基于深度學習的數(shù)字化實驗探究活動

王穎

關鍵詞：止酸劑;數(shù)字化傳感器;探究實驗;深度學習

深度學習是在教師引領下，學生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學習主題，全身心參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學習過程。指向深度學習的化學教學，能夠促進學生學習方式的轉變，對課程改革有效推進具有重要意義;是發(fā)展學生核心素養(yǎng)的有效途徑，對新課程標準在實踐層面的推進有重要意義;促進學生對知識的實踐和體驗，有助于揭示和理解學習本質[1]。筆者以“定量探究不同止酸劑的藥效”為主題，帶領學生展開數(shù)字化實驗探究活動。

一、教學主題

滬教版九年級化學（第二學期）第五章第一節(jié)中提到，“生活中因為胃酸過多而引起泛酸癥狀的病人，服用氫氧化鎂或氫氧化鋁等止酸劑。這就是生活中的酸堿反應[2]。”這段話引發(fā)了學生的思考，生活中還有哪些物質可以做止酸劑？他們的藥效有什么不同？針對這個問題，我們展開了探究實驗活動。

胃液中含有鹽酸、胃蛋白酶原、黏液和內因子等物質，pH為0.9～1.5。鹽酸若分泌過少，常引起消化不良，若分泌過多，對胃和十二指腸黏膜有侵蝕作用[3]。止酸劑的主要作用機理是利用其有效成分與鹽酸反應，治療胃酸過多。經(jīng)過化學學科學習和專題復習，學生在酸、堿、鹽模塊上已經(jīng)有了一定的知識儲備，為掌握本課題實驗原理奠定了基礎;另一方面，學生經(jīng)過校本探究課程——大理科的學習，對科學探究有了一定的理解，具有了初步的科學探究能力。在實驗技能上，通過基礎學生實驗和校本數(shù)字化拓展實驗——應用pH傳感器和溫度傳感器探究中和反應，學生已經(jīng)具備了基本的常見儀器及數(shù)字傳感器操作能力，為實驗設計和方案實施提供給了充足的條件。數(shù)字化傳感器精度高、誤差小，可以直接測量各種指標，準確地進行定量分析，使化學實驗過程更加嚴謹。本次數(shù)字化探究實驗，通過檢測和比較不同藥劑在與鹽酸反應過程中的溫度、壓強和pH變化，讓原本難以研究的問題直觀化、精細化，降低了學生理解的難度。數(shù)字化傳感器收集到的數(shù)據(jù)和圖表有助于培養(yǎng)學生分析、評價和綜合的高階思維，提升學科核心素養(yǎng)。

二、教學目標與評價目標

1. 教學目標

（1）基礎知識落實：通過“選擇一款合適的止酸劑”這個真實問題的解決過程，復習酸、堿、鹽的相關知識點。知道選擇藥物需綜合考慮藥物的反應程度、反應速率及可能對人體造成不良影響等因素。

（2）探究能力培養(yǎng)：通過提出問題、猜想和假設、設計方案、搜集證據(jù)、得出結論、表達交流等環(huán)節(jié)，初步學會設計并完成簡單的探究實驗，培養(yǎng)學生的科學探究能力。

（3）學科思維提升：利用數(shù)字傳感器檢測不同止酸劑與鹽酸反應的溫度、壓強和pH變化，通過數(shù)據(jù)分析藥效，建立證據(jù)推理意識。

2. 評價目標

（1）知識層面：通過經(jīng)歷完整的項目式探究學習過程，獲得對學科核心知識與思想方法的深刻理解診斷學生建構實驗探究的認知模型的意識。

（2）能力層面：通過對實驗數(shù)據(jù)、圖像的分析，實驗方案的設計和實驗裝置的討論，促進學科知識功能化、思維高階化發(fā)展。診斷學生解決生活實際問題的能力。

（3）素養(yǎng)層面：通過酸、堿、鹽知識在生活中的運用，體會化學來源于生活并服務于生活，感受化學學習的意義。體驗科學探究是人們獲取科學知識，認識客觀世界的重要途徑。

三、實驗設計

夏九云等人應用手持技術探究了碳酸氫鈉片和鋁碳酸鎂片與鹽酸的反應前后的pH和二氧化碳濃度變化[4]，但是實驗樣本和數(shù)據(jù)比較單一，沒有量化地評價止酸劑藥效的標準。朱慶等人運用手持技術數(shù)字化實驗改進了以上方案，比較了碳酸氫鈉片、氫氧化鋁片、鋁碳酸鎂片的抗酸性，還研究了碳酸鈉為什么不適合做止酸劑[5]。為了模擬人體胃酸分泌情況，他們在反應容器（燒杯）上放置自動注射器向燒杯中以1 mL/min 的速度滴入鹽酸模擬人體內胃酸的分泌。通過比較反應前后的pH 變化、壓強變化來比較藥效。但他們的實驗還存在以下三個問題：

①測量pH變化和氣壓變化的實驗分兩次在兩套不同的實驗裝置中完成，降低了實驗效率和實驗儀器的利用率;

②打開瓶塞添加藥品，裝置的氣密性和數(shù)據(jù)的準確性受到了影響;

③不能形象直觀地表現(xiàn)胃脹的情形。為了能更好地比較不同止酸劑的藥效，讓學生體驗現(xiàn)代定量科學研究過程，我們應用pH傳感器、溫度傳感器和壓強傳感器，對上述實驗方案進行改進，進行了以下探究實驗。

1. 實驗原理

胃酸的主要成分是鹽酸，止酸劑的作用原理是和鹽酸反應，從而減輕“泛酸”的癥狀。本實驗所用止酸劑有：氫氧化鋁片、碳酸氫鈉片、鋁碳酸鎂片，為了幫助學生更好地鞏固酸、堿、鹽的知識點，理解評價和選擇止酸劑的依據(jù)和標準，加入曾用的止酸劑氧化鎂反應原理分別為：

胃蛋白酶的生理作用是水解食物中的蛋白質，胃蛋白酶作用的最適pH為2～3.5，隨著pH的升高，酶活性逐步降低，當pH超過6時，將發(fā)生不可逆轉的變性而失去活性。因此，合適的止酸劑應該適當消耗胃酸，在一段時間內維持胃液pH在2～3.5范圍內，不能使pH超過6。

2. 實驗裝置和用品

（1）實驗儀器：pH 傳感器、壓強傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、筆記本電腦、磁力攪拌器、電子天平、250 mL斜四口燒瓶、25 mL四氟活塞恒壓分液漏斗、加厚氣球、100 mL燒杯、100 mL量筒、膠頭滴管、玻璃棒。

（2）實驗藥品：蒸餾水、氧化鎂粉末、0.1 mol/L稀鹽酸，氫氧化鋁片（含0.245 g/片），碳酸氫鈉片（含0.5 g/片），鋁碳酸鎂咀嚼片（含0.5 g/片）。

（3）實驗裝置如圖1所示。

3. 實驗步驟

（1）按照要求組裝好儀器，在四頸燒瓶中加入100 mL 0.1 mol/L稀鹽酸，恒壓分液漏斗中加入25 mL0.1 mol/L稀鹽酸，1 g藥品（鋁碳酸鎂咀嚼片用研缽碾碎）放入氣球中，再將氣球套在燒瓶瓶口。

（2）在電腦上打開“DISlab”軟件，選擇每秒采集一次數(shù)據(jù)，點擊“開始”。

（3）打開磁力攪拌器，并將氣球中的藥品放入稀鹽酸中。打開分液漏斗慢慢滴加稀鹽酸。

（4）待數(shù)據(jù)不再變化后，停止實驗，保存數(shù)據(jù)。停止磁力攪拌。

4. 實驗記錄（如表1所示）

四、教學環(huán)節(jié)

2. 評價量規(guī)（如表3所示）

3. 實驗結果與討論

通過所得實驗數(shù)據(jù)可知，相同質量的四種止酸劑與相同質量、相同濃度的鹽酸反應前后，只有氧化鎂溫度上升了1.4 ℃，其余三種藥品反應前后溫度變化不大。可見服用氧化鎂后胃中會有溫熱感，但也在可承受范圍內（見圖2）。

四種止酸劑中，碳酸氫鈉與鹽酸反應后瓶內壓強從102.5 kPa升高到108.4 kPa，小氣球明顯膨脹，其余三種藥品反應前后壓強變化不大。可見服用碳酸氫鈉片后會引起胃脹（圖3）。

從圖4、圖5可知，氧化鎂與鹽酸反應后，2分鐘左右就將溶液pH提高到10。因為1 g氧化鎂的物質的量為0.025 mol，而鹽酸中n（HCl）=0.01 mol，過量的氧化鎂會與水反應生成氫氧化鎂，堿性太強會使胃蛋白酶失去活性。碳酸氫鈉與鹽酸反應5分鐘后溶液pH提高到5，后來隨著鹽酸的不斷滴加pH又略有下降。氫氧化鋁與鹽酸反應較慢，30分鐘左右才將溶液pH提高到2，75分鐘左右將溶液pH提高到3.7并保持較長時間不變。鋁碳酸鎂片僅用100秒時間就將溶液pH提高到4，并能保持75分鐘以上。

4. 實驗結論

（1）氧化鎂會消耗太多鹽酸，使胃蛋白酶失去活性，因此不適合做止酸劑。

（2）碳酸氫鈉片止酸效果不錯，但是會引起胃脹。氫氧化鋁反應較慢，需要0.5～1小時才能見效。

（3）鋁碳酸鎂反應快藥效長久，止酸效果好。它可以吸附對胃有損傷的因子（比如胃蛋白酶和膽汁酸等），還可以促進對胃有保護作用的前列腺素E2的分泌。因此是比較理想的止酸劑。

四、教學反思

1. 創(chuàng)新之處

（1）模擬真實情境

人體的胃中約有幾十毫升胃液，pH 為0.9～1.5。因為要模擬胃酸過多的情況，所以取100 mL 0.1 mol/L稀鹽酸（pH=1）。止酸劑按照用法用量，各取1 g參與反應。正常成人空腹時鹽酸排出量為0～5 mmol/h，在食物或藥物刺激下可達20～25 mmol/h[6]，因此用恒壓分液漏斗以2～3 mL/min的速度滴入鹽酸模擬人體內胃酸的分泌。因為胃壁柔軟有彈性，所以用氣球模擬胃的彈性結構。

（2）對以往實驗的改進

① 反應在一個斜口四頸燒瓶中進行，可同時測量pH、壓強和溫度變化，一次完成，提高實驗效率。

② 事先將藥品放在氣球內，實驗裝置是一個密閉系統(tǒng)，測得反應體系的壓強和溫度不受干擾，精確度高。同時也可以通過氣球的膨脹與否簡單直觀地觀察反應體系的壓強變化。

③ 通過恒壓分液漏斗滴加鹽酸，既避免添加液體對壓強的影響，又防止因體系壓強增大導致液體無法順利滴下。

2. 活動總結

化學學科的深度學習旨在通過具有化學學科特色的挑戰(zhàn)性任務，促進學生化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。學習目標強調在獲得化學核心知識的基礎上，促進化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展;學習過程強調化學學科特有的學習活動——以化學實驗為主的多種探究活動，實現(xiàn)學生學習方式的改變，讓學生完成挑戰(zhàn)性任務，積極參與，產(chǎn)生情感共鳴;學習結果強調化學學科思想方法的理解與運用。

本次教學活動圍繞“如何選擇一款合適的止酸劑？”這個主題，涵蓋核心知識內容（酸、堿、鹽的性質和用途），有穩(wěn)定的認識領域和研究對象（醫(yī)藥），有明確和獨立的本源性問題（酸、堿、鹽的選擇和使用），有真實的客觀存在和應用。在教學過程中，筆者采用實驗探究的教學方法，設計明暗兩條主題線。明線是尋找一款合適的止酸劑，暗線是酸、堿、鹽化學性質的復習。有針對性地設計合適的活動內容和形式，確保落實學生學科思想方法的建構和素養(yǎng)的發(fā)展。在實驗過程中，真正做到教師導、學生學，并且注意傾聽學生的不同意見，充分發(fā)揮學生的主動性，讓學生自己分析解決問題。在實驗活動過程中持續(xù)性地進行教師評價和自我評價，檢驗課程目標的達成情況，促進學生的自我反思。

經(jīng)過本次活動，提高了學生數(shù)據(jù)處理和分析整合的意識，加深對核心知識的理解，增強了設計和完成探究實驗的能力，有助于提升學科核心素養(yǎng)。

3. 改進優(yōu)化的空間

由于時間有限，所以沒有讓學生自主設計實驗裝置，也省去了一些實驗步驟。如果時間充裕，可以讓學生提出、討論并解決更多生成性的問題。

本活動可以作為項目化學習主題，用4～6個課時完成主題活動。在設計實驗方案過程中可以不斷指出學生實驗方案上的不足，讓學生從以往做過的實驗題、書籍和網(wǎng)絡資料及實驗室現(xiàn)有儀器和裝置中尋找解決方案，通過一系列驅動型問題使學生學會使用分析、調研、問題解決等高階認知策略。