手持技术在测定化学反应速率中的应用

手持技术在测定化学反应速率中的应用王德华（宁波市镇海中学浙江宁波315200）摘要本文讨论了手持技术在测定化学反应速率方面的应用，通过手持技术实现数据的获取以及借助计算机进行曲线绘制，训练学生对数据与曲线的分析能力，并对应用手持技术助力教学做了讨论。关键词手持技术传感器数据曲线有效教学1问题的提出在苏教版《化学反应原理》专题2第一单元化学反应速率的表示方法中，对反应速率是这样测定的：1.在锥形瓶中放入5g大理石，加入20mL1mol/L盐酸。每隔10s观测注射器中气体的体积，将实验数据记录到表中。2.以mL/s为反应速率的单位，计算每10s时间间隔内的反应速率，将计算结果填入上表中。时间/s102030405060气体体积/mL反应速率/mL·s-13.以反应时间为横坐标，产生气体的体积为纵坐标，在左边的坐标纸上绘制二氧化碳气体体积[V(CO2)]-反应时间（t）曲线图。4.比较你与其他同学的实验结果，如有差异，分析产生差异的可能原因。从图中可看出，教材是通过注射器中体积的变化再结合时间来测定反应的速率（反应速率=△V/△t）。但是在实际操作中，往往会出现由于注射器摩擦过大或者气密性不好等原因而导致实验误差很大，不同学生得到的实验结果相差也悬殊。所以有必要寻求对教材中的实验进行改进，以得到较为准确的实验数据，辅助对教材实验的补充，从而更有利于本课的教学。手持技术（Hand-heldTechnology），即数字化手持技术实验，又称为掌上实验室（Labinhand），是由计算机和微电子技术相结合的新型数字化实验手段，主要包括：数据采集器、传感器、计算机及其配套软件三部分。手持技术集数据采集、分析于一体，具有便携、直观、实时、定量等特点。将手持技术应用于中学化学实验教学与研究性学习，能转变学生的学习方式，培养学生的科学探究能力和创新精神，体现了新一轮浙江省基础教育改革的思想和理念。基于此，本块内容教学上借助了手持技术进行课本实验的改进，以达到较好的实验效果，并训练学生获取数据并对数据作图以及对图的分析的能力。2本课的前端分析2.1学情分析本次授课的对象为高二理科班学生，在化学2的学习中对反应速率有一定的了解，初步掌握了化学反应速率的表示方法等相关知识，为本课的学习打下了良好的基础。但在化学2的教学中，仅涉及到对化学反应速率定性判断，其中设置的实验也仅从定性角度来实施，具体实验操作安排如下：【实验1】取两支大试管，各加入5mL12%的过氧化氢溶液，将其中一支试管用水浴加热，观察并比较两支试管中发生的变化。【实验2】取两支大试管，各加入5mL4%的过氧化氢溶液，用药匙向其中一支试管内加入少量二氧化锰粉末，观察发生的变化。【实验3】取两支试管，分别加入5mL4%、5mL12%的过氧化氢溶液，再各加入几滴0.2mol/L氯化铁溶液，观察并比较两支试管中气泡生成的快慢。所以学生对反应速率定量测定比较陌生，不知道如何比较准确地测定反应速率。所以在本课的教学中，教师要引导好学生进行实验装置的搭置，同时，由于本实验对教材实验进行了改进，还需把教材实验过渡到改进实验。2.2教学目标知识与技能（1）通过手持技术测出碳酸钙和盐酸反应过程中压强的变化，从定性和定量角度认识反应物浓度对反应速率的影响。（2）初步学会测定某些化学反应速率的方法。（3）初步学会实验数据的记录与记录。过程与方法（1）通过本次实验的学习，了解实验改进的一般思路。情感态度与价值观（1）通过对实验结果的分析，进一步了解现代测量技术，并感受手持技术具有便携、直观、实时、定量等特点。（2）体验实验在科学探究中的重要作用，激发科学探究的兴趣和学习化学的热情。2.3教学重难点化学反应速率的表示方法根据压强变化来绘制曲线图及其对曲线的分析2.4教学方法2.4.1学案导学所谓“学案导学”是指以学案为载体，以导学为方法，教师的指导为主导，学生的自主学习为主体，师生共同合作完成教学任务的一种教学模式。这种教学模式一改过去老师单纯的讲，学生被动的听的“满堂灌”的教学模式，充分体现了教师的主导作用和学生的主体作用，使主导作用和主体作用和谐统一，发挥最大效益。通过学生的自主学习，培养学生的自学能力，提高教学效益。2.4.2手持技术在本次课中，运用手持技术来测定气体压强的变化，进而绘制出压强随时间变化的曲线，帮助学生分析、理解反应过程中压强随时间的变化曲线在不同阶段所代表的具体意义，从而得到反应过程中反应速率随时间的变化情况。3教学的实施教材中对速率的测定是通过△V/△t来计算的，根据pv=nRT，针对同一对应的实验中，温度近似相等，所以可以用△p/△t来表示反应速率。在本次课中，用压强传感器对传统实验进行改进，实验装置图如下所示：手持技术实验与传统实验相比较，最大不同在于传统实验注重对现象的描述和对现象、数据的分析处理，而数字化手持实验则可以通过软件直接得到实验数据曲线图像，因此手持实验的教学难点在于对实验获得的曲线的分析。利用多媒体技术引导学生对课本实验展开教学，通过学案的设置来训练学生根据已知数据描点作图的能力，并且能够通过图像分析得出反应规律。手持实验曲线的形成过程恰恰是利用已知数据描点作图的过程，而数据的采集过程则凭借传感器来实现，由此可让学生课堂设置了描点作图能力训练环节，利用所给数据，引导学生根据数据描点作图，让学生从图像中获取信息以及分析图像的方法，并感知反应过程中生成气体和反应速率随时间的变化，为之后学生对手持实验曲线图的理解和分析奠定基础。在教学环节中，教师演示利用手持技术测定碳酸钙和盐酸反应中压强随时间的变化曲线，引导学生从宏观、微观、符号和曲线4个方面进行分析，将手持技术和四重表征完美结合。从曲线中观察到，随着反应的发生，曲线斜率逐渐变小，即反应过程中由于氢离子浓度降低，反应速率逐渐变小的过程。通过实验图像的分析应用教学环节引导学生，在分析碳酸钙与盐酸反应的曲线图后，根据分析结果，尝试在此曲线的基础上画出该曲线图。再与手持实验所得的曲线图进行对比，加深对手持实验的认识和理解。在实际教学中借助多媒体，根据曲线的走向趋势对曲线进行分段、标记，教会学生实用的曲线分析方法。4应用手持技术的意义4.1使实验更加现代化、简易化手持技术使得实验教学与国际接轨，化学实验不仅可以在实验室进行，还可以在户外等场所随时随地进行。一些在传统实验室无法实施的实验也可顺利进行；一些难于理解的科学概念和原理，借助于手持技术的实验变得容易认知。例如二氧化氮与四氧化二氮的平衡体系，压强影响平衡的移动，其他条件不变，增大压强平衡会向减小压强的方向移动，这对中学生来说非常难理解，但通过手持技术测出实际压强变化，难点迎刃而解。此外，在实验结果上，仪器会自动显示给学生清晰的实验结果而不需进行复杂的数据处理工作。4.2使实验更加综合化实验的综合化不仅体现在实验手段上，同时也体现在实验内容上。实验手段的综合化主要是指在手持技术实验中，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。实验内容的综合化是指手持技术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动。4.3使实验不仅关注定性研究而且进行定量研究一些传统的实验往往只能让学生明白“有什么”，而不清楚“有多少”，学生也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）。手持技术的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。例如二氧化锰作催化剂的双氧水分解，传统的实验操作只能了解催化剂可以加快或减慢化学反应的速率，但是应用手持技术可以准确地运用压力传感器测得所分解氧气的压力，通过做线性回归，图形的斜率就是该化学反应的速率，如利用手持技术探究催化剂对双氧水分解的影响实验，效果非常好。另外还可以定时测量化学反应，即时获得反应过程中的定量数据。4.4使实验教学中教师和学生角色完成更充分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，没有足够的时间观察现象、思考问题和提出问题。利用手持技术进行的实验不仅可以解决上述问题。教师也从“信息源”向“信息平台”转变，教师不仅能够输出信息，而且可以交换信息，还能够接受学生输出的信息，从而可以促成课堂中信息的双向和多向交流，实验操作的简单化使得学生有足够的时间来发现问题，解决问题，真正实现了课堂中的师生互动乃至生生互动，使教师与学生的角色发生了根本转变。4.5使课堂变得更加高效手持技术在本质上与多媒体技术一样，都是为课堂教学服务的辅助认知手段和工具。手持技术运用在教学中除了作为学生的认知工具外，同时也是教学信息的传递工具。手持技术利用现代电子传感科技进行化学实验，将化学实验过程中每个时刻的化学变化直观地呈现在学生面前，在引导学生感受到高新科技时代气息的同时也使学生从动态角度对化学物质变化有了更本质的认识。4.6使课外探究多了一项利器手持技术突破了空间和时间的限制，使得化学实验并不只在实验室中才能进行，学生可以利用手持技术随时随地研究生活中遇到的化学问题，有利于学生将化学学科知识应用于生活，体验化学对于生活的重要价值，进而建立更为完善的化学价值观。手持技术冲破了传统实验的内容和方式的束缚，表现出极大的张力，将许多经典的化学实验化繁为易，同时也将实验的对象扩展到生活中的方方面面，利于学生主动参与，开阔思路，增强他们的科技意识和创新意识。将化学学科知识与探究技能整合，发散学生的科学思维、训练其