利用數(shù)字傳感器探究鐵釘銹蝕實(shí)驗(yàn)

摘要：在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字傳感器，對教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，對實(shí)驗(yàn)中氧氣含量、溫度以及壓強(qiáng)的變化情況進(jìn)行實(shí)證研究。改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)過程快，實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯、直觀，實(shí)現(xiàn)鐵釘銹蝕過程中耗氧、溫度及壓強(qiáng)變化的可視化。關(guān)鍵詞：鐵釘銹蝕條件；數(shù)字傳感器；實(shí)驗(yàn)探究1

問題提出鐵釘銹蝕實(shí)驗(yàn)是滬教版九年級《化學(xué)》（國標(biāo)）上冊“金屬防護(hù)和廢金屬回收”單元的一個重要實(shí)驗(yàn)，為探究在外部條件下鋼鐵銹蝕的影響因素，教材設(shè)計了鐵釘在干燥空氣等5種條件下逐漸生銹的對比實(shí)驗(yàn)（如圖1所示）。教師進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)演示常常需要提前一周準(zhǔn)備。若按照教材實(shí)驗(yàn)（如圖1所示）進(jìn)行教學(xué)，即便教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行每天觀察、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但由于實(shí)驗(yàn)時間跨度較長，教學(xué)效果不太明顯，尤其很難突破鐵銹蝕過程中耗氧及能量變化等知識難點(diǎn)。從已有的文獻(xiàn)研究中可以發(fā)現(xiàn)，如潘國榮[1]、胡海銘[2]、劉廣斌[3]、張楓[4]、鄭梅花[5]、王程杰[6]、談小強(qiáng)[7]等教師已對原有的設(shè)計提出了一些改進(jìn)措施，還有部分教師將鐵釘換成鐵粉加入碳粉使用傳感器來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是換成鐵粉后鐵釘在酸性條件下生銹這一實(shí)驗(yàn)過程就難以操作，鐵粉會快速與酸反應(yīng)使該實(shí)驗(yàn)有局限性。在這些實(shí)驗(yàn)中，部分教師改變了教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計的條件，部分教師改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的裝置，以達(dá)到快速觀察到鐵生銹的現(xiàn)象，但是幾乎未對教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)研究，如何實(shí)現(xiàn)鐵釘銹蝕過程中耗氧、溫度及壓強(qiáng)變化的可視化？加酸、鹽的條件與純水進(jìn)行對比是否真的加速了生銹過程？利用傳感器檢測能否將教材上5組實(shí)驗(yàn)（如圖1所示）還原并測得相關(guān)數(shù)據(jù)做定量對比？為此，帶著上述的諸多問題，筆者利用多種傳感器，對教材關(guān)于鐵釘銹蝕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了如下的優(yōu)化設(shè)計。2

實(shí)驗(yàn)部分2.1

實(shí)驗(yàn)探究思路手持技術(shù)的TQVC概念認(rèn)知模型[8]，即轉(zhuǎn)化（Transfotmation）—量化感知（QuantitativePerception）—視覺感知（VisualPerception）—比較（Compare）概念認(rèn)知模型，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和具體教學(xué)情境，進(jìn)行科學(xué)有效的信息化概念教學(xué)，幫助學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)概念，建立新舊知識間聯(lián)系。本研究基于該理論基礎(chǔ)研究鐵釘銹蝕過程。轉(zhuǎn)化：學(xué)生在教師的科學(xué)引導(dǎo)下，從熟悉的表象事實(shí)出發(fā)，鐵在有氧氣和水的條件下會生銹，氧氣的消耗過程看不見摸不著，可以通過手持技術(shù)傳感器直接測量。量化感知：利用氧氣傳感器實(shí)時、精確測量鐵生銹過程中氧氣含量的變化，將定性轉(zhuǎn)接到定量感知，同時引入溫度、壓強(qiáng)傳感器進(jìn)一步對鐵生銹過程研究，豐富量化知識。視覺感知：通過配套軟件所繪制的屬性曲線圖像，使數(shù)據(jù)更具有直觀性、可視性，為學(xué)生頭腦中的抽象概念建立模型認(rèn)知，克服認(rèn)知難點(diǎn)。比較：讓學(xué)生分析曲線信息，進(jìn)一步推理、解釋，再聯(lián)系舊知，實(shí)現(xiàn)概念構(gòu)建，具體思路如圖2所示。2.2

實(shí)驗(yàn)儀器、試劑（1）儀器：威尼爾LABQUSET2數(shù)據(jù)采集器、氧氣濃度傳感器、溫度傳感器、氣體壓強(qiáng)傳感器、250mL集氣瓶、1000mL圓底燒瓶、200mL燒杯、鐵架臺（2）試劑：鐵釘，經(jīng)煮沸并迅速冷卻的蒸餾水，氯化鈣干燥劑，棉花，4%的氯化鈉溶液，0.05%稀鹽酸2.3

實(shí)驗(yàn)方案及參數(shù)設(shè)置本實(shí)驗(yàn)利用酸處理除去鐵釘表面的油膜后浸泡清洗烘干以用作實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案如表1。在實(shí)驗(yàn)2（如圖3）中設(shè)置5組對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)順序和方案與教材實(shí)驗(yàn)一致（如圖1）。實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)2（如圖3）和實(shí)驗(yàn)3（如圖4）設(shè)置數(shù)據(jù)采集時間均為300s，間隔10s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)3（如圖4）為了進(jìn)一步說明情況，采集時間增加到1200s，間隔50s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。2.4實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖3、圖4所示。2.5實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)1鐵釘?shù)奶幚韺?～6cm長的新鐵釘放在小燒杯中，用稀鹽酸浸泡幾分鐘后，確保無銹，除去表面保護(hù)膜，把鐵釘?shù)谷胨壑袥_洗、揉搓，撈出后擦干，再用砂紙進(jìn)一步打磨直至光亮。實(shí)驗(yàn)2氧氣傳感器測量鐵生銹第1個集氣瓶底放入無水氯化鈣，用脫脂棉包裹住鐵釘?shù)募舛朔湃?。?個集氣瓶倒入冷卻的沸水沒過鐵釘后再倒入一層油封住。第3個集氣瓶中倒入少量水將鐵釘（鐵釘橫放，增大與空氣的接觸面積）半淹沒在水中。第4個集氣瓶加入少量食鹽水將鐵釘（鐵釘橫放，增大與空氣的接觸面積）半淹沒在食鹽水中，沒有接觸食鹽水的鐵釘一側(cè)也要盡量表面包裹一層食鹽水。第5個集氣瓶中加入表面有一層酸膜的鐵釘。所有實(shí)驗(yàn)都按照圖3連接好裝置，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)3氧氣、溫度、壓強(qiáng)傳感器測量鐵生銹向三頸燒瓶中加入表面有一層酸膜的鐵釘后，按照圖4連接氧氣、溫度、壓強(qiáng)傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件origin6.0進(jìn)行處理后得到下列圖像，如圖5、圖6、圖7所示。3.2圖5數(shù)據(jù)分析：在實(shí)驗(yàn)2中，對比數(shù)據(jù)可知，在干燥空氣和純水環(huán)境下，隨著時間的推移裝置內(nèi)的氧氣含量并未減少，而在接觸了空氣和水的環(huán)境中，氧氣含量在300s內(nèi)有明顯的降低，對比三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，鐵釘需要在有空氣和水的環(huán)境中才會生銹，并且鐵生銹消耗的是空氣中的氧氣。而在有酸和鹽水的條件下，300s內(nèi)曲線下降速率更快，可見有酸和鹽水存在的條件下，會加速鐵生銹的速率。3.3圖6、圖7數(shù)據(jù)分析：在實(shí)驗(yàn)3中，從數(shù)據(jù)可知，300s即可明顯觀察到隨著鐵釘生銹氧氣濃度下降，裝置內(nèi)的溫度明顯上升，1200s后變化情況更明顯，溫度升高約0.14℃，如圖7，說明鐵釘生銹消耗氧氣且緩慢放熱。無論是在300s還是1200s后，壓強(qiáng)變化都不明顯，可能是鐵生銹緩慢變化的過程中，消耗氧氣導(dǎo)致的壓強(qiáng)減小和溫度升高導(dǎo)致的壓強(qiáng)升高相互抵消的原因。4結(jié)語鐵釘生銹的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)速率慢、時間長，學(xué)生在短時間內(nèi)很難獲得直觀體驗(yàn)，尤其很難突破鐵銹蝕過程中耗氧及能量變化等知識難點(diǎn)。在鐵釘銹蝕的實(shí)驗(yàn)探究中，適時運(yùn)用利用現(xiàn)代技術(shù)手段——傳感器，學(xué)生不僅可以利用宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（鐵釘生銹）對比來探究鐵釘生銹的條件，還可以利用微觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（傳感器數(shù)據(jù)——氧氣、溫度及壓強(qiáng)的變化）來進(jìn)行化學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)證分析，變實(shí)驗(yàn)不可視為可視，從而引導(dǎo)學(xué)生多角度深入探究化學(xué)問題，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究和實(shí)驗(yàn)分析的能力，幫助學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)概念，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科思維及學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展。參考文獻(xiàn)：探究“鐵的銹蝕條件”實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計[J].化學(xué)教育，2016，37（11）：73-75.鐵銹蝕條件的探究實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].化學(xué)教育（中英文），2017，38（19）：56-57.“鐵銹蝕條件的探究”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2022，（4）：37-39.利用氧氣傳感器對鐵生銹的再探究[J