基于實驗創(chuàng)新的課堂教學(xué)

馮玉花

摘 要：實驗創(chuàng)新與學(xué)科教學(xué)融合，能夠更好地促進學(xué)生理解化學(xué)知識。實驗創(chuàng)新可以實現(xiàn)抽象內(nèi)容直觀化、微觀變化通過宏觀現(xiàn)象可視化，讓學(xué)生更直觀地比較碳酸鈉、碳酸氫鈉的化學(xué)性質(zhì)。這既實現(xiàn)了精準教學(xué)，提高了課堂教學(xué)效率，同時也促進了學(xué)生能力的形成和素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：實驗創(chuàng)新；課堂教學(xué)；碳酸鈉、碳酸氫鈉化學(xué)性質(zhì)

一、教學(xué)現(xiàn)狀分析

魯科版化學(xué)必修第一冊（2019年版）第一章微項目“探秘膨松劑”將碳酸鈉、碳酸氫鈉的性質(zhì)及其對比融入實際問題的解決中；教材只設(shè)計了碳酸氫鈉受熱分解實驗裝置圖，在課堂教學(xué)中，教師大多是采用“套管實驗”來比較碳酸鈉與碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性。不易分解的碳酸鈉固體放在外管，而易分解的碳酸氫鈉固體放在內(nèi)管，這是在碳酸氫鈉比碳酸鈉容易分解的前提下設(shè)計的，實驗預(yù)設(shè)性太強，缺乏探究性［1］。教材中碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)實驗留白，意圖讓教師在實踐中充分發(fā)揮教學(xué)的主動性和創(chuàng)造性。碳酸鈉溶液與稀鹽酸的反應(yīng)是學(xué)生從反應(yīng)物用量角度認識反應(yīng)產(chǎn)物的重要載體，是多元弱酸的正鹽與酸分步反應(yīng)的典型代表，因此，實驗的關(guān)鍵是能讓學(xué)生真正觀察和感受到碳酸鈉與鹽酸的分步反應(yīng)。然而反應(yīng)原理抽象而概括，反應(yīng)機理微觀而又不可見，雖然是高中化學(xué)教學(xué)的重點，也一直是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點。在實際的教學(xué)中，教師進行演示實驗，一般是向等物質(zhì)的量的碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液中加入等濃度等體積的稀鹽酸，然后根據(jù)氣泡產(chǎn)生的快慢進行粗糙的對比，再從微觀角度解釋反應(yīng)快慢的原因。筆者認為，該教學(xué)過程缺乏嚴謹?shù)淖C據(jù)支撐［2］。為此，筆者對實驗進行創(chuàng)新。

二、教學(xué)創(chuàng)新點

（一）學(xué)習(xí)方式的創(chuàng)新，學(xué)生制作饅頭并將成果分享至班級微信群。互聯(lián)網(wǎng)豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。

（二）有價值的情境創(chuàng)設(shè)

本節(jié)課的實驗情境來源于學(xué)生做饅頭過程中產(chǎn)生的困惑，有效引發(fā)學(xué)生的思考。圍繞“碳酸鈉、碳酸氫鈉化學(xué)性質(zhì)的比較”展開的系列活動是一個從生活走向課堂，再由課堂回歸至生活的有序過程。探究對象看得見“來源于生活”，探究結(jié)果對生活具有指導(dǎo)意義。讓學(xué)生充分感受到化學(xué)來源于生活，服務(wù)于生活。

（三）實驗創(chuàng)新

碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)原理是本節(jié)課的教學(xué)難點。實驗有兩大難點：一是解決鹽酸局部過量問題，二是如何發(fā)現(xiàn)稀鹽酸少量時的產(chǎn)物為碳酸氫鈉。針對實驗難點，采用針筒實驗。針頭巧妙處理，長度剪為１厘米，壓扁針頭前端，鹽酸以極細微水粒推入，避免局部酸過量。一支針頭套上橡膠帽營造密閉體系。把8ml 0.3mol·L-1鹽酸緩慢推入4ml 0.3mol·L-1滴有酚酞的碳酸鈉溶液。注入4ml鹽酸，溶液變淺紅色，學(xué)生可通過現(xiàn)象的相似性進行關(guān)聯(lián)，自主發(fā)覺碳酸氫鈉的生成，繼續(xù)注入4ml鹽酸，開始產(chǎn)生氣泡，宏觀實驗將微觀反應(yīng)可視化，從定量角度探究碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)原理。

為進一步從微觀角度驗證碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)原理，往0.1mol·L-1鹽酸中逐滴滴加0.1mol·L-1碳酸鈉溶液，借助數(shù)字化技術(shù)，迅速捕捉反應(yīng)過程中的微觀信息，呈現(xiàn)pH變化曲線圖，將抽象問題直觀化。

將碳酸鈉、碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性對比實驗進行改進，裝置簡單并且可操作性很好。硬質(zhì)玻璃管中間塞橡膠塞，有效起到隔離的作用，在兩端中部分別加碳酸鈉、碳酸氫鈉固體，一次實驗完成對兩種物質(zhì)的熱穩(wěn)定性探究，實驗現(xiàn)象明顯，能高效地對比碳酸鈉、碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性。

三、教學(xué)實錄

（一）創(chuàng)設(shè)情境，引入新課

教師：周末布置實踐作業(yè)，做饅頭，同學(xué)們已分享至班級微信群。以下是部分同學(xué)成果展示。下面我們有請學(xué)生1為我們分享她的饅頭制作過程。

師：還有哪些同學(xué)愿意分享饅頭制作感受的？

生2：我做的饅頭硬得跟石頭一樣。

生3：我做的饅頭黃黃的，口感不好。

過渡：在這次做饅頭的過程中，同學(xué)們向老師提出以下三點困惑：

1.自制饅頭有酸味，如何去除？

2.為什么泡打粉配料中添加碳酸氫鈉而不是碳酸鈉？

3.饅頭蒸制后松軟多孔的原因是什么？帶著這些困惑進入我們新課的學(xué)習(xí)。

【設(shè)計意圖】創(chuàng)設(shè)真實情境，問題由學(xué)生自己提出，能有效激發(fā)學(xué)生的探究欲望，增強學(xué)生的課堂參與度。

（二）探究等濃度碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液堿性強弱

師：自制饅頭有酸味，如何去除？

生：加食用堿、碳酸鈉或者碳酸氫鈉。

師：為什么？

生：因為碳酸鈉、碳酸氫鈉的水溶液呈堿性。

師：怎么證明碳酸鈉、碳酸氫鈉的水溶液呈堿性？

生：用酚酞試劑或者測溶液pH。

【學(xué)生實驗1】往試管中分別加入2ml濃度均為0.3mol·L-1的碳酸氫鈉、碳酸鈉溶液，用膠頭滴管分別滴加1～2滴酚酞，觀察實驗現(xiàn)象。

師：少量試劑用膠頭滴管取用，2ml溶液直接傾倒。同時，膠頭滴管使用過程中必須垂直懸空，不能伸入試管中。

師：請學(xué)生4匯報實驗結(jié)果。

生4：碳酸鈉溶液中滴加酚酞，顯紅色，碳酸氫鈉溶液中滴加酚酞，溶液顯淺紅色。說明等濃度下，碳酸鈉溶液堿性比碳酸氫鈉溶液強。

【設(shè)計意圖】通過實驗感知碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液堿性差異。

生（猜測）：去除饅頭酸味可能用碳酸鈉更好，我們繼續(xù)探究。

師（過渡）：這次做饅頭有同學(xué)用酵母發(fā)酵，也有同學(xué)用泡打粉發(fā)酵。那什么是泡打粉呢？這是某品牌泡打粉說明，大家看到了泡打粉配料中添加了什么？

生：碳酸氫鈉。

師（過渡）：為什么泡打粉配料中添加碳酸氫鈉而不是碳酸鈉？我們通過下面的學(xué)習(xí)來認知泡打粉中添加碳酸氫鈉的優(yōu)勢在哪里。

（三）探究碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)。

【學(xué)生實驗2】往試管中分別加入2ml濃度均為0.2mol·L-1的碳酸氫鈉、碳酸鈉溶液，用膠頭滴管逐滴滴加0.1mol·L-1鹽酸。

師：學(xué)生5匯報實驗結(jié)果。

生5：碳酸氫鈉溶液中滴加鹽酸，立即產(chǎn)生氣泡，說明碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生氣泡很快。

師：同學(xué)們嘗試著寫出碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)。

學(xué)生在板中書寫方程式NaHCO3+HCl=NaCl+

CO2↑+H2O

師（過渡）：碳酸鈉溶液中逐滴滴加0.1mol·L-1鹽酸現(xiàn)象一樣嗎？

生：不一樣。

師：請學(xué)生6匯報實驗現(xiàn)象。

生6：碳酸鈉溶液中逐滴滴加0.1mol·L-1鹽酸，觀察到開始沒有氣泡 ，隨著鹽酸的滴加，才慢慢產(chǎn)生氣泡？

生（質(zhì)疑）：為什么碳酸鈉中逐滴滴加鹽酸會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象？能否從實驗現(xiàn)象進行分析，提出合理猜想。

生7：碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)是分步進行，開始階段生成了新物質(zhì)。

師：為更好地探究碳酸鈉與鹽酸的反應(yīng)原理，課外興趣小組經(jīng)過查閱資料，多次實驗，終于創(chuàng)新實驗裝置。針頭經(jīng)過簡單處理，試劑為4ml 0.3mol·L-1碳酸鈉、8ml0.3mol·L-1鹽酸。

生（質(zhì)疑）：為什么要加酚酞試劑？

生：酚酞可以指示溶液的酸堿性變化。

師：通過酚酞變色可以把微觀不可見的通過宏觀現(xiàn)象可視化。由于實驗比較復(fù)雜，老師演示完大家再做實驗。

【學(xué)生實驗3】探究碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)原理

1.往20ml針筒中抽取大于4ml0.3mol·L-1滴有酚酞碳酸鈉溶液，排盡空氣，套上橡膠帽，推至4ml。

2.往10ml針筒中抽取大于8ml0.3mol·L-1鹽酸，排盡空氣，套上針頭，推動注射器至8ml，針頭充滿溶液。

3.針頭插入橡膠套，并抵住橡膠套，將鹽酸緩慢推入碳酸鈉溶液中。

師：請學(xué)生8匯報實驗結(jié)果。

生8：溶液紅色慢慢褪去后，開始產(chǎn)生氣泡。

生（追問）：有沒有其他同學(xué)看到不同現(xiàn)象的？

生9：注入4ml鹽酸溶液紅色變淺，繼續(xù)注入4ml鹽酸才開始產(chǎn)生氣泡。

師：觀察非常仔細，掌聲鼓勵。

生（追問）：注入4ml鹽酸溶液紅色變淺，這溶液與什么溶液顏色很相似？

生：碳酸氫鈉滴加酚酞。

師：繼續(xù)注入4ml鹽酸開始產(chǎn)生氣泡。從現(xiàn)象說明碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)分幾步？

生：分兩步。

師（過渡）：老師可以通過技術(shù)支持從微觀上驗證碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)原理。

師：這叫數(shù)字化手持技術(shù)：所用儀器試劑有電腦、朗威軟件、數(shù)據(jù)采集器、pH傳感器，磁力攪拌器、pH計、酸式滴定管。

【演示實驗1】往0.1mol·L-1的碳酸鈉溶液中逐滴滴加0.1mol·L-1鹽酸。

師：實驗結(jié)束，導(dǎo)出數(shù)據(jù)后會看到這樣一條pH變化曲線。橫坐標為時間軸，縱坐標為pH值。從反應(yīng)pH變化曲線中觀察到有兩個突變點，說明碳酸鈉與鹽酸是分2步反應(yīng)。并且第一個突變點的pH值為8.48，與0.1mol·L-1碳酸氫鈉溶液pH值8.37基本相同，說明碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)第一步生成碳酸氫鈉，而第二個突變點的pH值為5.37，與飽和碳酸溶液pH值5.6基本相同，說明第二步反應(yīng)生成碳酸，從而放出二氧化碳。進一步分析時間軸，兩步突變時間大致相同，說明兩步反應(yīng)消耗鹽酸相等。

師：嘗試用方程式表達碳酸鈉與鹽酸的分步反應(yīng)。

Na2CO3+HCl=NaHCO3+NaCl

NaHCO3+HCl=NaCl+CO2↑+H2O

師：從反應(yīng)方程式可以看出碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)生成二氧化碳需要一步，而碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)生成二氧化碳需要兩步。

師（過渡）：老師再給大家做個簡單的小實驗。

【演示實驗2】氣球中分別裝有均為1克的碳酸鈉、碳酸氫鈉固體，同時倒入等濃度足量的鹽酸中。

生：粉色氣球更大，同時試管中反應(yīng)更劇烈。

師：粉色氣球裝的是什么？

生：碳酸氫鈉固體。

師：說明等質(zhì)量碳酸鈉、碳酸氫鈉固體與等濃度足量的鹽酸反應(yīng)，碳酸氫鈉產(chǎn)生氣體又快又多。

師（過渡）：如何從方程式角度，解釋原因。

生10：等質(zhì)量固體可以設(shè)為m克，鹽酸足量，產(chǎn)生的二氧化碳要根據(jù)固體計算。先把固體質(zhì)量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的量。通過方程式計算可知等質(zhì)量碳酸鈉、碳酸氫鈉固體，與足量的鹽酸反應(yīng)，碳酸氫鈉產(chǎn)生氣體更多。

師（過渡）：因此泡打粉中添加碳酸氫鈉合理嗎？

生：合理。

【設(shè)計意圖】創(chuàng)新、數(shù)字化實驗相結(jié)合，循序漸進，難點問題分層化。

（四）碳酸鈉、碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性比較

師（過渡）：碳酸氫鈉的優(yōu)勢不僅在于與酸反應(yīng)產(chǎn)生氣體更多更快上，還在于蒸饅頭這個“蒸”字。蒸其實是化學(xué)中的加熱操作，加熱碳酸鈉、碳酸氫鈉固體，會有什么不同的現(xiàn)象呢［3］？

【演示實驗3】硬質(zhì)玻璃管中間加個橡膠塞把硬質(zhì)玻璃管分割成互不相通的兩端。兩端中部分別加適量的碳酸鈉、碳酸氫鈉固體，與盛放固體兩端連接的導(dǎo)管口分別插入澄清石灰水中。先對硬質(zhì)玻璃管預(yù)熱，再用酒精的外焰固定加熱。

師：學(xué)生11、12觀察到什么現(xiàn)象？

生11：與盛放碳酸鈉固體一端連接的導(dǎo)管口僅開始氣泡，但澄清石灰水未變渾濁。

生12：與盛放碳酸氫鈉固體一端連接的導(dǎo)管口產(chǎn)生大量連續(xù)氣泡，且澄清石灰水變渾濁，硬質(zhì)玻璃管內(nèi)壁有水珠。

師（過渡）：說明什么？

生13：碳酸鈉較穩(wěn)定，未分解，開始的氣泡是裝置內(nèi)的空氣。

生14：碳酸氫鈉不穩(wěn)定，發(fā)生分解。生成二氧化碳和水。

師（過渡）：當(dāng)加熱碳酸氫鈉至不再產(chǎn)生氣泡。說明碳酸氫鈉分解完全，但是硬質(zhì)玻璃管中仍有白色固體，那這白色固體是什么？

生：碳酸鈉。

生（質(zhì)疑）：為什么是碳酸鈉？

生：根據(jù)剛才分析碳酸鈉較穩(wěn)定。因此碳酸氫鈉最后分解產(chǎn)生較穩(wěn)定的碳酸鈉。

師：寫出碳酸氫鈉分解方程式。

生：2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO2↑

師（過渡）：正是因為碳酸氫鈉的不穩(wěn)定性，饅頭蒸制過程中碳酸氫鈉受熱分解產(chǎn)生二氧化碳，使饅頭松軟多孔。

【設(shè)計意圖】生動實驗素材感受碳酸鈉、碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性差異。

（五）學(xué)以致用

【解答三點困惑】

生（探究）：為什么佳宜做的饅頭黃黃的，口感不太好？

生：因為碳酸氫鈉加太多，受熱分解產(chǎn)生太多碳酸鈉，因此，饅頭黃黃的，有點堿味。

【實踐作業(yè)】1.利用廚房用品自制簡易滅火器，思考泡沫滅火器用的是碳酸氫鈉還是碳酸鈉，為什么？

2.利用廚房用品配制出碳酸鈉溶液，清洗桃子，拍照并觀察清洗前后桃子表面顏色的不同，搜集資料找出原因［4］。

【設(shè)計意圖】整節(jié)課首尾呼應(yīng)，通過實際問題的解決，將本節(jié)蘊含的知識、核心觀念在知識應(yīng)用中升華。

四、教學(xué)反思

（一）創(chuàng)設(shè)有價值的情境

整節(jié)課一直貫穿情境，通過實踐作業(yè)做饅頭，針對活動中提出的困惑，將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)問題，再解決困惑，最后課后實踐作業(yè)。將課本知識與日常生活相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了對碳酸鈉、碳酸氫鈉化學(xué)性質(zhì)的創(chuàng)新性吸收，讓學(xué)生從中體驗并收獲運用化學(xué)知識解決實際問題的快樂。為建構(gòu)形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的學(xué)科觀念埋下伏筆。

（二）發(fā)揮實驗價值

本課學(xué)生實驗、演示實驗相結(jié)合，通過堿性對比實驗、針筒定量實驗、數(shù)字化手持技術(shù)、熱穩(wěn)定性對比實驗，引導(dǎo)學(xué)生對實驗進行定性→定量→數(shù)字化逐步探究，逐步實現(xiàn)碳酸鈉、碳酸氫鈉化學(xué)性質(zhì)的探究。創(chuàng)新實驗增強了實驗效果，體現(xiàn)了實用性和簡便性，有利于一線教師推廣應(yīng)用。

結(jié)束語

化學(xué)實驗是開展“素養(yǎng)為本”教學(xué)最有效的形式。基于學(xué)科知識培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力和化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是我們共同追求的目標。我的體會是努力去挖掘教學(xué)素材、實驗資源，并圍繞它開展以素養(yǎng)為本的教學(xué)活動，促進學(xué)生學(xué)科能力的有效提升。

參考文獻

[1]黃金泉，楊曉東.再議碳酸鈉、碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性比較實驗的改進[J].化學(xué)教學(xué)，2021（1）：77-79.

[2]李健榮.基于“四重表征”模式培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)：以“探究鹽酸與碳酸鈉、碳酸氫鈉反應(yīng)”的教學(xué)為例[J].化學(xué)教與學(xué)，2023（6）：11-15，67.

[3]李嫻星.真實情境下以“問題驅(qū)動”為核心的課堂教學(xué)實踐：以“碳酸鈉和碳酸氫鈉”為例[J].中學(xué)課程輔導(dǎo)（教師教育），2021（15）：111，52.

[4]柳張鳳，吳云，張賢金，等.核心素養(yǎng)視域下化學(xué)與生活深度融合的教學(xué)：以“碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質(zhì)及應(yīng)用”為例[J].化學(xué)教育（中英文），2021，42（19）：30-35.