手持技術(shù)在測定化學(xué)反應(yīng)速率中的應(yīng)用王德華（寧波市鎮(zhèn)海中學(xué)浙江寧波315200）摘要本文討論了手持技術(shù)在測定化學(xué)反應(yīng)速率方面的應(yīng)用，通過手持技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取以及借助計算機進行曲線繪制，訓(xùn)練學(xué)生對數(shù)據(jù)與曲線的分析能力，并對應(yīng)用手持技術(shù)助力教學(xué)做了討論。關(guān)鍵詞手持技術(shù)傳感器數(shù)據(jù)曲線有效教學(xué)1問題的提出在蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》專題2第一單元化學(xué)反應(yīng)速率的表示方法中，對反應(yīng)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(shù)據(jù)記錄到表中。2.以mL/s為反應(yīng)速率的單位，計算每10s時間間隔內(nèi)的反應(yīng)速率，將計算結(jié)果填入上表中。時間/s102030405060氣體體積/mL反應(yīng)速率/mL·s-13.以反應(yīng)時間為橫坐標(biāo)，產(chǎn)生氣體的體積為縱坐標(biāo)，在左邊的坐標(biāo)紙上繪制二氧化碳?xì)怏w體積[V(CO2)]-反應(yīng)時間（t）曲線圖。4.比較你與其他同學(xué)的實驗結(jié)果，如有差異，分析產(chǎn)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(jié)合時間來測定反應(yīng)的速率（反應(yīng)速率=△V/△t）。但是在實際操作中，往往會出現(xiàn)由于注射器摩擦過大或者氣密性不好等原因而導(dǎo)致實驗誤差很大，不同學(xué)生得到的實驗結(jié)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(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，輔助對教材實驗的補充，從而更有利于本課的教學(xué)。手持技術(shù)（Hand-heldTechnology），即數(shù)字化手持技術(shù)實驗，又稱為掌上實驗室（Labinhand），是由計算機和微電子技術(shù)相結(jié)合的新型數(shù)字化實驗手段，主要包括：數(shù)據(jù)采集器、傳感器、計算機及其配套軟件三部分。手持技術(shù)集數(shù)據(jù)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(shù)應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)與研究性學(xué)習(xí)，能轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新精神，體現(xiàn)了新一輪浙江省基礎(chǔ)教育改革的思想和理念?；诖?，本塊內(nèi)容教學(xué)上借助了手持技術(shù)進行課本實驗的改進，以達(dá)到較好的實驗效果，并訓(xùn)練學(xué)生獲取數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)作圖以及對圖的分析的能力。2本課的前端分析2.1學(xué)情分析本次授課的對象為高二理科班學(xué)生，在化學(xué)2的學(xué)習(xí)中對反應(yīng)速率有一定的了解，初步掌握了化學(xué)反應(yīng)速率的表示方法等相關(guān)知識，為本課的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。但在化學(xué)2的教學(xué)中，僅涉及到對化學(xué)反應(yīng)速率定性判斷，其中設(shè)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(fā)生的變化?！緦嶒?】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(nèi)加入少量二氧化錳粉末，觀察發(fā)生的變化?！緦嶒?】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(xué)生對反應(yīng)速率定量測定比較陌生，不知道如何比較準(zhǔn)確地測定反應(yīng)速率。所以在本課的教學(xué)中，教師要引導(dǎo)好學(xué)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(xué)目標(biāo)知識與技能（1）通過手持技術(shù)測出碳酸鈣和鹽酸反應(yīng)過程中壓強的變化，從定性和定量角度認(rèn)識反應(yīng)物濃度對反應(yīng)速率的影響。（2）初步學(xué)會測定某些化學(xué)反應(yīng)速率的方法。（3）初步學(xué)會實驗數(shù)據(jù)的記錄與記錄。過程與方法（1）通過本次實驗的學(xué)習(xí)，了解實驗改進的一般思路。情感態(tài)度與價值觀（1）通過對實驗結(jié)果的分析，進一步了解現(xiàn)代測量技術(shù)，并感受手持技術(shù)具有便攜、直觀、實時、定量等特點。（2）體驗實驗在科學(xué)探究中的重要作用，激發(fā)科學(xué)探究的興趣和學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情。2.3教學(xué)重難點化學(xué)反應(yīng)速率的表示方法根據(jù)壓強變化來繪制曲線圖及其對曲線的分析2.4教學(xué)方法2.4.1學(xué)案導(dǎo)學(xué)所謂“學(xué)案導(dǎo)學(xué)”是指以學(xué)案為載體，以導(dǎo)學(xué)為方法，教師的指導(dǎo)為主導(dǎo)，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)為主體，師生共同合作完成教學(xué)任務(wù)的一種教學(xué)模式。這種教學(xué)模式一改過去老師單純的講，學(xué)生被動的聽的“滿堂灌”的教學(xué)模式，充分體現(xiàn)了教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，使主導(dǎo)作用和主體作用和諧統(tǒng)一，發(fā)揮最大效益。通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，提高教學(xué)效益。2.4.2手持技術(shù)在本次課中，運用手持技術(shù)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(xué)生分析、理解反應(yīng)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(yīng)過程中反應(yīng)速率隨時間的變化情況。3教學(xué)的實施教材中對速率的測定是通過△V/△t來計算的，根據(jù)pv=nRT，針對同一對應(yīng)的實驗中，溫度近似相等，所以可以用△p/△t來表示反應(yīng)速率。在本次課中，用壓強傳感器對傳統(tǒng)實驗進行改進，實驗裝置圖如下所示：手持技術(shù)實驗與傳統(tǒng)實驗相比較，最大不同在于傳統(tǒng)實驗注重對現(xiàn)象的描述和對現(xiàn)象、數(shù)據(jù)的分析處理，而數(shù)字化手持實驗則可以通過軟件直接得到實驗數(shù)據(jù)曲線圖像，因此手持實驗的教學(xué)難點在于對實驗獲得的曲線的分析。利用多媒體技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生對課本實驗展開教學(xué)，通過學(xué)案的設(shè)置來訓(xùn)練學(xué)生根據(jù)已知數(shù)據(jù)描點作圖的能力，并且能夠通過圖像分析得出反應(yīng)規(guī)律。手持實驗曲線的形成過程恰恰是利用已知數(shù)據(jù)描點作圖的過程，而數(shù)據(jù)的采集過程則憑借傳感器來實現(xiàn)，由此可讓學(xué)生課堂設(shè)置了描點作圖能力訓(xùn)練環(huán)節(jié)，利用所給數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)描點作圖，讓學(xué)生從圖像中獲取信息以及分析圖像的方法，并感知反應(yīng)過程中生成氣體和反應(yīng)速率隨時間的變化，為之后學(xué)生對手持實驗曲線圖的理解和分析奠定基礎(chǔ)。在教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師演示利用手持技術(shù)測定碳酸鈣和鹽酸反應(yīng)中壓強隨時間的變化曲線，引導(dǎo)學(xué)生從宏觀、微觀、符號和曲線4個方面進行分析，將手持技術(shù)和四重表征完美結(jié)合。從曲線中觀察到，隨著反應(yīng)的發(fā)生，曲線斜率逐漸變小，即反應(yīng)過程中由于氫離子濃度降低，反應(yīng)速率逐漸變小的過程。通過實驗圖像的分析應(yīng)用教學(xué)環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生，在分析碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)的曲線圖后，根據(jù)分析結(jié)果，嘗試在此曲線的基礎(chǔ)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(rèn)識和理解。在實際教學(xué)中借助多媒體，根據(jù)曲線的走向趨勢對曲線進行分段、標(biāo)記，教會學(xué)生實用的曲線分析方法。4應(yīng)用手持技術(shù)的意義4.1使實驗更加現(xiàn)代化、簡易化手持技術(shù)使得實驗教學(xué)與國際接軌，化學(xué)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(tǒng)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(xué)概念和原理，借助于手持技術(shù)的實驗變得容易認(rèn)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(xué)生來說非常難理解，但通過手持技術(shù)測出實際壓強變化，難點迎刃而解。此外，在實驗結(jié)果上，儀器會自動顯示給學(xué)生清晰的實驗結(jié)果而不需進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作。4.2使實驗更加綜合化實驗的綜合化不僅體現(xiàn)在實驗手段上，同時也體現(xiàn)在實驗內(nèi)容上。實驗手段的綜合化主要是指在手持技術(shù)實驗中，應(yīng)用了不同的實驗儀器裝置，具有廣泛性和綜合性。計算機、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，綜合了時代信息。實驗內(nèi)容的綜合化是指手持技術(shù)不僅能實現(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，同時體現(xiàn)了研究性、探究性實驗等綜合實踐活動。4.3使實驗不僅關(guān)注定性研究而且進行定量研究一些傳統(tǒng)的實驗往往只能讓學(xué)生明白“有什么”，而不清楚“有多少”，學(xué)生也只能對化學(xué)現(xiàn)象有一個膚淺的認(rèn)識（定性研究），而不能在量上有一個清晰的認(rèn)識（定量研究）。手持技術(shù)的實驗研究結(jié)果會給學(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。例如二氧化錳作催化劑的雙氧水分解，傳統(tǒng)的實驗操作只能了解催化劑可以加快或減慢化學(xué)反應(yīng)的速率，但是應(yīng)用手持技術(shù)可以準(zhǔn)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(xué)反應(yīng)的速率，如利用手持技術(shù)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(xué)反應(yīng)，即時獲得反應(yīng)過程中的定量數(shù)據(jù)。4.4使實驗教學(xué)中教師和學(xué)生角色完成更充分傳統(tǒng)的化學(xué)實驗因為過程復(fù)雜，步驟繁瑣，往往使學(xué)生在實驗課中扮演了一個參加機械勞動的“機器”，學(xué)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(xiàn)象、思考問題和提出問題。利用手持技術(shù)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(zhuǎn)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(xué)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(xué)生有足夠的時間來發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，真正實現(xiàn)了課堂中的師生互動乃至生生互動，使教師與學(xué)生的角色發(fā)生了根本轉(zhuǎn)變。4.5使課堂變得更加高效手持技術(shù)在本質(zhì)上與多媒體技術(shù)一樣，都是為課堂教學(xué)服務(wù)的輔助認(rèn)知手段和工具。手持技術(shù)運用在教學(xué)中除了作為學(xué)生的認(rèn)知工具外，同時也是教學(xué)信息的傳遞工具。手持技術(shù)利用現(xiàn)代電子傳感科技進行化學(xué)實驗，將化學(xué)實驗過程中每個時刻的化學(xué)變化直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，在引導(dǎo)學(xué)生感受到高新科技時代氣息的同時也使學(xué)生從動態(tài)角度對化學(xué)物質(zhì)變化有了更本質(zhì)的認(rèn)識。4.6使課外探究多了一項利器手持技術(shù)突破了空間和時間的限制，使得化學(xué)實驗并不只在實驗室中才能進行，學(xué)生可以利用手持技術(shù)隨時隨地研究生活中遇到的化學(xué)問題，有利于學(xué)生將化學(xué)學(xué)科知識應(yīng)用于生活，體驗化學(xué)對于生活的重要價值，進而建立更為完善的化學(xué)價值觀。手持技術(shù)沖破了傳統(tǒng)實驗的內(nèi)容和方式的束縛，表現(xiàn)出極大的張力，將許多經(jīng)典的化學(xué)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(xué)生主動參與，開闊思路，增強他們的科技意識和創(chuàng)新意識。將化學(xué)學(xué)科知識與探究技能整合，發(fā)散學(xué)生的科學(xué)思維、訓(xùn)練其