數(shù)字化實驗在《化學(xué)反應(yīng)原理》教學(xué)中的運(yùn)用研究

藍(lán)麗鳳

[摘要]信息技術(shù)與教學(xué)的融合是當(dāng)前教學(xué)研究的熱點(diǎn)。化學(xué)教學(xué)中融入數(shù)字化實驗，解決了傳統(tǒng)實驗“定性不定量，定量不體現(xiàn)過程”的問題，超越了傳統(tǒng)實驗。《化學(xué)反應(yīng)原理》的知識抽象、難理解，為此結(jié)合課題研究小組的實踐經(jīng)驗，以案例的形式，分享數(shù)字化實驗在突破教學(xué)難點(diǎn)、提升認(rèn)知方式、創(chuàng)新教學(xué)模式、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)等方面發(fā)揮的重要作用，促進(jìn)數(shù)字化實驗在化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用研究。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字化實驗;化學(xué)反應(yīng)原理;運(yùn)用

[中圖分類號]G633.8? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A? [文章編號]1674-6（）58（2020）02-0075-02

數(shù)字化實驗簡稱DIS（Digital Information System）實驗，是通過計算機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集器和相關(guān)軟件組成的能夠定量采集數(shù)據(jù)，并以圖表的形式清晰、準(zhǔn)確呈現(xiàn)出來的現(xiàn)代化的新型實驗技術(shù)手段。數(shù)字化實驗也被稱為“手持技術(shù)”“掌上技術(shù)”“傳感器實驗”“DIS實驗”等。它具有直觀、便攜、實時、綜合、綠色等特點(diǎn)。下面以《化學(xué)反應(yīng)原理》的教學(xué)為例，談?wù)勅绾螒?yīng)用數(shù)字化實驗，使微觀反應(yīng)宏觀化，進(jìn)而突破教學(xué)難點(diǎn)，拓展探究問題的深度和廣度，創(chuàng)新教學(xué)模式，從而提升學(xué)生的認(rèn)知方式，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、利用數(shù)字化實驗，使微觀反應(yīng)宏觀化，突破教學(xué)難點(diǎn)

微觀反應(yīng)宏觀化是培養(yǎng)“宏觀辨識與微觀探析”核心素養(yǎng)的重要保障，而數(shù)字化實驗可以使微觀反應(yīng)變得真實、直觀。連接實驗裝置及相關(guān)設(shè)備，計算機(jī)能將復(fù)雜的數(shù)據(jù)以圖表的形式動態(tài)呈現(xiàn)，讓實驗結(jié)果一目了然地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，幫助學(xué)生將抽象、概括的知識轉(zhuǎn)化成形象、具體的理解，從而有效突破教學(xué)難點(diǎn)。下面以“弱電解質(zhì)的電離”為例進(jìn)行闡述。

傳統(tǒng)教學(xué)中比較鹽酸與醋酸的酸性強(qiáng)弱，用的是pH試紙和鎂條，宏觀現(xiàn)象明顯，操作簡單，但是定性不定量，沒有數(shù)據(jù)支持，說服力不強(qiáng)。涉及電離平衡移動知識時，只是枯燥地討論外界條件對電離平衡的影響。為此，筆者所在課題組，借助數(shù)字化實驗，用pH傳感器和壓強(qiáng)傳感器測量繪制曲線，改良了上述實驗。

【實驗1】探究鹽酸和醋酸的電離程度

常溫下，分別向0.1 mol/L的HCl和CH₃COOH溶液中不斷加入中性的NaCl和CH₃COONH₄固體，用pH傳感器測量溶液pH的變化情況，實時呈現(xiàn)溶液pH隨時間變化的圖像（如圖1）。反應(yīng)的微觀本質(zhì)是增大CH₃COO^-濃度，CH₃COO^-結(jié)合H+生成CH₃COOH，平衡右移，從而降低H⁺濃度。宏觀上呈現(xiàn)出鹽酸pH不變，醋酸pH增大，從而證明了鹽酸完全電離，醋酸部分電離，存在電離平衡。

【實驗2】探究醋酸電離平衡的移動

常溫下，向兩支盛有等量Mg條的具支試管中分別同時加人過量的1 mL 1 mol/L HCl和1 mL 1 mol/L CH₃COOH，利用壓強(qiáng)傳感器測量試管內(nèi)的壓強(qiáng)變化，繪制壓強(qiáng)（p）隨時間（t）變化的曲線（如圖2）。等體積、等濃度的鹽酸和醋酸溶液中，由于鹽酸完全電離，初始H⁺濃度大于醋酸，因此反應(yīng)速率較快。加入鎂條后，醋酸中的H⁺被消耗，電離平衡被破壞，平衡右移，直至醋酸完全消耗，因此最終生成等量的氫氣。通過觀察壓強(qiáng)一時間曲線，判斷兩者速率的大小，直觀、高效地揭示了強(qiáng)弱電解質(zhì)的本質(zhì)。

利用數(shù)字化實驗，通過數(shù)字、圖像的讀取，強(qiáng)化學(xué)生對于抽象知識點(diǎn)的理解，使看不見、摸不著的弱電解質(zhì)電離平衡真實、直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，從而突破教學(xué)難點(diǎn)。實驗過程中還培養(yǎng)了學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“變化觀念與平衡思想”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、利用數(shù)字化實驗，融合四重表征教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知方式的提升

四重表征方式是化學(xué)教學(xué)中的一種常見的教學(xué)方法，它主要是從宏觀、微觀、符號、曲線四個方面幫助學(xué)生理解知識，讓學(xué)生的思維完成從宏觀到微觀的一個轉(zhuǎn)變。下面以“鐵的吸氧腐蝕”為例來進(jìn)行闡述。

魯科版教材沒有設(shè)計實驗探究鐵的腐蝕原理，其他版本的教材實驗也無法直觀顯示空氣中的氧氣參與了反應(yīng)，僅僅通過U形管的水柱變化進(jìn)行邏輯推理，無法化解學(xué)習(xí)難點(diǎn)。筆者將鐵釘改成鐵粉以縮短反應(yīng)時間，再將具支試管的出口連接壓強(qiáng)傳感器或氧氣傳感器，直接測量氧氣的數(shù)據(jù)。在宏觀現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，從實驗曲線分析相關(guān)量的變化，再從微觀角度分析其主要粒子的變化，最后落實符號信息，具體如下表所示。

由此可見，《化學(xué)反應(yīng)原理》的教學(xué)可融合“宏觀一曲線一微觀一符號”四重表征教學(xué)模式，通過分析實驗曲線，探究宏觀現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì)，再從微觀的角度分析主要微粒的實質(zhì)變化，最后落實符號表述，引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象到本質(zhì)來理解化學(xué)概念、反應(yīng)本質(zhì)及實驗原理，從而促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知方式的提升。

三、利用數(shù)字化實驗，深化定量實驗，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)

酸堿中和滴定實驗承載著實現(xiàn)課標(biāo)中“體會定量研究的方法對研究和學(xué)習(xí)化學(xué)的作用”要求的功能，其重要性不言而喻。魯科版選修4中的中和滴定，采用的是傳統(tǒng)實驗，利用酸堿指示劑的變色定性判斷終點(diǎn)，通過計算求出未知酸或堿的濃度。該探究存在不足之處：①利用指示劑的變色定性判斷中和滴定的終點(diǎn)，人為誤差較大;②無法體現(xiàn)滴定突躍與指示劑的選擇的關(guān)系;③難以說明滴定終點(diǎn)可以代替反應(yīng)終點(diǎn)（化學(xué)計量點(diǎn)）的原理;④pH的突躍是真實存在的，但傳統(tǒng)實驗卻無法讓學(xué)生直觀感受到它的存在。引入數(shù)字化實驗可以彌補(bǔ)上述不足。以鹽酸滴定NaOH和氯水的實驗為例，實驗圖如圖3所示。

從圖3曲線可以看出，pH變化不是均勻的，在鹽酸量為滴加25 mL之前的初始階段，pH變化很緩慢;在25 mL左右，pH變化迅速;在25 mL后，pH變化緩慢。pH的突躍是真實存在的，在25 mL前一滴和后一滴，溶液的pH從4.31變化到9.70，變化幅度較大。

指示劑選擇時要選擇顏色變化靈敏、顯著且顏色變化范圍窄的。人眼對藍(lán)色與紫色分辨率低，因此不用石蕊。指示劑的變色范圍和反應(yīng)終點(diǎn)pH=7會有一定的差距，但是對照滴定曲線，發(fā)現(xiàn)指示劑的變色剛好在pH突變范圍內(nèi)，因此酸堿指示劑可以用來指示中和滴定的終點(diǎn)。按照反應(yīng)終點(diǎn)鹽溶液的pH與指示劑變色范圍相一致的原則來選擇指示劑，例如鹽酸滴定氨水，反應(yīng)時生成的氯化銨溶液呈酸性，因此選擇甲基橙;而強(qiáng)酸強(qiáng)堿的滴定，由于生成的鹽溶液呈中性，用甲基橙或酚酞都可以。指示劑附表如下：

傳統(tǒng)酸堿中和滴定實驗側(cè)重于具體操作步驟、酸堿滴定管的規(guī)范使用、觀察滴定終點(diǎn)的現(xiàn)象。而中和滴定的數(shù)字化實驗通過pH傳感器自動繪制出滴定曲線，使學(xué)生真實地感受到滴定過程的“突躍”;然后分析曲線變化趨勢，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，分析曲線的起點(diǎn)、終點(diǎn)、拐點(diǎn)等特殊點(diǎn)，分析不同節(jié)點(diǎn)的微粒成分及變化，從而引發(fā)學(xué)生深層次的思考。實驗過程中幫助學(xué)生體驗宏觀和微觀的有機(jī)結(jié)合。定量實驗的縱深學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

總而言之，數(shù)字化實驗為中學(xué)化學(xué)教學(xué)帶來了革命性的變化，成為中學(xué)化學(xué)教學(xué)改革的一道亮麗風(fēng)景。教學(xué)中運(yùn)用數(shù)字化實驗是非常必要的，對培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)，增強(qiáng)實驗教學(xué)的有效性等具有積極意義。如何進(jìn)一步創(chuàng)造性地發(fā)揮數(shù)字化實驗的作用，我們教師將繼續(xù)研究和探索。生命不息，教改不止，如此方能與時俱進(jìn)。