便携式数据采集系统在化学拓展课中的应用

便携式数据采集系统在化学拓展课中的应用唐群路寅辉张颖胡玲燕彭捷1便携式数据采集系统简介1.1优势简介便携式数据采集系统将传感器和计算机组成多功能的测量系统，能够独立地或者与传统的仪器结合起来进行实验，快速、高精度的实时采集数据，自动记录和分析处理。

它能够完成教师和学生自行设计的许多实验，以及用传统仪器做不成或做不好的实验。

它配合校园网、局域网，可以实现化学学科，甚至整个大理科学科的师生互动学习。

1.2时代背景便携式数据采集系统的使用适应了全球教育技术发展的趋势，促进了信息技术与课程的全面结合。

近年来，新兴的教学设备提供了全新的教学手段，信息技术与学科科学的整合已经成为世界教育领域发展的趋势。

美国、德国、丹麦、荷兰、以色列、日本、韩国等国相继推出了各种数字化教学实验室系统，并且应用到了各类学校中。

便携式数据采集系统也适应了国内新课改的需要。

现代教育的理念是不仅仅要让学生获得一定的知识和技能，也要通过学习过程养成科学的思维和研究方法，还要形成正确的情感、态度、价值观。

我国的基础教育高中新课程改革于2004年在四省试行，2007年在全国推开。

新课程倡导发展学生的主动性，使学生较为深入地学习物理、化学、生物实验的有管理论、方法和技能，进一步提高学生的实验素养。

主要表现为，激发学生实验探究的兴趣，增强学生的创新意识，培养学生实事求是、严谨认真的科学态度，养成交流合作的良好习惯，发展学生的实践能力等方面。

便携式数据采集系统在激发学生兴趣、帮助师生探究实验过程、实验误差分析、实验结果评估方面具有传统实验设备无法超越、无可比拟的优势。

上海市二期课程改革提出：课程的价值追求，要从传递知识为本转向以学生的发展为本，着力培养学生的主动发展意识与能力，培养积极的情感、态度与价值观；课程内容上，从关注学科知识为主，转向关注学科领域与现实生活世界的沟通，重视学生的学习经历；课程结构上，强调基础性、整体性和选择性，重视落实基础学力，加强各类课程之间的联系，适应学校和学生的多样化需要；课程实施中，从单向传递为主走向教育教学过程中呈现的事物之间的多元、多层、多向、多群之间的互动。

二期课改方案按照课程的功能分成了基础型课程、拓展型课程和研究型课程。

这种课程划分维度体现了上海的独到思考：试图协调培养学生的创新、实践能力与打好共同基础、体现基础要求的差异性之间的关系；试图通过不同功能的课程，将培养学生创新精神、实践能力与打好基础落到实处。

①拓展课从课程内容上看，可以分为横向扩展（extension）和纵向扩展（expansion）②，横向扩展并不超越相关基础课程的范围和层次，但有了课程设置的支持，学生自发探索更多自己感兴趣的问题成为了可能。

《身边的化学》拓展课的开展正是出于这样一种初衷，尽管从后面的进展（便携式数据采集系统的引入）看来，这门拓展课还可以承载更多。

1.3优势简介便携式数据采集系统使得中学的多种理科定量研究得以简便实现。

与之配套的实验数据快速处理系统则可以实现数据存储、绘制图表、数学建模等功能。

数据采集系统包括数据采集器和传感器。

传感器是一系列根据一定物理化学原理制成的物理化学量的感应器具，以电信号的形式传输到数据采集器（或者装有相关软件的PC机）上，由数据采集器（或者装有相关软件的PC机）进行数据存储、转换或显示。

③常用的传感器有：温度传感器、pH传感器、CO2传感器、溶解氧传感器、色度传感器、浊度传感器、压强传感器、电流强度传感器。

图表1色度计①“上海二期课程教材改革研究”课题组.关于上海二期课程教材改革的研究[J].课程教材,2005.5②王维臣.美国中小学的拓展课程[J].外国中小学教育,2002年,3③钱扬义.掌上实验技术与中学理科探究[J].化学教育, 2004.8图表 2 pH传感器图表 3 浊度计图表4溶解氧传感器图表5二氧化碳传感器图表6紫外光传感器2 携式数据采集系统在化学学科中的应用2.1 携式数据采集系统支持下的拓展课实验作为基础化学课实验的延拓化学基础课的学习自身包含有许多教师演示实验和学生探究实验，这些实验起到了引起学生兴趣，引出学科规律，培养学生动手能力、信息处理能力、问题意识、假设求证的思维方式、质疑精神等重要作用。

但是在课堂有限的时间内，在该课既定的学习目标范畴下，实验的功能发挥受到了限制。

例如，沪科版化学教科书（下）第页，“探索影响化学反应速率的因素”，实验一决定因素——反应物自身的性质。

教科书上采用钠和镁两种不同金属与水反应，从产生气泡的程度看出反应速率的不同。

由于钠跟水反应十分迅速，镁在常温下与水反应非常缓慢，只好在加热后观察气泡（气泡仍然较少）。

因此认为钠比镁活泼很多的性质差异，决定了两者反应速率的差异。

可以看出，设计者使用钠和镁进行比较还是煞费苦心的，若使用钠和钾，与水反应都很迅速，肉眼难以观察；若使用镁和锌，与相同浓度的硫酸反应，现象倒是比镁跟水反应明显的多，可是依靠肉眼分辨其快慢实在是在不够客观。

学生在浓度、颗粒大小、温度、催化剂对反应速率的影响的实验中，学习的内容之一正是控制变量，分析单一变量的影响。

具有质疑精神和问题意识的学生就会产生“钠和镁两种不同金属与水反应，可不可以控制变量，在相同温度下进行”的问题。

这一问题完全可以在拓展课上，利用便携式数据采集系统——配备压强传感器进行探索。

实验物品：形状、大小差不多的钾、钠（绿豆大小，不可以太多）；蒸馏水；便携式数据采集器；压强传感器；与传感器配套的活塞、胶管、250mL烧瓶2个。

实验步骤：烧瓶中放入150mL水，加入钾快，迅速盖上塞子，按下“开始”按钮；进行5~10秒，拔下活塞（防止大量气体冲开活塞）；保存好采集的数据；“新建”一个文件；另拿一个烧瓶加入150mＬ水，加入钠块，同上采集数据；保存数据。

结果分析：调出两次采集的数据，在同一个“气体压强—时间”坐标体系中对照两次数据所得的曲线，由它们斜率的明显差异可以看出钾与水反应要比钠与水的反应速率快。

结论：钾比钠活泼，这一物质自身性质决定了它们与水反应的速率是钾比钠快。

2.2 携式数据采集系统支持下的学生设计实验——学生探索自己感兴趣的问题的途径新课程改革认为课程内容应该从关注学科知识为主，转向关注学科领域与现实生活世界的沟通；不仅关注获取知识这一结果，还要重视学生获取知识的经历和过程。

在新课程理念的指导下，基础课上，教师尽可能为学生提供探究和体验的过程。

但是由于课时的限制，设备的制约，课堂上的探究往往会被加以种种限制，学生如果提出与本节课目标关系不大的、现有条件难以实现的探究要求，往往只能被“改期”至课后。

化学拓展课作为基础课程的延伸，肩负了横向扩展和纵向扩展的责任。

《身边的化学》作为横向拓展课程，有了便携式数据采集系统的帮助，可以在更短的时间内满足学生更多的探究需求。

★案例：二氧化碳浓度的测定关于二氧化碳浓度的测定，早在初中学习二氧化碳的时候，部分学生已经尝试过利用二氧化碳的化学性质，大致测定并对比不同区域二氧化碳的浓度。

但由于操作复杂、精确度不够等原因，探究不能尽兴。

学会了二氧化碳传感器和数据采集器的使用，学生提出了自己感兴趣的问题。

第一组，校园内室外的各个位置的CO2浓度会不会不一样？预测：足球场绿地上、花园里、草地上应该较低。

第二组，不同楼层的教室、走廊CO2的浓度一样吗？预测：底楼通风不良，CO2浓度可能较高。

第三组，室内的人数较多的教室是不是比人数较少的教室CO2浓度大？预测：应该是这样。

第四组，地铁高峰和非高峰期时段，车厢CO2浓度一样吗？预测：高峰期浓度CO2较大。

实施测量：使用传感器pasco ps-2110，量程1~100000ppm，分辨率测量值的10%。

以第一组为例，学生将各采集地点的CO2浓度（体积百分比）标注在了自绘的校园地图上，便于分析比较。

（图1）分析：①因为植物的光合作用，绿地上方的空气CO2浓度相对较低，足球场虽然有大面积的草坪，但当时有许多同学在运动，可能是造成球场CO2浓度比其他绿地CO2浓度偏高的原因。

②艺体馆的CO2浓度最高，因为其中有室内篮球场、乒乓球场、钢琴教室、形体教室，且当时正值各类拓展课时间，艺体馆内人员呼出大量CO2。

③宿舍楼前的小块绿地CO2浓度相对较高，可能是因为鼓乐队几十人正在训练的缘故。

④北面的食堂、宿舍附近CO2浓度仅次于艺体馆，可能由于16：00左右正是食堂准备晚餐的时间，燃料产生的CO2扩散到了空气中，又正好是南风，所以食堂北面的CO2浓度上升显著。

结论与建议：绿色植物对于降低CO2浓度是有显著作用的；室内运动场所空气污浊，建议不要长时间停留，平时进行体育运动最好在户外进行；空气流动对CO2的扩散有显著影响，平时应当注意室内的通风换气。

图1 校园地图其他各组也得出了自己的结论。

第二组，各楼层走廊（室外）比室内CO 2浓度偏低，从5楼教室到1楼教室，CO 2浓度逐层升高，可能有1~3楼为初中同学，好动、新陈代谢旺盛的原因，但是主要应该是楼层较低处通风不畅造成的。

第三组，住宿学生对比了晚自修教室和同楼层的普通教室，前者CO 2浓度高出后者近一倍，推测是因为晚自修教室白天关闭，晚上使用时为避免蚊蝇，经常不开窗的缘故，建议勤开窗，常换气。

第四组测量了地铁六号线高峰时刻与非高峰时刻的CO2浓度，前者为后者的3.5倍体积分数约1.1%。

一般来讲CO2的浓度超过1%会有部分人出现胸闷、眩晕等症状，因此人多拥挤的场合体弱多病者不宜久留。

由于便携式数据采集器采样测量迅速，数据处理方便，为学生探究“不同地足球场 0.080% 0.083% 1.5% 0.075% 0.082% 0.090%0.093% 0.12% 0.060% 0.052%0.051% 0.11%0.088% 食堂宿舍 教学楼3教学楼2教学楼1 室外篮球场艺体馆 北点CO2的浓度”解决了技术上的障碍，研究者只需要去设计自己的实验、分析数据并得出有意义的结论。

上述各组的探究都是在一节拓展课上完成的。

尽管有了技术上的支持，学生探究仍然需要教师导引。

多数学生面对得出的大量数据缺乏思路，一时不能看出数据背后的含义，这时需要教师组织讨论，启发思维。

例如食堂北部CO2的浓度较高，经过讨论，学生觉得CO2的分布不均与风向有关，南风把校园的CO2都吹到了北面，但是学校围墙是透风的铁栅栏，没有理由CO2会堆积、经久不散啊。

教师提示：产生CO2的不一定是人啊。

再次议论之后，有学生想到燃料的燃烧也会产生CO2，食堂就会使用燃料，再考虑时间正值准备晚餐时间。

于是这一问题得到了解决。

2.3 便携式数据采集系统支持下的科学生活——探究生活中的化学品随着科学技术的发展，越来越多的日用化学品进入到我们的生活，超市货架上的洗涤剂、沐浴露、润肤霜、护发素、尿不湿、牙膏……成为我们生活中不可缺少的一部分。