比，实验与理论的高度吻合一定会使学生深有感触。

图6-10　向Na2CO3溶液中滴加盐酸

图6-11　向NaHCO3溶液中滴加盐酸

（设计者：上海市东湖中学　宋丽娜、吕善荣）

（2）突破现有实验的瓶颈，使化学概念和规律的学习更加有效。例如，学习勒夏特列原理（Le Chatelier's Principle）时，需要通过实验研究单一反应条件的改变对化学平衡影响的规律。在现行中学化学教材中，普遍选择NO2与N2O4混合气体，采用注射器实验来研究压强对化学平衡的影响（其他条件不变）。

由于气体的颜色变化稍纵即逝，对学生观察实验的要求很高；由于不同学生对颜色变化的视觉灵敏度不同等原因，学生难以及时察觉实验过程中的全部现象，实验的效果往往不理想，不少教师因此选择用动画模拟来替代真实实验。下列数字化实验可以让做不好的实验变为做得好的实验，把“抓不住”的实验现象变为“抓得住”，降低学生学习的难度，激发更浓的学习化学的兴趣。

主要仪器和装置：色度计（颜色传感器），装置如图6-12所示。

图6-12　压强对化学平衡的影响

实验方法：将标准比色瓶与注射器通过带导管的鲁尔阀连接[如图6-12（a）所示]。向标准比色瓶及注射器中注入一定量干燥的NO2后，放入色度计，套上黑色厚实的遮光布[如图6-12（b）所示]。连接实验装置，启动系统，点击采集。几秒后，将注射器内的气体迅速全部压入比色瓶，关闭阀门。待计算机屏幕上显示的曲线平稳后，点击结束按钮。

实验结果：

图6-13　压强对化学平衡的影响

（设计者：华东师范大学附属东昌中学　唐增富）

图6-13非常直观地告诉我们：增大压强后，混合气体的颜色“先变深，后又变浅，但比原来的颜色深”，帮助学生精准理解化学平衡移动的方向与结果，从而增进对勒夏特列原理理解的深刻性。（说明：本实验数据采集过程约1 min，在实验全过程中体系温度变化小于1℃，故可忽略。）

（3）放大、量化实验过程，引发探究，优化探究思路和水平。微观世界的大变化带来的常是宏观上的细微变化，数字化实验系统用数据或图表直观地放大动态变化，使实验更加显性化；用精确的数据量化变化的过程，使实验由定性向定量转化，科学性更强。数字化实验系统具有极短的计时和极强的数据处理功能，便于从不同角度对实验体系进行实时监测，以不同思路研究同一个化学问题，催生新的研究思路。

例如，高中化学教材上有这样一段描述：钢铁在潮湿环境中表面附有一层水膜，发生的电化腐蚀有析氢和吸氧两种方式。当水膜的酸性较强时发生析氢腐蚀，当水膜酸性较弱或呈中性时发生吸氧腐蚀。选用数字化实验系统模拟钢铁在不同条件下的腐蚀过程，能让学生生动地感知它们的真实存在。

主要仪器和装置：压强传感器。

实验方法：均匀混合质量比为3∶1的铁粉与碳粉混合物，模拟钢铁。将长条形滤纸卷起，装入60mL试剂瓶中，展开。用不同的电解质溶液分别将滤纸均匀润湿，快速撒入6.0 g铁碳混合粉末（尽可能使其分布均匀），装上压强传感器，形成密闭反应系统。测试系统内压强随时间的变化。用pH=6.0的醋酸溶液（内加少许NaCl帮助导电）模拟接近中性的水膜；用pH=2.0的醋酸溶液模拟酸性较强的水膜；不放铁碳混合粉末的为空白实验。

实验结果：pH=6.0时压强随时间的变化如曲线B所示，pH=2.0时压强随时间的变化如图6-14中曲线A所示，空白实验能解释实验初始阶段两条曲线都有小幅上扬的原因。

图6-14　模拟钢铁发生析氢或吸氧腐蚀

（设计者：上海市曹杨第二中学　刘岩、戴崇超）

上述实验曲线的解析必然激发学生更多好奇：pH=2.0时，实验后阶段系统内压强随时间的变化为什么会与pH=6.0时相同？经师生共同讨论交流，不难形成共识：钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀实为共存、竞争的两个变化，当水膜的酸性较强时以析氢腐蚀为主，当水膜的酸性较弱或中性时以吸氧腐蚀为主。学生对化学反应的复杂性、多个反应竞争的普遍性、反应条件的重要性也会有不同寻常的感悟。

（4）大大提高实验效率，更加专注实验本身的分析与探究。数字化实验系统可以变分离数据的采集为连续数据的采集，迅速、准确、直观地获得动态化的实验数据，提高实验的成功率。数据处理的智能化又能大大缩短实验时间，为学生将更多时间用于分析、抽象、研讨、交流创造条件。便携式数字化实验系统还能将学习地点由课堂、实验室拓展到校园、家庭、大自然等更为广阔的空间，有效延伸学习、探究的时空。

例如，初学中和滴定的学生，一般对中和滴定原理会产生困惑：室温下强酸强碱恰好反应时溶液的pH=7，而常用酸碱指示剂如酚酞或甲基橙，它们发生色变时均pH≠7，为什么可以用酸碱指示剂判断滴定终点呢？滴定曲线可以直观地帮助学生解开疑团。如果用传统的“计算—描点—作图”法，非常费时，对学生个体而言，在课堂上不可能亲历整条曲线的形成过程。数字化实验可以很好地解决这些问题。

主要仪器和装置：pH传感器、滴数计、磁力搅拌器。

实验方法：向小烧杯中加入约50mL待测酸（或碱）溶液，向滴数计滴管内注入标准碱（或酸）溶液。打开磁力搅拌器，控制搅拌速率；启动传感器软件（自动建立横坐标为体积，纵坐标为pH的实验图）；点击采集菜单；打开滴数计开始采集数据。实验结束后点击“结束”按钮并关闭滴数计。

实验结果：

图6-15　NaOH溶液滴定盐酸

（设计者：华东师范大学附属东昌中学　唐增富）

（5）丰富实验手段，开拓探究渠道，有利于学生科学探究能力的提升。化学问题涉及的是微观世界，影响因素又多，因此比较复杂，如果仅靠传统的中学化学实验手段，很多问题无法解决。数字化实验系统使中学化学实验手段更加丰富，把许多“不好做”的实验变为“好做”，可探究的内容更宽广，使学生参与更多的探究性学习活动成为可能。

表6-2　应用数字化实验系统可以开展的探究活动^[12]

数字化实验准确、灵敏，许多原来在定性实验中体现不出的问题，在定量测定过程中会暴露无遗，即便在运用传感器和数据采集器的过程中，学生也会遇到很多科学方法问题，这一切十分有利于锻炼学生的科学探究能力，提升科学素养。

在中学化学实验中采用数字化实验技术，其实质是利用各种传感器替代传统测量仪器或人的感官，通过数据采集器和计算机放大或转变实验现象及其呈现方式，实验的现象和数据源等信息来源是真实的，所以数字化实验是实时进行的真正的科学实验。真实实验中各种可能出现的情况，数字化实验也完全能呈现，而且能更多地呈现实验内容，因此数字化实验技术在发达国家中学里已普遍应用，在我国中学化学教学中也日益受到重视，普及的趋势已经显现。

作为当代化学教师，应主动了解传感器技术的发展，积极思考如何把它们的功能与教学中实验问题的解决联系起来，做数字化实验的开发者和应用者。同时需要注意的是，数字化实验的确具有众多优点，但并不是所有化学实验都将被数字化实验所替代。对能够方便地、安全地直接获取第一手资料和直接经验的实验，采用传统实验手段就能解决的问题，不必去简就繁，大动干戈。此外，数字化实验的仪器成本比较高，而化学实验中具有腐蚀性的物质特别多，注意设备的维护和保养特别重要。

二、微型实验及其开发与运用

微型化学实验（简写为ML）是在微型化仪器装置中进行的化学实验，其试剂用量能比对应的常规实验节省90%左右。微型化学实验不是常规实验的简单缩微或减量，而是在绿色化学理念指引下，化学实验创新性的变革，以实现用尽可能少的试剂来获取尽可能多的化学信息的目标。^[13]

纵观化学发展的历史，化学实验试剂的用量是随着科学技术的发展而逐渐减少的。微型化学实验的兴起发源于环境保护和实验室安全的需求。世界各发达国家对实验室三废处理与排放有严格的规定，曾有报道，某高校化学系用于三废处理的费用甚至高于实验室购买药品的开支，于是化学实验微型化被赋予重要的现实意义。微型实验方法于1925年在埃及大学中首先出现，1982年起在美国掀起了研究与应用的热潮，1989年开始传入我国教育界，立即引起化学教育工作者极大的关注，现在已经取得显著的进展。

1.微型化学实验的优势

在中学化学教学中微型实验的优点主要有：

（1）节约资源。微型化学实验中化学试剂微量化，用量一般是对应常规实验用量的十分之一至几千分之一。微型化的仪器小巧、便携、不易破碎。一些需要用到价格昂贵的试剂和仪器的实验也有了学生实验的机会，有利于我国教育经费不多、大班化教育体制下的学生有更多动手做实验的机会。著名化学家戴安邦教授曾经在考察我国微型实验的成果后题词：“大力推行微型化学实验，使全国中学化学教学皆有学生单人实验作业，以加强化学教学的素质教育作用。”

（2）节省时间。试剂微量，准备和完成实验的时间缩短了，这意味着在有限课时内可以做更多实验。

（3）实验环境绿色化。实验微型，污染减少，实验室环境和安全大为改善。少用或不用通风橱，显著节约能耗。

（4）促进学生科学素养提高。做微型实验时学生往往兴趣盎然，因仪器的体积小，试剂用量少，操作时格外认真细致，有利于强化学生的动手能力、创新思维和环境意识，养成良好的科学态度与习惯。

2.中学化学教学中的微型实验举例

（1）二氧化硫与硫化氢的反应。在Y形管（带标准磨口）的一端加入少量Na2SO3固体，另一端加入少量FeS固体以及少量水，胶头滴管中吸入1∶1硫酸。先倾斜Y形管，向FeS中滴入少量硫酸，待有少量气泡产生后，向另一边倾斜Y形管，向Na2SO3中滴加硫酸，然后将Y形管放直（如图6-16所示）。

图6-16　SO 2与H 2S的反应

（2）制取气体并进行气体的性质实验。一是使用市售井穴板等。井穴板是由透明度好的聚苯乙烯或有机玻璃压塑而成的[如图6-17（a）所示]，它可以与多用途滴管联合使用[如图6-17（b）所示]。

图6-17　井穴板与多用途滴管联合使用

井穴板也可以与塑料注射器（2mL或5mL）联合使用（如图6-18所示，其中深色为鲁尔阀）。

图6-18　井穴板与塑料注射器联合使用

二是使用自制玻璃仪器。

①带球玻璃管：制取氯气，并用氯气置换碘和溴（如图6-19所示）。

图6-19　氯气的制取与部分性质

②W形管：根据需要可以加热W形管，也可以把多个W形管相连，进行多组实验（如图6-20所示）。

图6-20　氯气的制取与部分性质

（设计者：华东师范大学附属东昌中学　化学教研组）

（3）苯与液溴的反应。Y形管的一端是苯与液溴的反应器，另一端盛放NaOH溶液。Y形管通过带橡皮塞的三通导管与两只双球W形管连接，三通导管顶端用弹性橡胶封闭（将胶头滴管的滴头剪成合适大小即可）（如图6-21所示）。

图6-21　苯与液溴反应

（设计者：华东师范大学附属东昌中学　化学教研组）

微型化学实验也有它的不足之处，如基本实验操作的规范性、实验中有关的安全因素难以得到应有的重视。因此，微型实验虽然具有许多优越性，但不能用来代替所有的化学教学实验。对课程标准中有仪器、操作要求的实验，不适合采用微型实验。在教学中应根据实验的内容、目的、现象和定量要求等进行选择，使常规实验与微型实验相结合，发挥更好的教学效果。