手持技術在測定化學反應速率中的應用王德華（寧波市鎮海中學浙江寧波315200）摘要本文討論了手持技術在測定化學反應速率方面的應用，通過手持技術實現數據的獲取以及借助計算機進行曲線繪制，訓練學生對數據與曲線的分析能力，并對應用手持技術助力教學做了討論。關鍵詞手持技術傳感器數據曲線有效教學1問題的提出在蘇教版《化學反應原理》專題2第一單元化學反應速率的表示方法中，對反應速率是這樣測定的：1.在錐形瓶中放入5g大理石，加入20mL1mol/L鹽酸。每隔10s觀測注射器中氣體的體積，將實驗數據記錄到表中。2.以mL/s為反應速率的單位，計算每10s時間間隔內的反應速率，將計算結果填入上表中。時間/s102030405060氣體體積/mL反應速率/mL·s-13.以反應時間為橫坐標，產生氣體的體積為縱坐標，在左邊的坐標紙上繪制二氧化碳氣體體積[V(CO2)]-反應時間（t）曲線圖。4.比較你與其他同學的實驗結果，如有差異，分析產生差異的可能原因。從圖中可看出，教材是通過注射器中體積的變化再結合時間來測定反應的速率（反應速率=△V/△t）。但是在實際操作中，往往會出現由于注射器摩擦過大或者氣密性不好等原因而導致實驗誤差很大，不同學生得到的實驗結果相差也懸殊。所以有必要尋求對教材中的實驗進行改進，以得到較為準確的實驗數據，輔助對教材實驗的補充，從而更有利于本課的教學。手持技術（Hand-heldTechnology），即數字化手持技術實驗，又稱為掌上實驗室（Labinhand），是由計算機和微電子技術相結合的新型數字化實驗手段，主要包括：數據采集器、傳感器、計算機及其配套軟件三部分。手持技術集數據采集、分析于一體，具有便攜、直觀、實時、定量等特點。將手持技術應用于中學化學實驗教學與研究性學習，能轉變學生的學習方式，培養學生的科學探究能力和創新精神，體現了新一輪浙江省基礎教育改革的思想和理念。基于此，本塊內容教學上借助了手持技術進行課本實驗的改進，以達到較好的實驗效果，并訓練學生獲取數據并對數據作圖以及對圖的分析的能力。2本課的前端分析2.1學情分析本次授課的對象為高二理科班學生，在化學2的學習中對反應速率有一定的了解，初步掌握了化學反應速率的表示方法等相關知識，為本課的學習打下了良好的基礎。但在化學2的教學中，僅涉及到對化學反應速率定性判斷，其中設置的實驗也僅從定性角度來實施，具體實驗操作安排如下：【實驗1】取兩支大試管，各加入5mL12%的過氧化氫溶液，將其中一支試管用水浴加熱，觀察并比較兩支試管中發生的變化。【實驗2】取兩支大試管，各加入5mL4%的過氧化氫溶液，用藥匙向其中一支試管內加入少量二氧化錳粉末，觀察發生的變化。【實驗3】取兩支試管，分別加入5mL4%、5mL12%的過氧化氫溶液，再各加入幾滴0.2mol/L氯化鐵溶液，觀察并比較兩支試管中氣泡生成的快慢。所以學生對反應速率定量測定比較陌生，不知道如何比較準確地測定反應速率。所以在本課的教學中，教師要引導好學生進行實驗裝置的搭置，同時，由于本實驗對教材實驗進行了改進，還需把教材實驗過渡到改進實驗。2.2教學目標知識與技能（1）通過手持技術測出碳酸鈣和鹽酸反應過程中壓強的變化，從定性和定量角度認識反應物濃度對反應速率的影響。（2）初步學會測定某些化學反應速率的方法。（3）初步學會實驗數據的記錄與記錄。過程與方法（1）通過本次實驗的學習，了解實驗改進的一般思路。情感態度與價值觀（1）通過對實驗結果的分析，進一步了解現代測量技術，并感受手持技術具有便攜、直觀、實時、定量等特點。（2）體驗實驗在科學探究中的重要作用，激發科學探究的興趣和學習化學的熱情。2.3教學重難點化學反應速率的表示方法根據壓強變化來繪制曲線圖及其對曲線的分析2.4教學方法2.4.1學案導學所謂“學案導學”是指以學案為載體，以導學為方法，教師的指導為主導，學生的自主學習為主體，師生共同合作完成教學任務的一種教學模式。這種教學模式一改過去老師單純的講，學生被動的聽的“滿堂灌”的教學模式，充分體現了教師的主導作用和學生的主體作用，使主導作用和主體作用和諧統一，發揮最大效益。通過學生的自主學習，培養學生的自學能力，提高教學效益。2.4.2手持技術在本次課中，運用手持技術來測定氣體壓強的變化，進而繪制出壓強隨時間變化的曲線，幫助學生分析、理解反應過程中壓強隨時間的變化曲線在不同階段所代表的具體意義，從而得到反應過程中反應速率隨時間的變化情況。3教學的實施教材中對速率的測定是通過△V/△t來計算的，根據pv=nRT，針對同一對應的實驗中，溫度近似相等，所以可以用△p/△t來表示反應速率。在本次課中，用壓強傳感器對傳統實驗進行改進，實驗裝置圖如下所示：手持技術實驗與傳統實驗相比較，最大不同在于傳統實驗注重對現象的描述和對現象、數據的分析處理，而數字化手持實驗則可以通過軟件直接得到實驗數據曲線圖像，因此手持實驗的教學難點在于對實驗獲得的曲線的分析。利用多媒體技術引導學生對課本實驗展開教學，通過學案的設置來訓練學生根據已知數據描點作圖的能力，并且能夠通過圖像分析得出反應規律。手持實驗曲線的形成過程恰恰是利用已知數據描點作圖的過程，而數據的采集過程則憑借傳感器來實現，由此可讓學生課堂設置了描點作圖能力訓練環節，利用所給數據，引導學生根據數據描點作圖，讓學生從圖像中獲取信息以及分析圖像的方法，并感知反應過程中生成氣體和反應速率隨時間的變化，為之后學生對手持實驗曲線圖的理解和分析奠定基礎。在教學環節中，教師演示利用手持技術測定碳酸鈣和鹽酸反應中壓強隨時間的變化曲線，引導學生從宏觀、微觀、符號和曲線4個方面進行分析，將手持技術和四重表征完美結合。從曲線中觀察到，隨著反應的發生，曲線斜率逐漸變小，即反應過程中由于氫離子濃度降低，反應速率逐漸變小的過程。通過實驗圖像的分析應用教學環節引導學生，在分析碳酸鈣與鹽酸反應的曲線圖后，根據分析結果，嘗試在此曲線的基礎上畫出該曲線圖。再與手持實驗所得的曲線圖進行對比，加深對手持實驗的認識和理解。在實際教學中借助多媒體，根據曲線的走向趨勢對曲線進行分段、標記，教會學生實用的曲線分析方法。4應用手持技術的意義4.1使實驗更加現代化、簡易化手持技術使得實驗教學與國際接軌，化學實驗不僅可以在實驗室進行，還可以在戶外等場所隨時隨地進行。一些在傳統實驗室無法實施的實驗也可順利進行；一些難于理解的科學概念和原理，借助于手持技術的實驗變得容易認知。例如二氧化氮與四氧化二氮的平衡體系，壓強影響平衡的移動，其他條件不變，增大壓強平衡會向減小壓強的方向移動，這對中學生來說非常難理解，但通過手持技術測出實際壓強變化，難點迎刃而解。此外，在實驗結果上，儀器會自動顯示給學生清晰的實驗結果而不需進行復雜的數據處理工作。4.2使實驗更加綜合化實驗的綜合化不僅體現在實驗手段上，同時也體現在實驗內容上。實驗手段的綜合化主要是指在手持技術實驗中，應用了不同的實驗儀器裝置，具有廣泛性和綜合性。計算機、數據采集器、傳感器和相應軟件與其他化學儀器的整合更加突出了手段的信息化，現代化，綜合了時代信息。實驗內容的綜合化是指手持技術不僅能實現單一學科單因素及多因素研究，而且還體現了跨學科的多因素研究，多角度觀察，并與現代信息技術完全整合，同時體現了研究性、探究性實驗等綜合實踐活動。4.3使實驗不僅關注定性研究而且進行定量研究一些傳統的實驗往往只能讓學生明白“有什么”，而不清楚“有多少”，學生也只能對化學現象有一個膚淺的認識（定性研究），而不能在量上有一個清晰的認識（定量研究）。手持技術的實驗研究結果會給學生直觀的數據或圖像顯示，更加體現了科學的準確性。例如二氧化錳作催化劑的雙氧水分解，傳統的實驗操作只能了解催化劑可以加快或減慢化學反應的速率，但是應用手持技術可以準確地運用壓力傳感器測得所分解氧氣的壓力，通過做線性回歸，圖形的斜率就是該化學反應的速率，如利用手持技術探究催化劑對雙氧水分解的影響實驗，效果非常好。另外還可以定時測量化學反應，即時獲得反應過程中的定量數據。4.4使實驗教學中教師和學生角色完成更充分傳統的化學實驗因為過程復雜，步驟繁瑣，往往使學生在實驗課中扮演了一個參加機械勞動的“機器”，學生在實驗操作過程中必須把大量的精力和時間花費在操作過程上，沒有足夠的時間觀察現象、思考問題和提出問題。利用手持技術進行的實驗不僅可以解決上述問題。教師也從“信息源”向“信息平臺”轉變，教師不僅能夠輸出信息，而且可以交換信息，還能夠接受學生輸出的信息，從而可以促成課堂中信息的雙向和多向交流，實驗操作的簡單化使得學生有足夠的時間來發現問題，解決問題，真正實現了課堂中的師生互動乃至生生互動，使教師與學生的角色發生了根本轉變。4.5使課堂變得更加高效手持技術在本質上與多媒體技術一樣，都是為課堂教學服務的輔助認知手段和工具。手持技術運用在教學中除了作為學生的認知工具外，同時也是教學信息的傳遞工具。手持技術利用現代電子傳感科技進行化學實驗，將化學實驗過程中每個時刻的化學變化直觀地呈現在學生面前，在引導學生感受到高新科技時代氣息的同時也使學生從動態角度對化學物質變化有了更本質的認識。4.6使課外探究多了一項利器手持技術突破了空間和時間的限制，使得化學實驗并不只在實驗室中才能進行，學生可以利用手持技術隨時隨地研究生活中遇到的化學問題，有利于學生將化學學科知識應用于生活，體驗化學對于生活的重要價值，進而建立更為完善的化學價值觀。手持技術沖破了傳統實驗的內容和方式的束縛，表現出極大的張力，將許多經典的化學實驗化繁為易，同時也將實驗的對象擴展到生活中的方方面面，利于學生主動參與，開闊思路，增強他們的科技意識和創新意識。將化學學科知識與探究技能整合，發散學生的科學思維、訓練其