初中化學數字化實驗教學的實踐與思考

李婷婷

［摘 要］數字化實驗可填補教材實驗教學空白，同時揭示相關化學原理，在一定程度上改變學生的學習方式，有利于實驗探究教學的深層次發展。文章以江蘇省初中化學實驗說課比賽一等獎“二氧化碳和二氧化硫對雨水pH的影響”一課為例，探究數字化實驗在初中化學實驗教學中的應用。

［關鍵詞］數字化實驗；初中化學；雨水pH

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）23-0064-03

《義務教育化學課程標準（2022年版）》中強調化學課程要培養學生“科學思維”和“科學探究與實踐”的核心素養，使學生學會通過一定的技術手段完成綜合實踐活動和解決真實情境問題。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010－2020年）》中指出：信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以高度重視。近年一些版本的化學教材和南京市中考化學試卷中均出現了數字化實驗的內容。為了讓學生盡快適應，筆者潛心研究，試圖用數字化實驗來填補教材中一些實驗的教學空白。借著江蘇省初中化學實驗說課比賽的機會，筆者用數字化實驗方式對影響雨水pH的因素進行了研究。教學實踐表明， 數字化實驗具有面向全體學生、結果立現、表征新穎、數據可以保留和可以重復使用等優點，可使學生更關注實驗，學習更主動，交流討論更活躍，觀察和分析圖表的能力有所提高，營造了使學生樂于探究、敢于質疑、勇于創新的課堂教學氛圍。

一、數字化實驗設計緣由

“二氧化碳和二氧化硫對雨水pH的影響”探究實驗出自人教版化學教材九年級下冊第十單元課題2第三部分內容“溶液酸堿度的表示法——pH”。在分析2020年南京市高淳區二模試卷時，有學生對其中的一道數字化圖像題提出了疑問：把二氧化碳不斷通入水中，最后溶液的pH大約是5.6嗎？學生之所以會有此猜測，是因為教材中把pH=5.6作為劃分正常雨水和酸雨的臨界值，且教師講解過雨水呈酸性的原因主要是空氣中的二氧化碳溶于水所致?；诖?，筆者意識到這是個用數字化實驗填補教材實驗教學空白的大好契機。

筆者仔細翻閱教材發現，“調查與研究”欄目要求學生測定最近一段時間本地區雨水的pH，并繪制時間-pH關系圖，以判斷本地區是否已經出現酸雨。該課后調查與研究旨在讓學生通過科學探究，學會根據雨水的pH判斷雨水是正常雨水還是酸雨，從而實現深度學習。但教材中對酸雨的判斷依據沒有具體解釋，易使學生產生認知困難。于是，筆者開始嘗試帶領學生采用數字化實驗的方式進行相關探究，并把二氧化硫對雨水pH的影響一同設計進去，以加深學生對此知識的理解。

二、數字化實驗設計與實施

數字化實驗要解決兩個問題：1.把二氧化碳不斷通入水中，當溶液pH不再發生變化時，此時pH為5.6嗎？2.不同濃度的二氧化碳和二氧化硫對雨水pH的影響程度如何？這兩個問題的提出明確了接下來探究的方向，為學生的自主探究、廣泛體驗、合作與交流提供了機會。

（一）實驗原理與方案

為解決上述兩個問題，根據實驗原理進行以下方案設計：利用自制實驗用品和pH傳感器，將不同濃度的二氧化碳和二氧化硫通入水中，得到時間-pH變化曲線，分析曲線上的數據信息，對比、總結得出二氧化碳和二氧化硫對雨水pH的影響。具體可分為兩個數字化實驗。

實驗一：向水中不斷通入二氧化碳，用pH傳感器測量溶液pH的變化，得到pH-時間的變化曲線，讀取pH。

實驗二：向等量水中分別通入30 mL二氧化碳和二氧化硫，待充分反應后，再通入30 mL二氧化碳和二氧化硫，用pH傳感器測量溶液pH的變化，最終得到pH-時間的變化曲線。

（二）實驗藥品

根據實驗原理，需要制取二氧化碳和二氧化硫。實驗室制取二氧化碳一般使用大理石和稀鹽酸，然而學生通過討論得出采用該方法得到的二氧化碳氣體中容易混入氯化氫，會影響pH的測定，所以改用稀硫酸。但是用稀硫酸和大理石塊反應，不易快速收集到足夠的二氧化碳，這引發學生再度思考，最后通過討論得出用大理石粉末和稀硫酸來制取二氧化碳，這樣既排除了氯化氫的影響，又解決了反應速率的問題。二氧化硫氣體的制取則選用的是稀硫酸和亞硫酸鈉。

（三）實驗裝置

氣體發生裝置由反應藥品的性質來決定，收集裝置則由氣體的性質來決定。二氧化碳和二氧化硫氣體都可以用向上排空氣法來收集，但考慮到氣體的純度問題，用排水法可能更好。但二氧化碳和二氧化硫都溶于水，怎么解決這個問題呢？學生集思廣益，想到了在水的上方加一層植物油的方法。氣體的發生和收集裝置如圖1和圖2所示。

此套裝置不僅操作簡便，還可以防止氣體進入空氣污染環境，更滲透了環保理念。

在設計實驗一和實驗二的過程中考慮到氣體的溶解速率的問題，增加了磁力攪拌器。實驗一的實驗裝置如圖3所示。為了研究相同體積的二氧化碳和二氧化硫對溶液pH的影響，實驗二中需要讓等量的氣體同時加入到等量的水中。為此，學生自己動手設計實驗裝置，并在此過程中充分調動自身的探究積極性，提升解決問題的能力。學生群策群力，設計出如圖4所示的推板裝置。另外，為了起到平衡氣壓的作用引用了長頸漏斗（如圖5）。

（四）實驗過程

在課堂上教師進行實驗演示，并引導學生對數字化實驗形成的曲線進行分析。在實驗一中學生發現反應剛開始的一段時間內pH沒有變化，是因為一開始進入水中的是發生裝置內的空氣；一段時間后pH開始下降，是因為二氧化碳溶于水形成了碳酸；當二氧化碳溶于水達到飽和狀態時，pH幾乎不再發生改變，約為3.9（見圖6）。這樣分析無形中鍛煉了學生的圖表分析能力。

在實驗二中，使用自制的推板裝置以達到讓等量氣體同時加入的目的。每次30 mL這個量的確定是課前經過反復嘗試得出的，以使學生能夠明顯感知不同濃度的氣體對pH的影響。首先往兩個集氣瓶中同時加入30 mL的二氧化碳和二氧化硫，待曲線數值幾乎不再發生變化時再加入30 mL的二氧化碳和二氧化硫，待曲線數值幾乎不再發生變化時停止實驗，得到如下曲線（如圖7）。

（五）實驗結果

由實驗一可知，不斷把二氧化碳通入水中，最終測得的pH并不是之前所猜想的5.6，而是3.9。如此具象的呈現一下就激發了學生的學習興趣和主動性。學生開始紛紛討論為何不是5.6。經過交流和思維的碰撞，學生總結出了其中原因：本實驗是在水中不斷地通入二氧化碳，使二氧化碳在水中達到了飽和狀態，而自然界中的二氧化碳含量約為0.03%，在雨水中并沒有達到飽和狀態。至此，第一個問題迎刃而解，同時也生成了另外一個問題：為何正常雨水的pH約為5.6呢？由于此知識點超出了初中生的知識范疇，教師提供資料以輔助學生分析：把pH=5.6作為劃分酸雨的界限是科學家于1962年提出的，因為10 ℃時自然界大氣中的CO2 濃度約為 300 ppm， 當它和雨水充分接觸達到平衡時，雨水的 pH 約為 5.6。因此，人們常用降水的pH=5.6為標準來判斷大氣是否受人類活動的影響，并作為劃分酸雨的界限。通過資料的輔助，學生能更好地理解有關雨水pH的相關知識。同時，在解決問題的過程中，學生了解了科學探究的基本過程，提高了對科學探究的興趣。

分析實驗二的pH變化曲線可以得到以下信息：1.等體積的二氧化硫和二氧化碳溶于等量水中時，二氧化硫溶于水形成的溶液的pH更小。2.二氧化碳、二氧化硫溶于水中，濃度越大，溶液的pH越小。

實驗結論：二氧化碳和二氧化硫會讓雨水的pH變?。辉谄渌麠l件相同的情況下，二氧化硫對雨水的pH有更大的影響，并且濃度越大，pH越小。

此結論使學生認識到在日常生活中要控制二氧化碳和二氧化硫氣體的排放，保護環境，由此增強了環保意識和社會責任感。

三、數字化實驗反思評價

初中化學人教版教材中除了8個實驗活動，還有很多知識點可以實驗教學的方式進行傳授，以幫助學生更好地理解。教材中對二氧化碳和二氧化硫影響雨水pH的知識沒有具象解釋，使學生產生了認知困難。本實驗探究補充了教材在此知識點上的實驗教學空白，同時采用數字化實驗技術揭示相關化學原理，從而達到了以下實驗教學效果。

1.有效突破難點。本實驗探究補充了教材在此知識點上的實驗教學空白，且數字化實驗具有可視化、直觀性等優點，可有效幫助學生突破認知困難，解決疑惑。

2.創新實驗裝置。本實驗裝置具有創新、簡單、實用、易操作等優點。

3.注重能力培養。教學過程注重培養學生的創新意識以及觀察和分析圖表的能力，幫助學生認識新事物、掌握新方法、形成新思維，發展學生的學科核心素養。

本數字化實驗通過多媒體交互系統收集數據、處理數據并描繪圖線，對于復雜的數據處理更為高效和便捷，更重要的是能夠面向全體學生，讓學生更加關注實驗及其變化過程和結果分析。研究表明，采用數字化實驗可以進一步激發學生的學習興趣和探究熱情，加深學生對化學概念的理解，提升學生的圖像認知能力，增強學生的團隊合作意識，為中學化學實驗教學提供更多途徑。數字化實驗教學使得課堂教學更加多元化，學生的思維更加活躍，促使學生養成敢于質疑、勇于創新的科學品質，培養學生“科學探究與實踐”“科學思維”等核心素養。

本次數字化實驗教學榮獲江蘇省初中化學實驗說課比賽一等獎。這也啟發了筆者，作為一線教師不僅要做到熟悉教材，更要去研究教材，發掘其中可探究的部分，采用合適的教學方式去引導學生思考，在教學過程中滲透學科素養的培養，引導學生體驗科學探究的過程，啟迪學生的科學思維，培養學生的實踐能力，進而促使學生理解科學的本質，提高科學素養。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準：2022年版［M］.北京：北京師范大學出版社，2022.

［2］? 鐘仁梅.話“酸雨”［J］.中學化學教學參考，2019（4）：54-55.

［3］? 王棟.酸雨教學實驗的新設計［J］.化學教學，2018 （10）：69-72.

［4］? 畢吉利，吳曉紅.手持技術和模型發現教學模式在“酸雨的形成”教學中的應用［J］.化學教育，2013 （9）：24-29.

［5］? 劉靜.數字化實驗應用于初中化學實驗教學的思考［J］.中學課程輔導（教師通訊），2019（10）：28.

［6］? 梁錫.數字化實驗在初中化學教學中的應用［J］.教育信息技術，2016（3）：51-52，80.

（責任編輯 羅 艷）