一套多功能数字实验仪的开发

庄山

摘要：针对现行教科书中“含碳物质的完全燃烧和不完全燃烧”实验存在的对比性差、不易量化、有污染等问题，在查阅文献并分析资料的基础上，设计开发了一套集可视化、数字化等多功能于一体的实验装置，以期对自制教具的教学研究起补充与借鉴的作用。该装置还可应用于燃烧条件的探究、溶液及反应中pH的测定以及气体的制备及性质检验等多个实验。

关键词：自制教具; 多功能; 数字化; 含碳物质的燃烧; 实验探究

文章编号：10056629（2021）11007204

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

化学实验在化学教学过程中所起的作用，是任何其他教学方法所无法代替的。无论是教师演示实验还是学生分组实验，一个设计合理、现象明显的数字化定量实验，不仅能帮助学生理解化学原理，更重要的是它能激发学生学习化学的兴趣，培育学生善于探究的科学素养[1，2]。我们设计开发的多功能一体化数字实验仪，不仅让实验操作简便、现象明显，通过现象感受其微观本质的变化，而且还有利于教师在教学中突出教学重点、突破教学难点。

1 设计意图

初中化学实验既有对问题的定性研究，也有严密的定量研究，例如，测定空气中氧气含量、质量守恒定律等都需要通过实验形成定性与定量的化学思维，通过分析和研究，发现这些实验都涉及到“密闭”和“定量”这两个关键的实验方法，如何在初中化学教学中将这两个关键点有效结合，从而培养学生定性和定量分析问题的化学思维？

基于以上思考，我们设计了一套多功能数字实验仪（见图1），通过一套装置能完成多个定性实验，如固体燃烧、固液反应制气体、溶液中的反应等。此套装置中，我们还可集多种传感器于一体，同时测定实验过程中多个物理参数，如同时测定反应的温度、气体的浓度、溶液中离子浓度变化、电导率变化等，从而进行定量研究。此外，在设计装置时还考虑到实验可能对环境造成的影响，尽可能达到环保的目的。

该实验仪还兼顾学科融合，可应用于生物、科学等综合性实践活动，通过跨学科学习发展学生的STEM+素养，从而从点滴改变中真正落实立德树人的教育目标[3]。

2 实验装置

实验装置如图1所示。

说明：根据实验的需求可选择不同孔径的多孔隔板。固体药品在隔板上方，液体药品从长颈漏斗加入至隔板下方，通过控制液体（如液体过多，可通过洗耳球从长颈漏斗上方吸取）、固体药品的接触和分离实现反应的发生和停止。

3 应用案例

学习了有关含碳物质的完全燃烧和不完全燃烧。学生对含碳物质的完全燃烧产物是二氧化碳比较容易理解，也会用澄清石灰水变浑浊来验证，但对含碳物质的不完全燃烧产物一氧化碳并没有直观的认识，本实验通过自主开发设计的多功能数字实验仪来完成含碳物质木炭、蜡烛燃烧的实验，并借助传感器对含碳物质燃烧的产物进行定量的探究。

蜡烛和木炭是生活中常见的含碳物质，本实验采用电子打火器在容器内点火，在密闭装置中燃烧。通过氧气传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳检测仪同时测定实验过程中氧气、二氧化碳和一氧化碳等浓度的变化。

3.1 实验仪器

多功能环保型数字化实验仪（自制）、氧气传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳检测仪、打火器（能打出火苗的）

3.2 实验药品

实验（1）： 木炭、10%过氧化氢溶液、二氧化锰（特殊粘合剂制作的小球）

实验（2）： 蜡烛、10%过氧化氢溶液、二氧化锰（特殊粘合剂制作的小球）

4 实验原理

含碳物质充分燃烧时，与氧气反应生成二氧化碳，同时放出大量的热。当含碳物质不充分燃烧时，生成一氧化碳，同时放出热量。当含碳物质在密闭装置内燃烧时，同时利用氧气传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳检测仪测定含碳物质燃烧过程中氧气、二氧化碳、一氧化碳的含量的变化，从而准确地认识含碳物质的燃烧原理，为生活中含碳燃料不完全燃烧所带来的危险及能源浪费提供了佐证。除此之外，利用一氧化碳检测仪中的数据还能感知一氧化碳所带来的不良后果以及改进方法。通过该实验不仅可以探究含碳物质不完全燃烧的情况，还能利用该装置的优势通过探究找到解决问题的方法。

5 实验操作要点、现象及结论

实验1： 利用多功能數字实验仪对人教版九年级化学有关碳的燃烧实验进行研究。

人教版九年级化学第六单元课题1“金刚石、石墨和C60”有关碳的燃烧有这样两段描述[4]：

1. 当木炭充分燃烧时，与氧气反应生成二氧化碳，同时放出大量的热。

C+O2点燃CO2

2. 当木炭不充分燃烧时，生成一氧化碳，同时放出热量。

2C+O2点燃2CO

（1） 操作要点： ①检查装置的气密性。②安装实验仪，连接氧气传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳检测仪，并将氧气传感器数值校准至21%。③利用专用液化气灯先将木炭点燃，待其红热时，伸入仪器中，放在特制耐高温玻璃器皿内。④点击开始实验，采集氧气、二氧化碳浓度，同时观察一氧化碳检测仪的数值变化。

（2） 实验数据及现象： 氧气浓度不断下降，二氧化碳浓度不断上升（见表1、图2），同时一氧化碳浓度不断上升，一氧化碳报警器开始报警，过一段时间后，木炭熄灭。

（3） 实验结论： 木炭在密闭装置中燃烧生成二氧化碳的同时还生成一氧化碳;木炭燃烧，并不能将空气中氧气消耗完（见图2）。

实验2： 利用多功能数字实验仪对人教版九年级化学第一单元课题3“对蜡烛及其燃烧的探究”有关蜡烛燃烧产物进行研究。

（1） 操作要点： ①检查装置的气密性。②安装实验仪器，连接氧气传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳传感器，并将氧气传感器数值校准至21%。③向装置中倒入适量过氧化氢溶液，使长颈漏斗下端形成液封。④点击开始实验，电子打火点燃蜡烛，采集氧气、二氧化碳的浓度数据，并观察一氧化碳检测仪的数值变化。⑤当氧气浓度降到18%左右时，向长颈漏斗中继续加入过氧化氢溶液，观察氧气、二氧化碳、一氧化碳浓度的变化。

（2） 实验数据及现象： 氧气浓度不断下降，二氧化碳浓度不断上升（见表2、图3），同时一氧化碳浓度不断上升。一氧化碳报警器开始报警，一段时间后，蜡烛火焰变小，倒入过氧化氢溶液后，蜡烛火焰变大，同时变得更加明亮了。

（3） 实验结论： 蜡烛在密闭装置中燃烧生成二氧化碳的同时还生成一氧化碳，蜡烛燃烧，并不能将空气中氧气消耗完（见图3）。另外，随着氧气浓度的增加，一氧化碳含量下降。

6 实验说明

（1） 该实验可以让学生在数据变化和感官体验认知中，切实体验到含碳物质在氧气充足和不充足的条件下燃烧的状况和燃烧产物的不同，同时认识到物质燃烧不是有氧气就能发生，要发生燃烧氧气必须达到一定的量。该实验既激发了学生的学习兴趣，又深化了学生对教材知识的理解。

（2） 本实验源于化学学习中的真实问题，即证明含碳物质的完全燃烧和不完全燃烧的产物。实验反应特点有： ①含碳物质在透明的密闭装置中燃烧，可以清楚地观察到含碳物质从燃烧到熄灭的整个过程。②使用氧气传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳检测仪检测密闭容器中氧气、二氧化碳、一氧化碳浓度的变化。数据通过动态曲线呈现，学生真实体验到含碳物质在氧气充足和不充足的条件下燃烧状况和燃烧产物的不同，深化了对燃烧反应复杂性的认识。

（3） 本套实验装置不仅能探究含碳物质的燃烧，还能应用于多组化学实验，如： 燃烧条件的探究、溶解过程的探究、溶液及其反应中pH的测定、空气中氧气含量的測定，气体的制备、检验及性质实验等。

7 结语

教材是教学的重要信息来源，教材给出的实验一般均具有普遍性、可行性等特点，全面提升学生的化学素养，需要教师在实验教学中不断创新、勇于探索。教授学生定性研究的方法，更要强化学生定量研究的意识，将定性研究与定量研究结合起来，这样的科学探究才是科学的、有效的。我们将数字化实验应用于实验探究中，是对教材实验的有效补充，增强了实验探究的科学性和准确性。同时，将传统实验与现代实验手段有效融合不仅开阔了学生的视野，而且还提升了化学实验教学的实效。

参考文献：

[1]谢丹敏. 探究微粒运动实验装置的新设计[J]. 化学教学， 2021， （2）： 56.

[2]罗兵. 氯气制备及性质实验装置的组合化与微型化设计[J]. 化学教学， 2012， （5）： 50.

[3]吴晓红， 田小兰， 蒋思雪. 以培养学生STEM素养为目标的项目化学习设计——以“爱护水资源”为例[J]. 化学教学， 2017， （12）： 38.

[4]王晶. 郑长龙. 义务教育教科书·化学·九年级上册[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 110.