數(shù)字化靈敏實驗助力化學概念的建構(gòu)

張現(xiàn)霞

摘要：以“電解質(zhì)與非電解質(zhì)”的概念建構(gòu)為例，探討數(shù)字化實驗和靈敏小實驗在化學概念建構(gòu)過程中的設(shè)計、應(yīng)用和價值。利用集成電路板式物質(zhì)導電裝置創(chuàng)設(shè)人體能導電的真實情境，提出“人體為什么能導電”的驅(qū)動性問題，引導學生利用精密電導率儀從定性走向定量開展實驗探究，在數(shù)據(jù)處理和分析過程中建構(gòu)電解質(zhì)、非電解質(zhì)等概念，從探究活動中學到知識、習得能力、發(fā)展素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化靈敏化實驗；化學概念；電解質(zhì)與非電解質(zhì)

文章編號：1008-0546（2022）01-0091-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.022

*本文系上海市嘉定區(qū)教育科研一般課題“以實驗為核心的高中化學課堂學生活動的設(shè)計與實踐研究”（立項編號：JB20015）階段性成果。

一、問題的提出——“電解質(zhì)與非電解質(zhì)”概念建構(gòu)的傳統(tǒng)教學設(shè)計

“電解質(zhì)與非電解質(zhì)”概念的建構(gòu)是高一學生在初中物質(zhì)分類的基礎(chǔ)上，從能否導電的角度對各類化合物的再分類、再概括的過程，是離子反應(yīng)、電化學原理的基礎(chǔ)，是發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)的有效載體之一。

在傳統(tǒng)的教學設(shè)計中，一般采用燈泡串聯(lián)溶液的導電裝置（下文稱“燈泡式物質(zhì)導電裝置”）對化合物溶液能否導電進行實驗，該實驗簡單、直觀，但往往因靈敏度不夠，無法在安全電壓下解釋“水是電解質(zhì)”這一事實。據(jù)筆者調(diào)研，學生在以往的學習經(jīng)歷中通過初中“電解水”的實驗知道“水能導電”，但初中“電解水”的實驗需向水中加入氫氧化鈉等物質(zhì)增加導電能力，實際上學生缺乏“純水可以導電”的真實體驗。另外，傳統(tǒng)教學中探究“物質(zhì)在熔化時的導電性”時一般也是通過燈泡式物質(zhì)導電裝置完成，有時候受限于加熱操作不方便、演示實驗受眾面小等而采用視頻代替，這顯然不利于學生對“電解質(zhì)與非電解質(zhì)”概念的建構(gòu)。

為提高溶液導電能力檢測的靈敏度，一系列含靈敏元件的儀器設(shè)備應(yīng)運而生，如含有發(fā)光二極管的溶液導電儀、臺式或筆式電導率儀。溶液導電儀（圖1）能幫助學生直觀地判斷電解質(zhì)和非電解質(zhì)溶液，同時可根據(jù)發(fā)光二極管亮燈的個數(shù)鑒別強電解質(zhì)和弱電解質(zhì)溶液，但正是因為該裝置的設(shè)計初衷是同時鑒別強電解質(zhì)、弱電解質(zhì)和非電解質(zhì)溶液，要求配制相同濃度的溶液進行實驗，故該裝置適用于驗證性實驗，在新授課的學生探究活動中并不適用。電導率儀能從定量的角度分析純水、酸溶液、堿溶液、鹽溶液電導率值，既能發(fā)展“證據(jù)推理與模型認知”的核心素養(yǎng)，又能帶領(lǐng)學生體驗數(shù)據(jù)處理的一般思路和方法。

當然，傳統(tǒng)教學中對“電解質(zhì)與非電解質(zhì)”概念關(guān)鍵詞“或”“和”“化合物”的辨析是非常必要的，它能幫助學生加深對概念的理解，但缺少有效實驗的概念辨析很容易演變成純粹的、靜態(tài)的文字游戲，這與“素養(yǎng)為本”的教學理念不符。

二、基于數(shù)字化實驗和靈敏小實驗建構(gòu)“電解質(zhì)與非電解質(zhì)”概念的教學設(shè)計（見圖2）

1.集成電路板式物質(zhì)導電裝置提高實驗靈敏度

傳統(tǒng)的燈泡式物質(zhì)導電裝置靈敏度差，在安全電壓下無法創(chuàng)設(shè)“人體導電”的真實情境，也無法解釋“純水能導電”這一事實。含多個發(fā)光二極管的溶液導電儀操作繁瑣，要求溶液濃度相同，不利于探究活動的開展。為解決以上問題，筆者使用一個發(fā)光二極管，做成集成電路板式的物質(zhì)導電裝置，并用該裝置進行人體導電實驗和純水的導電實驗（圖3、圖4）。

使用該裝置探究“物質(zhì)在熔化時的導電性”也特別奏效，操作簡單，現(xiàn)象明顯，如圖5。實驗過程中很明顯地觀察到硝酸鉀固體熔化過程中發(fā)光二極管逐漸變亮，熔融硝酸鉀在冷卻凝固過程中發(fā)光二極管逐漸變暗，這能很好地幫助學生理解“物質(zhì)導電的前提條件”。通過對比熔化狀態(tài)的硝酸鉀和熔化狀態(tài)下的蔗糖導電情況，學生很容易找到“離子化合物和共價化合物的實驗鑒別方法”。要向?qū)W生說明加熱熔化硝酸鉀需要注意的安全事項。在加熱熔化蔗糖時需要特別注意溫度，防止高溫下蔗糖炭化生成的水使發(fā)光二極管亮起來。同時，通過對硝酸鉀晶體和蔗糖晶體熔化的時間對比，帶給學生“離子晶體和分子晶體熔沸點比較”的真實體驗。該實驗的演示過程通過投屏增加受眾面，效果很好。

2.電導率儀從定性走向定量，向?qū)W生滲透數(shù)據(jù)處理與分析的一般方法

利用燈泡式物質(zhì)導電裝置與集成電路板式物質(zhì)導電裝置分別進行人體導電實驗和純水的導電實驗，通過對比，學生真切地體會到提高靈敏度對化學實驗的重要性，從而引入定量檢測物質(zhì)導電能力的儀器——電導率儀（圖6），同時得出“水對人體導電有貢獻”的結(jié)論，并組織小組實驗用電導率儀測量純水的電導率，通過實驗發(fā)現(xiàn)：不同儀器檢測同一物質(zhì)，實驗數(shù)據(jù)略有差異，這屬于實驗的系統(tǒng)誤差，引導學生形成“實驗中盡量使用同一臺儀器測量，以避免系統(tǒng)誤差”的實驗思想。

此時，教師引入一組人體細胞內(nèi)液成分和細胞外液成分的資料，引發(fā)學生再思考“人體為什么能導電”，并提出新的假設(shè)：人體中的鹽對人體導電有貢獻。組織學生進行小組實驗，匯總實驗數(shù)據(jù)（見表1），在數(shù)據(jù)處理與分析中引導學生體會“空白實驗”的意義，在小組討論中形成電離的概念。

【小組實驗一】用電導率儀測量水的電導率，讀數(shù)穩(wěn)定后記錄電導率值。

【小組實驗二】測量溶液的電導率：

用洗瓶中的水溶解本組提供的固體，形成至少2 cm高度的溶液，用電導率儀測溶液的電導率，讀數(shù)穩(wěn)定后記錄電導率值。

【小組討論】

（1）與水相比，哪些物質(zhì)的水溶液導電能力明顯增強？

（2）從物質(zhì)類別上看，水溶液導電能力明顯增強的物質(zhì)分別屬于哪類物質(zhì)？

（3）物質(zhì)水溶液的導電能力增強，可能的原因是什么？

結(jié)合小組實驗“物質(zhì)在水溶液中的電導率”和演示實驗“物質(zhì)在熔化時的導電性”，建構(gòu)電解質(zhì)和非電解質(zhì)的概念，并在初中常見物質(zhì)分類的基礎(chǔ)上進行“電解質(zhì)和非電解質(zhì)”角度的重新分類，在此過程中引導學生對“化合物”“或”“和”等字眼的辨析。最后通過一個趣味實驗，辨析“電解質(zhì)本身在水溶液中電離產(chǎn)生離子”。

【小組實驗三】

步驟一：在空氣中向電導率儀探頭處吹CO2，觀察電導率儀讀數(shù)變化；

步驟二：用電導率儀測量水的電導率，用吸管向水中吹CO2，觀察電導率儀讀數(shù)變化。

“電解質(zhì)與非電解質(zhì)”概念建構(gòu)完成后，再引導學生回答“人體為什么能導電”，鼓勵學生課后探究人體其他生理現(xiàn)象與電解質(zhì)的關(guān)系。

3.定量實驗的延續(xù)性，為“強電解質(zhì)與弱電解質(zhì)”的學習做鋪墊

在小組實驗一中教師不對學生配制的溶液做濃度限定，同種溶液不同小組測定數(shù)值不同，導電能力不同，可以引發(fā)學生深入思考，引導學生課后設(shè)計實驗：探究不同電解質(zhì)在水溶液中的導電能力差異。學生根據(jù)已有的“控制變量法”思想設(shè)計出“測量相同物質(zhì)的量濃度的不同溶液的電導率”，進而為“強電解質(zhì)與弱電解質(zhì)”的學習做好鋪墊。

【小組實驗】用電導率儀分別測量0.1 mol/L鹽酸和0.1mol/L醋酸溶液的電導率，讀數(shù)穩(wěn)定后記錄電導率值。

電導率儀能幫助學生突破“溶液的導電能力與離子濃度成正比”這一難點，實驗中的真實體驗和實驗數(shù)據(jù)的科學直觀比教師的理論分析更有說服力。另外，帶有溫度傳感器的電導率儀在探究“溫度對弱電解質(zhì)電離平衡移動的影響”中也非常方便直觀。

三、總結(jié)與思考

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。從短期效果看，傳統(tǒng)講授式的概念建構(gòu)和實驗探究體驗式的概念建構(gòu)效果差異可能并不大，但從學生終生發(fā)展來看，后者更注重學習方法和思維能力的培養(yǎng)，也更符合“學生為本”“素養(yǎng)為本”的思想。正如美國課程專家埃里克森所說：提高學業(yè)標準更多地是要求思維能力的提升，而不是掌握更多的事實內(nèi)容；學習的重心應(yīng)該從記憶事實轉(zhuǎn)移到理解可遷移的核心概念和對更為根本的知識結(jié)構(gòu)進行深層理解，培養(yǎng)和發(fā)展思維能力[1]。

隨著教育現(xiàn)代化進程的不斷推進，數(shù)字化實驗、靈敏化實驗在中學化學教學中的作用越來越突出[2]。本案例在“電解質(zhì)與非電解質(zhì)”概念的建構(gòu)過程中，含發(fā)光二極管的集成電路板式物質(zhì)導電小裝置簡單、方便，能在安全電壓下創(chuàng)設(shè)“人體能導電”的真實情境，其靈敏度足以說明“水是電解質(zhì)”，且對物質(zhì)熔化狀態(tài)下的導電實驗也特別奏效；電導率儀的使用使得數(shù)字化實驗落地，沒有復雜的實驗數(shù)據(jù)分析，但是蘊含數(shù)據(jù)處理思想，如空白實驗的設(shè)置等；另外以電導率儀為核心的數(shù)字化實驗可延續(xù)進行“強電解質(zhì)與弱電解質(zhì)”的概念構(gòu)建、“弱電解質(zhì)的電離平衡”探究等。不僅是在概念建構(gòu)，在物質(zhì)性質(zhì)探究、分析模型建立等方面，數(shù)字化實驗、靈敏化實驗的應(yīng)用也值得研究和挖掘。

參考文獻

[1]劉徽.用概念筑起通往未來之橋——讀《以概念為本的課程與教學：培養(yǎng)核心素養(yǎng)的絕佳實踐》[J].現(xiàn)代教學，2019（17）：77-79.

[2]裴傳友，馬善恒，楊芹.中學化學數(shù)字化實驗的發(fā)展與應(yīng)用[J].化學教學，2020（2）：56-60.