利用數字化實驗發展學生化學學科核心素養

趙曉倩 高一雯 奚依 孫艷濤

摘要：以高中化學“苯酚的弱酸性”教學為例，在傳統實驗無法滿足教學要求的情況下，借助數字化儀器驗證苯酚的弱酸性，探究苯酚與石蕊反應的過程及實質，力求通過數字化實驗幫助學生更深入理解苯酚的弱酸性，發展學生的化學學科核心素養。

關鍵詞：苯酚；弱酸性；數字化實驗；化學學科核心素養

文章編號：1008-0546（2023）12-0088-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.019

一、引言

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》凝練了化學學科核心素養，提出了將發展學生的化學學科核心素養作為高中化學課程教學任務，規定了學生必做實驗；還指出了將數字化實驗引入化學教材，充分發揮現代信息技術對實驗教學的作用。［1］

數字化實驗是指利用傳感器、數據采集器和計算機及相應軟件進行的實驗。［2］與傳統實驗相比，數字化儀器具有省時、直觀、精準和自動化等特點，能完成傳統實驗手段做不好和做不出的實驗。本文以“苯酚的弱酸性”教學為例，闡述如何利用數字化實驗，發展學生化學學科核心素養。

二、設計思路

苯酚是人教版高中化學選修5《有機化學基礎》第三章第一節“醇酚”的內容。苯酚是最簡單的一元酚，苯酚的弱酸性又是教學重難點，因此掌握其性質尤為重要。［3］大多數教師在講解苯酚的酸性時，采用氫氧化鈉溶液可使苯酚懸濁液變澄清的實驗現象來驗證。然而，當苯酚濃度過小時，利用上述酸堿反應則無法證明苯酚的酸性。此外，許多教師在介紹苯酚的化學性質時，常常表述為“苯酚的酸性很弱，不能使石蕊試劑變紅”，而未對反應的實質進行深入闡述，學生往往會理解為“苯酚的酸性很弱，無法與石蕊發生反應”。［4-6］因此，我們采用酸度計實時顯示的數據信息，證明苯酚具有弱酸性，并利用紫外分光光度計實時采集的圖像信息，探究苯酚與石蕊反應的過程及實質。通過自主學習、小組合作、實驗探究和匯報分享環節，加深學生對理論知識的理解，促進化學學科核心素養的形成。

三、教學過程

1.環節1：微課自學苯酚結構及物理性質

【匯報交流】課前，同學們觀看微課視頻，自主學習了苯酚的物理性質及結構（如表1和表2所示），對教師的預留任務進行匯報。

【設計意圖】將信息技術引入課堂教學中，使學生通過自主學習，掌握苯酚的物理性質及結構，構建“符號表征”模型，形成“模型認知”的化學學科核心素養。［7］

2.環節2：比較醇、酚結構異同，推測苯酚的化學性質

【教師】上節課我們學習了乙醇的結構與性質，請同學們比較乙醇和苯酚的結構，試推測兩者在性質上的差異。

【學生】兩者的相同之處是都存在羥基；不同之處在于乙醇中羥基與烴基相連，而苯酚中羥基直接與苯環相連，導致兩者性質上的差異。

【教師】由于苯酚中羥基和苯環直接相連，兩者之間存在相互作用，使酚羥基在性質上與醇羥基有所差異。［8］苯環使羥基中O-H極性增大，易電離出 H+，使苯酚顯弱酸性。［9］

【板書】苯酚的弱酸性： OH 一---（---一）H++ O-

【設計意圖】對比分析苯酚與乙醇的結構差異，使學生理解“基團間的相互影響”事實，形成“官能團決定有機物性質”的思維模型，發展學生“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養。

3.環節3：傳統實驗驗證苯酚的酸性

【教師】請同學們根據下列實驗儀器和藥品，設計實驗方案驗證苯酚的酸性。完成實驗后，每組根據實驗現象進行組內討論，由小組代表總結發言。注意：由于苯酚有毒，對皮膚有腐蝕性，同學們在分組探究實驗中要小心，如不慎沾到皮膚上，應立即用酒精擦拭。

【儀器與試劑】燒杯、試管、膠頭滴管、量筒、飽和苯酚溶液（懸濁液）、0.1 mol · L-1 NaOH溶液和紫色石蕊試劑。

【原理分析】A 組學生利用酸堿中和反應驗證苯酚的酸性：通過觀察苯酚懸濁液與氫氧化鈉溶液反應后是否變澄清，驗證苯酚的酸性。B組學生利用酸堿指示劑驗證苯酚的酸性：通過觀察向苯酚溶液中滴加石蕊試劑后溶液是否變紅變紅，驗證苯酚的酸性。根據資料顯示，苯酚俗稱石炭酸，具有弱酸性，但由于苯酚的酸性太弱了，不能使石蕊變紅色。

【設計意圖】引導學生自主設計實驗方案并探究，根據實驗現象進行推理論證，培養學生“證據推理”的化學學科核心素養。

4.環節4：利用酸度計驗證苯酚的弱酸性

【教師】在驗證苯酚顯酸性的酸堿反應中，如果將飽和苯酚溶液（懸濁液）換成0.1 mol · L-1苯酚溶液（澄清透明），將無法通過溶液由懸濁變澄清的實驗現象驗證苯酚的酸性。我們可以借助數字化儀器——酸度計進行實驗，簡單、快速地驗證苯酚具有酸性，且具有弱酸性。

【微課展示】介紹酸度計的使用原理、方法。請同學們利用酸度計自主設計證明苯酚具有弱酸性的實驗方案，并進行實驗驗證。

【實驗過程】使用酸度計（如圖1所示），分別測量下列溶液 pH：①0.1 mol · L-1苯酚溶液；②0.1 mol · L-1 NaOH 溶液；③1 mL 0.1 mol · L-1 NaOH 溶液和1 mL 0.1 mol ·L-1苯酚溶液的混合液。

【實驗結果】①號溶液pH=5.50，可知苯酚顯酸性；②號溶液pH=12.42，可知氫氧化鈉顯堿性；③號溶液 pH=9.09，可知苯酚鈉顯堿性，為強堿弱酸鹽，說明苯酚為弱酸性。

【設計意圖】培養學生從問題出發，自主設計實驗方案進行探究，發展學生“科學探究與創新意識”的化學學科核心素養。

5.環節5：利用紫外分光光度計探究苯酚與石蕊的反應過程及實質

【教師】酸度計可以驗證苯酚具有弱酸性，但我們卻沒有觀察到苯酚使石蕊變色的現象，那么苯酚與石蕊是否可以發生化學反應？是否如資料所說“苯酚的酸性太弱，不能使石蕊變色”？

【微課展示】介紹紫外分光光度計的使用原理、方法。請同學們利用紫外分光光度計，自主設計實驗方案，驗證苯酚是否與石蕊發生反應。

【教師】通過紫外分光光度計，我們觀察到苯酚與石蕊發生了化學反應（如表4所示）。傳統實驗沒有觀察到變色現象主要因為紫色石蕊試劑的變色范圍是 pH 4.5～8.3，當 pH＜4.5溶液呈紅色，pH 在4.5～8.3范圍內溶液呈紫色，pH＞8.3溶液呈藍色。0.1 mol ·L-1的苯酚溶液pH＞4.5，所以不能使紫色石蕊試劑變紅。

【設計意圖】利用紫外分光光度計記錄苯酚與石蕊發生反應的過程，使學生深刻理解苯酚的酸性弱，無法使石蕊變紅。提升學生實驗探究能力，改變認知方式，發展學生“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養。

四、結論

在傳統實驗方法做不好或做不出的情況下，將數字化技術手段引入高中化學教學中，通過pH值的直觀呈現，驗證了苯酚的弱酸性；將苯酚與石蕊試劑的反應過程以吸光度變化的曲線形式展現，讓學生能清晰地了解其反應實質，幫助學生理解苯酚的酸性很弱，雖與紫色石蕊反應但無法觀察到反應后的顏色變化，極大地促進了學生化學學科核心素養的發展。我們相信，數字化實驗技術在更新化學知識、促進知識理解、改進實驗方法和創新教學模式等方面會發揮更大的作用。

參考文獻

［1］皇甫倩.基于化學學科核心素養的課程學習診斷［J］.教學與管理，2018（22）：47-50.

［2］朱鵬飛，馬宏佳.利用數字化實驗發展學生化學學科核心素養［J］.中小學數字化教學，2018（7）：4-7.

［3］胡紹平.“苯酚”教學設計［J］.化學教育（中英文），2010，31（S2）：57-60.

［4］顧敏倩.“苯酚的性質”的情境式教學［J］.中學化學教學參考，2018（20）：21-23.

［5］李春燕，李發順.從苯酚軟膏說起——“苯酚的性質和應用”教學與思考［J］.化學教育（中英文），2014，35（17）：8-12.

［6］王福成，李鵬，李向紅，李冬.基于有機物結構與性質認知模型的教學設計——以“苯酚滴耳液成份的探究”為例［J］.化學教與學，2018（10）：68-71.

［7］吳君磊.基于發展學生“模型認知”素養的教學設計——以蘇教版“苯酚的性質和應用”為例［J］.化學教與學，2018（1）：25-28.

［8］胡瑞.淺談“實驗探究式”教學模式在有機化學《苯酚》教學中的運用［J］.科學咨詢（科技·管理），2015（2）：109-110.

［9］張水強，潘丹.基于化學核心素養的信息技術與化學學科教學的有效整合——人教版高中化學“苯酚”教學實錄［J］.江西教育，2017（20）：25-27.