试谈手持技术在中学化学教学中的应用 ——以气体“温室效应”的探究实验为例
李金花1 谢素梨2 黄菲菲1 钱扬义1*
（1 华南师范大学 化学教学与资源研究所，广州，510006；2 广州市第八十中学） 摘 要 本文通过利用手持技术设计具体的实验，测定了在太阳光下不同气体温度随时间的变化、在红外灯照射下不同浓度CO2之间以及CO2和CH4温度随时间的变化，验证了气体种类和浓度是影响“温室效应”的重要因素的结果。最后以本实验为例并结合手持技术仪器的特点探讨了手持技术在中学化学教学中的应用。
关键词 手持技术 温室效应 温室气体 化学教学
1 前言
地球的大气层起着温室玻璃的作用，允许波长较短的太阳辐射穿过，抵达地球表面，却能够吸收波长较长的地球的红外辐射热，使地球保持着一种温暖的状态，这种现象被形象地称为“温室效应”。大气中具有“温室效应”的气体称为温室气体，主要包括水蒸气、CO2、O3、CH4、CO、NOx 以及 CFC（Chloro-fluoron-carbon的简称，属氟氯烃类化合物）等 [1-2]。因此，“温室效应”的增强所导致的全球气温的增幅就应该跟温室气体的性质以及含量有关，借助手持技术仪器便携、实时、准确、直观、综合性强等优点，可以设计学生实验进行验证。
“温室效应”是全球关注的环境问题之一，而与“温室效应”有关的知识成为我国近年来中考、高考、模拟考化学的考查热点。笔者在高三年级解答学生问题时，发现学生对“温室效应”产生的本质以及“温室效应”对环境的影响等问题理解存在困难。由此访问了几位中学教师，他们普遍反映：学生平时自主的积累与“温室效应”有关的知识是不足的，而教师在课堂上也没有深入展开“温室效应”相关知识的教学，更重要的是他们也没有想到以何种方式开展此专题的教学活动。为了解决学生和化学教师的困难，笔者以“温室效应”为主要关键词查阅了相关的文献资料和书籍，欣然的发现，通过引导学生设计“温室效应”影响因素的探究实验来解决以上的教学难点。
2 “温室效应”影响因素的实验
2.1 仪器与药品
手持技术实验仪器：温度传感器（-25℃~110℃）4根 数据采集器（NOVA5000）
*钱扬义，电子邮箱：qianyy@scnu.edu.cn
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普通实验仪器：带胶塞的导管2根 10mL和100mL量筒各一个 水槽1个 铁架台 普通试管 具支试管1支 300mL的医用盐水玻璃瓶8个 红外灯（500W）1盏 药品：双氧水（30%） 二氧化锰 盐酸 大理石 固体醋酸钠 碱石灰 凡士林 2.2 实验设计与操作 2.2.1 校正实验
在实验室内，把4个温度传感器同时放入装有自来水的同一水槽，启动NOVA5000测试它们的灵敏度和温度偏差值是否一致。
2.2.2 太阳光照射下CO2、空气、O2温度“温室效应”强度的比较
取3个300mL的玻璃瓶分别收集满CO2、空气和O2。分别将温度传感器通过塞子中间的小孔插入玻璃瓶中并使它们处于同一高度，组装好仪器后（露置于空气中的温度传感器用于测量环境温度变化情况），把装置置于太阳底下，设置并启动NOVA5000，开始采集数据。观察实验情况，实验后根据各种气体的最高温度及平均温度来分析实验结果。此实验标记为实验1。
2.2.3 红外灯照射下不同浓度CO2的空气“温室效应”强度的比较
取4个300mL 的玻璃瓶，通过排水法收集不同体积的CO2，依次得到分别含10%、20%、30%、40%CO2的空气混合物。
将装满含有不同浓度CO2的空气的4个瓶子摆放好，并使它们离红外灯中心的距离一致以保持各个瓶子接受同等强度的红外光照射。分别将温度传感器穿过塞子中间的小孔插入瓶中。组装好仪器后，设置并启动NOVA5000，打开红外灯照射，开始采集数据。观察实验情况，实验后根据不同浓度气体的最高温度和平均温度来分析实验结果和它们的变化规律。此实验标记为实验2。 2.2.4 红外灯照射下CH4和CO2“温室效应”强度的比较
取2个300mL的玻璃瓶分别收集满CO2和CH4。如实验2所操作，比较CH4和CO2
“温室效应”的强弱。此实验标记为实验3。 2.3 实验结果与分析 2.3.1 校正实验结果与分析
实验所用到的4根温度传感器灵敏度和温度偏差值一致，可以不需要校准数据而直接作图分析。 2.3.2 实验1结果与分析
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图1太阳光照射下CO2、空气、O2温度随时间的变化曲线
表1 实验1的数据记录 温度
O2
空气
CO2
环境
最高温度/℃ 38.72 39.18 39.67 34.03 平均温度/℃ 38.33 38.71 39.09 33.21 温度上升情况 较少 较多 最多 变化少
由图1以及表1可以看出，环境的温度比较稳定利于实验的进行，三类气体的最高温度以及平均温度的顺序都是CO2>空气>O2（因为在太阳底下升温比较慢，平均温度取实验后阶段600到1200秒期间较高温度区的平均温度分析）。据了解，红外吸收只适应具有红外活性的化合物，即含有共价键、并在振动过程中伴随有瞬时偶极矩变化的化合物。完全对称分子，没有偶极矩变化，辐射不能引起共振，无红外活性，非对称分子有偶极矩，有红外活性[5-6]。由此可见，CO2是影响大气 “温室效应”的主要气体之一，而空气是多种气体的混合物，含有大部分无红外活性的气体（N2和O2）和含有少部分红外活性气体（CO2等），所以整体“温室效应”强度比O2强但温度相差较近。实验结果与文献[3]结果相吻合。 2.3.3 实验2结果与分析
图2 不同浓度CO2温度随时间的变化曲线
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表2 实验2的数据记录
温度
CO2的浓度
10%
20%
30%
40%
最高温度/℃ 34.86 36.00 36.41 36.70 平均温度/℃ 32.75 33.33 33.59 34.00 温度上升情况 最少 较少 较多 最多
由图2以及表2可以看出，在红外灯的照射下，随着CO2浓度增高，温度升高得越快越多。由此可说明，跟“温室效应”的强度与温室气体的浓度有一定的关系，浓度越高“温室效应”越强。但 “温室效应”强度与CO2浓度之间具体的函数关系式还需要进一步的大量实验研究。 2.3.4 实验3结果与分析
图3 CH4和CO2温度随时间的变化曲线
由图3可知，在红外灯的照射下，CH4比CO2温度升高得越快越多，说明CH4的“温室效应”强度比CO2强，实验结果与文献[4]结果吻合。对此结果的解释是：气体的温室效应强度主要以它的红外吸收强度来表征，而红外吸收又与分子本身的振动方式有关，而每种振动方式都需要一定的能量。振动方式等于3n一6(非线型分子)或3n一5(线型分子)(n为分子中的原子数) [5-6]。CH4、CO2的振动方式分别9和4种，故CH4的红外吸收强度更强。
4 结论与思考
4.1 实验结论
由实验1和3得出的结论是：气体的种类是影响大气“温室效应”的重要因素之一。温室气体的判断依据是该气体分子在振动过程中伴随有瞬时偶极矩变化的共价化合物，不同气体所产生的“温室效应”强度大小还可以根据气体分子振动方式的多少来判断。因此，可以通过控制温室气体的排放来控制全球气候的继续上升。
由实验2得出的结论是：温室气体的浓度是影响大气“温室效应”强度的重要
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因素之一。因此，可以通过减少温室气体的排放量来减弱大气“温室效应”的增强。 4.2 手持技术在中学教学中的应用思考 4.2.1在学生探究实验教学中的应用
手持技术促进中学探究实验教学的开展。以本实验为例，学生可以在教师的引导下设计“温室效应”的影响因素的探究实验，而他们在此过程中学到的知识远远比教师课堂的灌输式教学所学到的要多。从文献资料、实验设计、实验进行到实验结果分析，学生能深入了解“温室效应”产生的本质及其影响因素，学生的各方面能力得到了提高，包括探究实验设计能力，图表数据的处理与分析能力，团队合作能力。手持技术仪器的便携使学生能随时随地开展实验；该仪器的实时、准确、直观让学生不仅能即时观察实验结果，还使实验结果能及时记录下来供实验后处理和分析；该仪器综合性强，能测量多种物理量，可供学生开展各种探究实验。鉴于这些优点，很多中学目前已经利用手持技术开展探究实验，具有定量测定功能的手持技术使中学生的课外探究实验推进了一个新阶段。 4.2.2 在课堂教学中的应用
将手持技术或其成果引入课堂教学能提高课堂教学效果。在本实验后，笔者将不进行任何标注的实验数据曲线图呈现给学生后，让学生思考并回答预先设计的问题。发现学生非常积极的思考、对图表的分析深入、能较全面的回答问题，教学效果非常好。学生反映说，相对于文字来说，图表的展示能直观的表达气体“温室效应”的强弱，而且图表的展示能吸引他们对教师授课内容的注意，引起他们思考和学习的兴趣，同时可以加深对新知识的记忆或理解。手持技术将实验结果以数据、表格和曲线图的形式展示，根据需要直接将手持技术引入课堂实验教学或者利用这些结果进行课堂教学会得到不错的效果，也利于学生图表分析能力、数据处理能力的培养，用于某些概念教学有利于帮助学生对抽象概念的理解。对于没有条件进行课外探究活动的学校，将手持技术辅助下的定量实验成果用于课堂教学是一个不错的选择。
参考文献
[1] J.Houghton著，戴晓苏等译.全球变暖.气象出版社，1998：10-88 [2]徐爱清,况明生. 中国水运(理论版）,2006,4(6)：231-232
[3]钱扬义.手持技术在研究性学习中的应用及其心理学基础.北京：科学出版社，2006：68-85
[4]江世忠,谭显华,邓峰等.化学教育，2006(12):40-41
[5]曾昭琼，李景宁.有机化学.北京：高等教育出版社（第四版），2004：194-202 [6]周公度，段连云.结构化学基础（第3版）.北京：北京大学出版社，2005：99-106
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试谈手持技术在中学化学教学中的应用
