基于化學學科核心素養的數字實驗在高中化學教學中創新應用的案例分析

周祖保

摘要：本文主要論述了基于化學學科核心素養的數字實驗在高中化學教學中創新應用案例。應用氧化還原反應電位傳感器探究FeCl3溶液與不同金屬單質反應，應用數字化實驗技術演示實驗具有直觀、量化、快速呈現化學反應過程等特點。

關鍵詞：化學核心素養??數字化實驗??FeCl3溶液??金屬單質??甲酸

核心素養是目前基礎教育理論研究和實踐關注的一大熱點。核心素養是學生應具備的、能適應終身發展所需要的必備品格和關鍵能力，是關于學生知識、技能、情感、態度、價值觀等多方面要求的綜合表現。化學學科依據自身學科的特點提出了“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學精神與社會責任”“實驗探究與創新意識”五個維度的學科核心素養。這就要求化學課堂教學中要轉變教學觀念，改變以往“知識本位”教學理念，教學過程注重培養學生能力，特別是學生終身發展所必需的能力;教學設計和教學過程要更加關注以生為本，以能力培養為本。化學學科是一門實驗性學科，主要依托化學實驗作為載體對學生能力進行培養和提升。隨著科學技術的發展，化學實驗技術在不斷地更新，例如數字化實驗技術在國內外都被廣泛應用于化學領域，依據這些新技術可以更好地培養學生能力，更好地落實化學學科核心素養。本文具體分享我課題組所開展的關于數字化技術在高中化學課堂教學創新應用方面的一些工作。

高中化學教學需要演示或學生動手實驗較多，絕大多數實驗都是定性實驗。這無法從微觀和定量角度呈現實驗結論，也不利于培養學生嚴謹的學習習慣。實現化學反應現象和結論以數形結合的形式定量呈現，有利于培養學生分析數據獲得信息的能力，加深學生對知識的理解。例如人教版高中化學必修一第三章《鐵的化合物基本性質》教學中涉及化學實驗較多，這些實驗主要目的是探究Fe3+和Fe2+的氧化性和還原性等方面的知識，且這些實驗都是定性實驗，主要通過觀察顏色變化或是否有沉淀生成，而實驗的溶液中成分多，觀察顏色變化及沉淀生成受到干擾較大，常達不到預期的實驗效果。我課題組應用氧化還原電位傳感器探究FeCl3溶液與不同金屬反應，有助于學生更好地理解Fe3+的氧化性。我們在實際教學中用氧化還原反應電位傳感器測定鐵釘與 FeCl3溶液反應溶液電勢變化，實驗步驟如下：取一個250 mL三頸燒瓶向其中加入100 mL的1 mol/L的FeCl3溶液，插入氧化還原反應電位傳感器開始測定數值，然后加入一根鐵釘并用磁力攪拌器帶動鐵釘轉動，用氧化還原反應傳感器記錄的實驗過程相關數據如圖一所示：（提示：縱坐標數值越大，溶液氧化性越強，數值越小，溶液的還原性越強）

依據開始測定的縱坐標數值較大可以推斷FeCl3溶液具有強氧化性，而通過定性實驗學生是無法直觀感受FeCl3溶液具有強氧化性;鐵釘一加入，氧化還原反應電位傳感器的數據就開始減小，實驗現象立即直觀地展示在學生面前，學生很快就能從圖中看出，溶液氧化性在不斷地減弱，說明溶液中生成了具有還原性的物質，然后再根據氧化還原反應的知識推斷Fe與FeCl3溶液反應的離子方程式為Fe+2Fe3+3Fe2+。

在此實驗的基礎上我們還借助氧化還原反應電位傳感器進一步探究Cu、Zn和Al等活潑性不同的金屬與FeCl3溶液反應的實驗，實驗步驟如下：取一個250 mL三頸燒瓶向其中加入100 mL 1 mol/L的FeCl3溶液，插入氧化還原反應電位傳感器開始測定數值，然后加入大小形狀相同的鐵、銅、鋅和鋁（四種金屬都用鹽酸浸泡一段時間除去表面的氧化物膜）并用磁力攪拌器攪拌，用氧化還原反應傳感器記錄實驗前60 s內相關數據，實驗所得的數據如圖二所示。從數據分析圖象可以看出，金屬越活潑，與等濃度的FeCl3溶液反應越快，實驗結果在圖象中很快且直觀地展現在學生面前，這是傳統定性實驗不能達到的實驗效果。

在上述實驗的基礎上我們進一步探究了鋅、鐵、銅和鋁與FeCl3溶液反應過程是否相同，實驗步驟如下：取一個250 mL三頸燒瓶向其中加入100 mL的1 mol/L的FeCl3溶液，插入氧化還原反應電位傳感器開始測定數值，然后加入過量的鋅粒、鐵、銅和鋁并用磁力攪拌器攪拌，用氧化還原反應傳感器記錄的實驗過程相關數據如圖三和圖四所示：從傳感器記錄的數據可以看出，過量的Zn和Al與FeCl3溶液反應初期過程與Cu、Fe與FeCl3溶液反應過程相似;反應一段時間過后反應曲線出現突變且后期曲線又上升，原因是初期反應是Zn+2Fe3+2Fe2++Zn2+、Al+3Fe3+3Fe2++Al3+;曲線突變時該反應基本完成，后期曲線上升原因是Zn+Fe2+Fe+Zn2+、2Al+3Fe2+3Fe+2Al3+。所以通過該實驗能過定量地證明過量Zn或Al與FeCl3溶液反應過程是分兩步進行的。傳統定性實驗難以達到這樣的實驗效果。

總結上述實驗我們可以得到以下實驗結論：

1.定量的顯示Fe3+具有強氧化性。

2.對比三者與FeCl3溶液反應的曲線，觀察曲線斜率大小可以直觀地比較出Fe、Cu和Al與Fe3+溶液反應快慢，反應速率：Al>Fe>Cu。

3.通過實驗可以直觀地顯示過量的Zn和Al與FeCl3溶液反應分兩步進行。

運用氧化還原反應電位傳感器使在課堂有限時間內無法完成的定性實驗能夠在短時間內直觀且定量地展示給學生，大大地提高了化學課堂教學的效率。使定性實驗轉化為定量實驗，有助于學生對知識的接受和加深理解，更有利于培養學生實事求是的科學精神，真正落實微觀探析和實驗探究的學科核心素養。