文　摘：隨著課程改革的不斷深化，對(duì)于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的認(rèn)識(shí)也在不斷深化，先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)不斷引入到化學(xué)實(shí)驗(yàn)中。傳感器技術(shù)是一種與現(xiàn)代科學(xué)密切相關(guān)的新興技術(shù)，研究的選題對(duì)象主要是定量實(shí)驗(yàn)或是定量定性相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)，具有便捷、直觀、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。在中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入傳感器技術(shù)，不僅革新中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，拓展實(shí)驗(yàn)方法，提高定量實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度，還能促使學(xué)生了解先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，提高學(xué)生動(dòng)手能力。
關(guān)鍵字：傳感器 定量實(shí)驗(yàn) 酸堿中和滴定 動(dòng)手能力

　　一 問題的提出
　　隨著課改的進(jìn)一步深化，化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)內(nèi)容占據(jù)一定比重，其教學(xué)功能不僅僅在于能夠培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，還能夠深化學(xué)生對(duì)事物變化中的量的關(guān)系的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，理解化學(xué)變化的本質(zhì)。高中階段常見的化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)有物質(zhì)的量濃度溶液的配制、硫酸銅晶體中結(jié)晶水含量的測(cè)定,酸堿中和滴定,中和熱的測(cè)定,以及鹽的溶解度的測(cè)定等,而受實(shí)驗(yàn)條件限制，傳統(tǒng)的定量實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度不夠，學(xué)生難以接觸到先進(jìn)的定量分析化學(xué)儀器，給定量實(shí)驗(yàn)的教學(xué)帶來困擾，造成學(xué)生會(huì)做題但是解決實(shí)際問題的能力降低。
　　基于辦學(xué)條件改善，數(shù)字實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)高中校園。傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)最大的特點(diǎn)就是將實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)字化，這樣可以引入大量的定量實(shí)驗(yàn)，因此它不僅能從量的角度說明傳統(tǒng)定性實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，也可以利用數(shù)據(jù)處理向?qū)苟繉?shí)驗(yàn)得到比較精確的結(jié)果，更好地培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。本文選取“酸堿中和滴定”為案例進(jìn)行說明。
　　二 研究過程
　　1、研究背景
　?。?）傳感技術(shù)簡介
　　它是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和配套的軟件組成的定量采集和處理數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并能與計(jì)算機(jī)連接完成各種后期處理的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)。傳感技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于理科實(shí)驗(yàn)中，可以方便而迅速地收集各類物理、化學(xué)、生物、環(huán)境等數(shù)據(jù)，如位移、速度、溫度、聲音、光、電、力、pH值等。傳感器是傳感技術(shù)的核心，它能感受到待測(cè)物的相關(guān)信息，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器處理之后在液晶屏上顯示并儲(chǔ)存在內(nèi)存中。
　?。?）傳感技術(shù)充分體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的綜合化
　　手段綜合化：應(yīng)用了不同的實(shí)驗(yàn)儀器、裝置，具有廣泛性和綜合性。計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、傳感器和相應(yīng)軟件與其他化學(xué)儀器的整合更加突出了手段的信息化、現(xiàn)代化，綜合了時(shí)代信息。
　　內(nèi)容綜合化：不僅能實(shí)現(xiàn)單一學(xué)科單因素及多因素研究，而且還體現(xiàn)了跨學(xué)科的多因素研究，多角度觀察，并與現(xiàn)代信息技術(shù)完全整合，同時(shí)體現(xiàn)了研究性、探究性實(shí)驗(yàn)等綜合實(shí)踐活
　?。?）化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用傳感器技術(shù)的價(jià)值
　　《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》中特別強(qiáng)調(diào)“通過以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)研究的過程，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，強(qiáng)化科學(xué)探究的意識(shí)，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力”。
　　目前我們所提出的探究性實(shí)驗(yàn)，是以學(xué)生為課堂和實(shí)踐活動(dòng)中的主體，教師引導(dǎo)學(xué)生探討或師生共同探討。一些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中學(xué)生只能對(duì)化學(xué)現(xiàn)象有一個(gè)膚淺的認(rèn)識(shí)（定性研究），而不能在量上有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)（定量研究）。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中使用先進(jìn)的傳感技術(shù)，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果會(huì)給學(xué)生直觀的數(shù)據(jù)或圖像顯示，更加體現(xiàn)了科學(xué)的準(zhǔn)確性。
　　傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)因?yàn)檫^程復(fù)雜，步驟繁瑣，往往使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課中扮演了一個(gè)參加機(jī)械勞動(dòng)的 “機(jī)器”，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中必須把大量的精力和時(shí)間花費(fèi)在操作過程上，沒有足夠的時(shí)間來觀察現(xiàn)象、思考問題和提出問題。傳感技術(shù)有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及培養(yǎng)學(xué)生的觀察力。有利于探究教學(xué)活動(dòng)的開展，增強(qiáng)學(xué)生間的交流與合作。
　　傳感器是獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一類有效武器，利用傳感器可以獲得實(shí)驗(yàn)過程中關(guān)于溫度、濃度、色度、pH等很多方面的數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)采集器或計(jì)算機(jī)，可以將數(shù)據(jù)以圖形等多種形式顯示出來，學(xué)生可以非常直觀地對(duì)圖形進(jìn)行觀察，然后做出判斷或預(yù)測(cè)，還可以利用相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合、微積分處理、數(shù)學(xué)建模等多種形式的處理，以發(fā)現(xiàn)隱藏在數(shù)據(jù)背后的化學(xué)規(guī)律和原理。有助于培養(yǎng)學(xué)生分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。以及實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，從而全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。
　　2、實(shí)驗(yàn)實(shí)施
　?。?）與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比
　　“一份未知濃度的NaOH溶液15ml ，用1mol/l的鹽酸溶液滴定，用去酸30ml ，求該NaOH溶液的濃度”，這道關(guān)于酸堿中和滴定的計(jì)算題，對(duì)于學(xué)完人教必修1的學(xué)生來說很簡單，但是如果減少一個(gè)數(shù)據(jù)“一份未知濃度的NaOH溶液15ml ，用1mol/l的鹽酸溶液滴定，能否計(jì)算出該NaOH溶液的濃度”。這就是定量實(shí)驗(yàn)的問題了。
　　首先明確“定什么量？”、“如何定量？”、“如何精確定量？”。實(shí)驗(yàn)任務(wù)是精確求出達(dá)到滴定終點(diǎn)的耗酸量，再經(jīng)過量的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)處理求出未知NaOH溶液濃度。這又引出問題，如何確定滴定終點(diǎn)？傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用指示劑變色指示滴定終點(diǎn)，指示劑的變色范圍距離滴定終點(diǎn)pH＝7有一定偏差?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》在《化學(xué)反應(yīng)原理》和《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》兩個(gè)選修模塊的活動(dòng)與探究建議中都明確提出通過實(shí)驗(yàn)繪制滴定曲線。如果要繪制滴定曲線，使用傳統(tǒng)儀器則十分麻煩。比如我們使用pH計(jì)，我們只能滴加一定體積測(cè)定一次混合溶液的pH，同時(shí)還需要記錄滴加的體積。最后將測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過描點(diǎn)、作圖等處理過程，才能形成曲線圖。另外，由于我們不可能每滴加一滴酸（或堿）溶液就測(cè)定一次數(shù)據(jù)，這樣實(shí)驗(yàn)的信度也不高。如果使用pH傳感器，它可以實(shí)時(shí)記錄滴定過程中混合溶液的pH，而且測(cè)得的數(shù)據(jù)能以圖形的形式顯示出來，我們只要控制滴加速度（勻速），很容易就可以得到一個(gè)pH對(duì)時(shí)間的滴定曲線，找到溶液PH=7時(shí)對(duì)應(yīng)的加入鹽酸體積。
　?。?）實(shí)驗(yàn)儀器和藥品
　　GQY手持主機(jī)5104，pH傳感器，光電門傳感器，酸式滴定管和磁力攪拌器，GQY中和滴定固定板，量筒，1mol/l的鹽酸溶液,NaOH溶液,PH標(biāo)準(zhǔn)液。
　?。?）溶液配制和準(zhǔn)備
　　用量筒量取15ML未知濃度的NaOH溶液與燒杯中待滴定；
　　將酸式滴定管中加滿1mol/l的鹽酸溶液并放出氣泡待用；
　　用PH為4.00，9.18的標(biāo)準(zhǔn)溶液將PH傳感器標(biāo)定；
　　打開磁力攪拌器，并確保光電門等傳感器都連接好；打開光電門選擇液滴計(jì)數(shù)模式，并清零。
　?。?）界面準(zhǔn)備
　　裝載實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹瑪?shù)據(jù)采集器與軟件連接，運(yùn)行GQY數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室單機(jī)運(yùn)行平臺(tái)，打開酸堿中和滴定和滴定曲線的繪制實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，單擊設(shè)備連接，進(jìn)行傳感器連接，問號(hào)消失，顯示設(shè)備連接成功，界面準(zhǔn)備完成。
　?。?）實(shí)驗(yàn)操作
　　單機(jī)實(shí)驗(yàn)開始按鈕，置于ON，開始實(shí)驗(yàn)；
　　調(diào)節(jié)滴定管旋鈕，調(diào)整滴定管按鈕，讓酸以不連續(xù)的液滴開始滴定；
　　等PH降到7以下時(shí)，單擊開始按鈕，置于OFF，完成一次實(shí)驗(yàn)
　?。?）實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示
　　計(jì)算機(jī)繪制出滴定過程中的pH的變化曲線，并求導(dǎo) 
　　注：紅色為酸堿中和滴定PH變化曲線，
　　藍(lán)色為對(duì)PH求導(dǎo)導(dǎo)數(shù)曲線，以確定出嚴(yán)格意義的滴定終點(diǎn)（導(dǎo)數(shù)曲線的極值點(diǎn)）
　　3、實(shí)驗(yàn)總結(jié)
　　基于傳感技術(shù)繪制出滴定曲線使學(xué)生真實(shí)的感受到反應(yīng)過程中pH的變化特點(diǎn)，真正感受到滴定過程中“突躍”的存在，解決了教學(xué)中的難點(diǎn)。而理解指示劑的選擇這一難點(diǎn)，即指示劑的變色范圍距離滴定終點(diǎn)pH＝7有一定偏差，那么為什么還可以用來指示滴定的終點(diǎn)？關(guān)鍵也在于理解中和過程中pH存在的突躍。pH的突躍是真實(shí)存在的，但如何讓學(xué)生直觀感受到它的存在，是傳統(tǒng)教學(xué)難以做到的，但使用傳感技術(shù)可以解決這些問題。在滴定曲線圖的輔助下，學(xué)生比較容易建立滴定突變的概念，而且通過定量分析，對(duì)學(xué)生形成科學(xué)的思維和學(xué)習(xí)方法起到了積極作用。
　　三、展望
　　把傳感技術(shù)引入化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，能使學(xué)生學(xué)會(huì)從定量的角度分析和解決問題，探求變量之間的因果關(guān)系和相關(guān)關(guān)系，發(fā)展了學(xué)生的問題解決能力;學(xué)會(huì)如何進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí),學(xué)會(huì)合作學(xué)習(xí);培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和對(duì)社會(huì)的責(zé)任感；真正體現(xiàn)了新課標(biāo)教育思想。
　　期待數(shù)字實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)更多中學(xué)校園，讓更多學(xué)生接觸到新進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，以提高未來公民的科學(xué)素養(yǎng)。
 
參考書目：
［1］中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）.北京：人民教育出版社
［2］傳感技術(shù)?酸堿中和滴定曲線的繪制 安徽：安徽師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院
［3］鄭長龍等主編.化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新視野.北京：高等教育出版社，2003
［4］ 宋心琦主編.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書（選修 4）.北京：人民教育出版社

責(zé)任編輯：花勇