借助傳感器探究化學反應原理的教學評一體化單元教學設計

王旭達 英華 李海鷹

摘要： 在化學反應原理實驗教學中，教師應用控制變量的方法進行實驗對比觀察，利用不同傳感器設計探究實驗的新方案，引導學生捕獲新證據，結合理論知識進行定量分析，“看到”化學反應原理微觀本質，并且根據學生對實驗數據的分析情況診斷并發展學生數據處理能力、宏觀辨識與微觀探析水平以及證據推理與模型認知水平。“濃度對化學平衡的影響”和“鋼鐵吸氧腐蝕原理”實驗的教學評一體化設計突破了傳統實驗的局限，利用傳感器的優勢，幫助學生定性、定量思考改進實驗方案，快速且準確地獲取可視化的數據證據，有助于提升學生的化學學科核心素養。

關鍵詞：教學評一體化;傳感器;化學實驗;探究;單元教學

《普通高中教科書 化學 選擇性必修1 化學反應原理》注重從微觀層面探索化學反應的規律并用以分析和解決實際問題，進一步發展學生的化學觀念和化學學科核心素養。但諸如化學平衡移動和電化學原理非常抽象，學生難以將知識內化并轉化為能力^[1]。教師可以借助信息技術解決這一難題。傳感器能夠快速、定量、準確地將實驗現象轉化成可見信號，如光、溫度、壓強等信號。教師利用傳感器開展實驗教學有利于外顯化學反應原理的本質，引導學生對反應原理深刻理解。筆者以探究“濃度對化學平衡的影響”和“鋼鐵吸氧腐蝕原理”實驗為例，在多種傳感器輔助下，實施教學評一體化化學單元教學設計。

一、實驗教學設計與評價導向

（一）單元整體教學設計思路

在化學反應原理如化學平衡移動、電化學原理實驗教學中，筆者應用控制變量的科學方法做實驗，對比觀察，提出新目標，選擇不同的傳感器，并利用其優點設計新的探究實驗方案，在實驗中引導學生捕獲新證據，結合已學理論知識進行定量分析，體驗“看到”化學反應原理微觀本質的快樂。筆者基于傳感器設計了探究實驗流程（如圖1）。

（二）“濃度對化學平衡的影響”和“鋼鐵吸氧腐蝕原理”實驗教學評價思路

教師在講授化學反應原理的過程中，通常要求學生按教材上的說明做實驗，并以此診斷學生控制變量開展實驗的水平。筆者按照教學評一體化單元設計的思路，在課堂教學中引入傳感器，讓學生應用傳感器設計并實施新的實驗方案，以此診斷學生科學探究與創新意識。筆者根據學生對傳感器實驗數據的綜合分析情況，診斷并發展學生數據處理能力、宏觀辨識與微觀探析水平，證據推理與模型認知水平^[2]（如圖2）。

二、實驗教學設計案例及分析

（一）濃度對化學平衡的影響實驗

1.學習教材內容開展實驗活動，體驗控制變量科學方法

實驗過程：首先，向小燒杯中加入10 mL蒸餾水，滴入5滴0.05 mol/L FeCl₃溶液、5滴0.15 mol/L KSCN溶液，用玻璃棒攪拌使其充分混合，將混合均勻的溶液平均注入a、b、c三支試管中。然后，向試管a中滴入5滴0.05 mol/L FeCl₃溶液，向試管b中滴入5滴0.15 mol/L KSCN溶液，對比、觀察實驗現象，并與試管c進行對比。

實驗證據、分析與結論：將試管c中溶液作為對照對象，試管a、b中溶液顏色均加深，故增大平衡體系中反應物Fe³⁺或SCN^-的濃度，FeCl₃+KSCN?????Fe（SCN）₃+3KCl反應正向移動。

挑戰性問題：除了憑借肉眼觀察體系顏色變化，還有哪些實驗方案可達到此實驗目的？

2.根據色度傳感器工作原理，改進對比實驗，捕獲新證據

了解色度傳感器工作原理：光照射到盛滿待測液的比色皿上，將測量的光透過的百分比通過計算機軟件繪制透光率圖。實驗者根據透光率數值推斷溶液顏色的深淺，即透光率數值越小說明溶液顏色越深，反之，透光率數值越大說明溶液顏色越淺。

設計對比實驗：向燒杯中加入20 mL 0.05 mol/L FeCl₃溶液和20 mL 0.15 mol/L KSCN溶液，振蕩，得混合溶液M。按表1給定的順序分別裝滿對應的溶液，測量透光率，繪制曲線，觀察圖像、記錄數據、轉化信息，最后對比分析得出結論。為嚴格控制變量并觀察到顏色變化數值，分別向比色皿c、d中滴加1滴濃度更大的溶液，并振蕩。

經色度傳感器測量并繪制得出的四條透光率圖線如圖3所示。

對比分析證據得出結論：當增大反應物濃度c（Fe³⁺）或c（SCN^-），平衡體系溶液的透光率由近80%分別明顯下降到近60%、近10%，說明體系溶液顏色加深，即Fe（SCN）₃濃度增大，學生可直觀推理得到“增大反應物濃度化學平衡正向移動”這一結論。

實驗評價與反思：色度傳感器輔助探究濃度對化學平衡的影響，將溶液顏色變化轉化為可視的光信號圖像，這為學生判斷外界條件對化學平衡的影響提供了更可靠的直觀實驗證據，有利于提升學生宏微結合探析化學反應原理的本質認識水平。

（二）鋼鐵吸氧腐蝕原理實驗

1.基于教材上的實驗，體驗實驗原理外顯與證據推理過程

實驗過程：將經過酸洗除銹的鐵釘用飽和食鹽水浸泡一下，放入具支試管中，蓋緊膠塞，觀察現象。

實驗證據、分析與結論：幾分鐘后觀察到右側導管中液柱明顯上升。由此推理鐵釘在飽和食鹽水浸潤的環境下發生了吸氧腐蝕。

挑戰性問題：若使上述實驗液柱上升得更快、正負兩極反應物外顯，如何改進鋼鐵吸氧腐蝕原理實驗呢？

建立實驗原理外顯模型：學生根據提示討論后，改進實驗方案。學生模擬鐵釘的成分組成，聯想暖貼使用經歷，用還原鐵粉和活性炭粉代替鐵釘;對比飽和氯化鉀溶液與飽和食鹽水浸潤鐵釘效果后，觀察到前者實驗現象更快;為觀察到液柱更明顯上升，在小試管中加一滴紅墨水。探究實驗裝置如圖4所示。學生向錐形瓶中加入一定比例的鐵粉和炭粉，加入少量氯化鉀溶液模擬潮濕的中性環境，創建金屬電化學腐蝕模型，塞緊瓶塞，外接一盛有紅色墨水的試管，觀察導管中液柱變化情況。

再捕獲證據、分析推理：幾秒后即觀察到導管中液柱明顯上升，這說明錐形瓶內氣壓減小，有氣體參與了鐵粉的腐蝕反應。學生依據氧化還原反應原理，推理得知氧化鐵粉的氣體應該是氧氣，且因鐵粉與炭粉代替鐵釘、氯化鉀溶液代替氯化鈉溶液浸潤反應物，明顯加快了鐵粉腐蝕的速率。

實驗評價與反思：教師通過改變反應物組成方式，有效外顯鋼鐵吸氧腐蝕反應原理，以此評估并促進學生創新能力和思維水平。

再提出挑戰性問題：除了以導管中液柱上升作為推理鐵釘發生吸氧腐蝕的證據，還可以使用哪些實驗手段獲得更充分、更直接的證據來說明是何種氣體參與鐵釘腐蝕的過程？另外，聯想使用暖貼的體驗，探究鋼鐵吸氧腐蝕過程中的能量變化情況。

2.利用氧氣傳感器和溫度傳感器的特性，改進實驗，捕獲新證據

如何利用氧氣傳感器探析氧氣參與鋼鐵電化學腐蝕的實驗過程？學生根據氧化還原原理，預測鋼鐵吸氧腐蝕反應中氧氣作為氧化劑參與了正極反應，在此基礎上，利用氧氣傳感器探究并確認參與鋼鐵吸氧腐蝕反應的氣體種類為氧氣。實驗時，將氧氣傳感器探頭插入與圖4相同發生金屬電化學腐蝕的錐形瓶中。

分析實驗證據得出結論：將氧氣傳感器與計算機相連，繪制氧氣濃度變化曲線（如圖5）。

學生可清晰觀察到氧氣濃度不斷下降，確認是氧氣參與了鋼鐵在潮濕中性環境下的腐蝕，造成導管中液柱上升。

學生利用溫度傳感器探析鋼鐵吸氧腐蝕能量變化實驗過程，即把靈敏溫度傳感器探頭插入與圖4相同發生金屬電化學腐蝕的錐形瓶中。

分析實驗證據得出結論：將靈敏溫度傳感器與計算機相連，繪制鋼鐵發生電化學腐蝕過程中的溫度變化曲線。

學生可清晰地觀察到隨著鋼鐵電化學腐蝕，錐形瓶內溫度越來越高，從而得出鋼鐵吸氧腐蝕為放熱反應的結論;同時發現幾分鐘內溫度升高值不大，從而得出鋼鐵電化學腐蝕過程緩慢的結論，進而推理得知原設想中模擬的暖貼工作時會持續升溫和發熱，按產品說明書使用不會發生燙傷情況。

實驗評價與反思：學生用氧氣傳感器、溫度傳感器可將化學變化中的氣體反應物濃度和溫度的變化轉化為數據信號，從而更快捷、更準確地獲得實驗證據，進行定量實驗分析。教師以此診斷學生對實驗數據的定性分析能力，即能除了觀察宏觀現象還能用數據、圖表方式描述實驗證據并進行定量分析推理得出合理結論^[3]。

3.再探鋼鐵吸氧腐蝕實驗裝置創新設計，外顯電極反應原理微觀本質

為進一步外顯鋼鐵吸氧腐蝕過程中兩電極反應原理，在教師引導下學生做了如下實驗探究。

實驗過程：學生制作全新的鐵釘腐蝕模型，即改用U形管盛裝氯化鉀溶液，U形管左端放一鐵釘，右端放一炭棒，用導線連接電流表，用以模擬鐵釘腐蝕過程中形成的微小原電池。

分析實驗證據得出結論：實驗中，學生觀察到電流表指針明顯偏轉，根據氧化還原反應原理推理，如同“看到”了電子從鐵釘負極端定向轉移到炭棒正極端。學生同時取出鐵釘和炭棒，為檢驗鐵釘一極即負極發生反應Fe-2e^-= Fe²⁺，向U形管左側溶液中滴加幾滴鐵氰化鉀溶液，觀察到溶液中產生特征藍色沉淀。為檢驗碳棒一極即正極發生反應O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，學生向U形管右側滴加幾滴酚酞溶液，觀察到溶液變紅。

實驗評價與反思：學生在探究金屬腐蝕過程中，從實驗中遇到的實際問題出發，改進實驗模型，從僅看到液柱變化，到利用傳感器確定氧氣參與反應及其變化過程中的能量變化，到能“看見”微觀電子轉移和電極反應原理，認知不斷提升。教師通過實驗現象多元化外顯，使金屬吸氧腐蝕原理認知模型得到可視化剖析。

總之，學生借助傳感器開展實驗探究活動，認識到傳統實驗的局限，深刻體驗到顏色、氧氣、溫度等傳感器的優勢，學會定性思考和定量分析，改進實驗方案，快速且準確地將不明顯的現象轉化為可視化的透光率、濃度、溫度等數據證據，拓展了影響化學平衡的因素、金屬電化學腐蝕等化學原理的認知視角，有助于學生提升化學反應原理認知結構化水平。實踐證明，教師在化學課堂教學中科學應用傳感器，使信息技術與化學教學深度融合，可以激發學生探索化學學科奧秘的興趣，推進化學教學評一體化實施^[4]，提高學生宏觀辨識和微觀探析、變化觀念和平衡思想、證據推理和模型認知、科學探究和創新意識水平，發展學生化學學科核心素養^[5]。

注：本文系中國教育學會課題“中學化學大單元設計教學評一體化實踐研究”和天津市基礎教育教學研究重點課題“基于教學評一體化化學單元整體教學設計案例研究”的成果。

參考文獻

[1] 周業虹.融合學科核心素養的高中化學教科書編制——簡析人教版《普通高中教科書化學·必修》教學策略[J].中學化學教學參考，2019（9）：1-5.

[2] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版2020年修訂[S].北京：人民教育出版社，2020.

[3] 房喻，徐端鈞.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）解讀[M].北京：高等教育出版社，2020.

[4] 唐云波.基于“教·學·評一體化”的小學科學概念教學[J].廣州：廣東教育出版社，2018.

[5] 劉月霞，郭華.深度學習：走向核心素養（理論普及讀本）[M].北京：教育科學出版社，2018

（作者王旭達系天津市實驗中學一級教師;英華系天津市河西區教師發展中心正高級教師;李海鷹系天津市實驗中學高級教師）

責任編輯：祝元志