首页 -> 2006年第4期
高中化学实验中手持技术的应用
作者：叶春峰 蔡 军 曾 玲 薛卫东
一、手持技术在化学实验中应用的特点
手持技术是一种高科技的、现代化的方法，是实验改革和发展的有效手段。目前我们所提出的探究性实验，是以学生为课堂和实践活动中的主体，教师引导学生探讨或师生共同探索，这为手持技术应用于中学实验提供了广阔的平台。除此之外，手持技术在中学化学实验中的应用还具有以下特点。
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。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。
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。
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，[２]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。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．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，没有足够的时间来观察现象、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。
二、手持技术在新课标化学实验中的应用示例
高中化学新课标中对化学实验的重视度又有所上升。在总共八大模块中有两个必修内容，六个选修内容。在必修课程模块Ａ１中，主题２设为“化学实验基础”，它要求初步培养学生的实验操作技能以及良好的实验工作习惯。在选修模块的主题６为“实验化学”，为学有余力且对化学有着浓厚兴趣的同学提供了很好的发展余地[３]。可见新课程中大大加强了化学实验的力度，同时也强调了实验的探究性，其中新课标在每个主题下都专门设置了“活动与探究建议”栏目，并设计了多个与化学实验探究有关的活动。根据活动的内容，可以把实验探究活动分为两类：对化学物质及其变化的实验探究和对化学物质及其变化的应用研究。而且，在实验手段上，更加体现了其多元化与现代化。随着科学技术的发展，现代信息技术在教育中的应用越来越广泛。人们也越来越认识到现代技术在教育教学改革与发展中的重要性，提出了现代信息技术与学科教学整合的观点。传统教学仪器主要有投影仪、幻灯机、录像机等，而现代信息技术是指多媒体技术和网络技术，把它们融于化学实验中，实现两者的整合[４]，通过信息技术来创设生动活泼的化学实验教学情境，转变学生的化学实验学习方式，提高学生的科学素养，促进学生主动建构知识。
由于手持技术在化学实验中应用的特点与新课标下化学实验的特点相吻合，这使得这一新型技术在化学实验中的应用具有广泛的空间。探究性化学实验的数目大量增加，能更好地培养学生的创新能力和探究精神，提高他们的动手能力，丰富其科学素养。手持技术不仅可以应用于化学演示实验，如金属氧化物对过氧化物分解速率的影响，还可以应用于研究性实验和实验的开发研究中，如胃药疗效的测定分析、浓度对盐类水解的影响等。
针对教材（选修四）《化学反应原理》的第四章中《金属的电化学腐蚀与防护》的有关内容[５]，现以碳钢的腐蚀与防护实验为例，我们运用手持技术予以操作，将其作为学生的“活动与探究”实验。
钢铁在潮湿的空气中表面会形成一薄层水膜。水膜又溶解来自大气中的ＣＯ2、ＳＯ2、Ｈ2Ｓ等气体，使水膜中含有一定量的Ｈ＋，结果在钢铁的表面形成了一层电解质溶液的薄膜，它跟钢铁里的铁和少量的碳恰好形成了原电池，从而导致了钢铁的腐蚀生锈。
用手持技术来实现此实验，整套实验装置是由ＰＣ机（Ｗｉｎｄｏｗｓ ９５ 以上操作系统）、微机接口恒电位仪、线性电压扫描仪和常规三电极电解池组成。其中，ＰＣ机主要采用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ ６．０ 编程，有关数据、信息和图形均在可视化界面上显示，应用菜单鼠标进行操作，结束后可将全部数据形成文本文件保存，以后可将保存的数据导入图形处理软件，把还原成的图形进行必要的进一步处理。在实验过程中，电解池中的参比电极为饱和甘汞电极，研究电极为碳钢电极，辅助电极为铂电极。
该实验主要是培养学生的电化学实验能力和实验研究技能。此实验中碳钢与电解质溶液接触时构成了复合电极体系，可发生自腐蚀现象，在两相界面上同时发生两个电极反应：
Ｆｅ － ２ｅ- → Ｆｅ2+
２Ｈ＋ ＋２ｅ → Ｈ2（析氢腐蚀）
或Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ-（吸氧腐蚀）
在这个电化学反应过程中，碳钢作为阳极，不断氧化溶解。同时，阴极上不断产生氢气或消耗溶液中的氧。碳钢的溶解并不随着碳钢电极上电位的增加而活性增强，在活性区后，会出现钝化和钝化区。钝化现象的出现是因为在金属表面产生了一层电阻高、耐腐蚀的钝化膜，使阳极得到保护。随着电压的升高，又会出现过钝化现象，这可能是因为金属表面又出现了高价离子的原因。
传统的电化学腐蚀只是给学生一个粗略的宏观认识，仅仅让学生明白钢铁腐蚀的基本原理和一些表面的实验现象，而应用手持技术则使实验更加定量化。它可以通过自动调节外给电压实时测量反应过程中的电流强度，随着给定电压的升高，电流数值从不稳定的急剧上升阶段在达到一定的数值后开始进入极低的稳定期，而后随着电压数值的进一步升高电流数值又会快速增加，这是因为在这个电化学反应过程中出现了钝化区和过钝化区。我们也可以清楚地从计算机屏幕上观察到即时反应实验数值，让学生对钢铁电化学腐蚀和钝化过程有了一个更清楚的认识。此外，该实验操作简单、方便、快捷，能清晰地展示钢铁腐蚀实验中的电化学反应过程，从而使学生拓宽了知识面，培养了他们的创新精神，提高了研究能力。
总之，把手持技术融入化学实验中，能使学生学会如何进行探究性实验学习；学会合作学习，培养科学严谨的态度和对社会的责任感；学会从定量的角度分析和解决问题，探求变量之间的因果关系和相关关系，发展了学生的问题解决能力，真正体现了新课标教育思想。
参考文献
［１］ 钱扬仪等．信息技术与化学课程整合研究．课程·教材·教法，２００４（７）．
［２］ 钱扬仪．手持技术在理科实验中的应用研究．北京：高等教育出版社，２００３．
［３］ 中华人民共和国教育部．普通高中化学课程标准（实验）．北京：人民教育出版社．
［４］ 郑长龙等主编．化学实验教学新视野．北京：高等教育出版社，２００３．
［５］ 宋心琦主编．普通高中化学课程标准实验教科书（选修４）．北京：人民教育出版社，２００４．
（责任编辑付一静）