手持技術(shù)輔助高中化學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐

當(dāng)今，高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)手段在不斷演進(jìn)和創(chuàng)新。手持技術(shù)在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用能夠提高實(shí)驗(yàn)操作的便捷性、準(zhǔn)確性，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可視化和可靠性，拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高定量探究學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的直觀性，進(jìn)而提升教與學(xué)效率，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。本探究實(shí)驗(yàn)利用酸堿度傳感器、色度計(jì)等手持儀器，進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)測定，使現(xiàn)象對(duì)比更加直觀、科學(xué)，為漂白劑中漂白性粒子的探究提供量化證據(jù)。

一、認(rèn)知沖突：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的局限與定量探究的需求

近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，在課堂上融入先進(jìn)信息技術(shù)手段已成為普遍現(xiàn)象。手持技術(shù)因其便攜性、互動(dòng)性、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集分析等特點(diǎn)，在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷受到重視，為教育教學(xué)帶來了許多創(chuàng)新和便利。在高中化學(xué)課堂教學(xué)中，教師以化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究內(nèi)容為載體，以手持技術(shù)為輔助手段，開展有效的實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生消除畏難情緒，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神、創(chuàng)新思維等學(xué)科核心素養(yǎng)，同時(shí)也有利于教師專業(yè)發(fā)展。酸堿度傳感器、壓強(qiáng)傳感器、色度計(jì)等手持技術(shù)在高中化學(xué)課堂上的教學(xué)應(yīng)用案例屢見不鮮。筆者受此啟發(fā)，針對(duì)教學(xué)過程中的突出問題，將色度計(jì)應(yīng)用于漂白性實(shí)驗(yàn)探究中。

本次實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)發(fā)端于一次社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)中產(chǎn)生的認(rèn)知沖突。學(xué)生到造紙廠研學(xué)參觀，當(dāng)了解到造紙工業(yè)中使用亞硫酸鈉作脫色增白劑[1]時(shí)，學(xué)生產(chǎn)生疑惑：對(duì)紙起漂白作用的粒子難道不是教材實(shí)驗(yàn)中提到的 SO₂ 分子嗎，怎么使用亞硫酸鈉呢？聯(lián)想、類比氯水漂白實(shí)驗(yàn)[2]，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，可以證明二氧化硫與水反應(yīng)產(chǎn)生的新物質(zhì)具有漂白性。二氧化硫溶液中有多種含硫粒子（ H₂SO₃ 、 HSO₃^- 、 SO₃^2- ），到底是哪種粒子主要起漂白作用呢？為此，筆者設(shè)計(jì)方案對(duì)上述問題進(jìn)行深入探究。設(shè)計(jì)思路如下（如圖1）。

圖1實(shí)驗(yàn)教學(xué)構(gòu)思

二、技術(shù)賦能：手持技術(shù)方案設(shè)計(jì)與關(guān)鍵變量控制

本次實(shí)驗(yàn)，教師從學(xué)科知識(shí)、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Αr(jià)值觀念三個(gè)層次，深化化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。筆者確定了以下教學(xué)目標(biāo)：探尋漂白性粒子的證據(jù)，建立模型、應(yīng)用模型，提高解決問題能力；參與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，提供直觀、量化的證據(jù)，增強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)踐意識(shí)；參與科學(xué)實(shí)踐體驗(yàn)活動(dòng)，體會(huì)科學(xué)思維的魅力，感悟嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的科學(xué)精神。為此，設(shè)計(jì)并開展了如下任務(wù)。

1.探究二氧化硫溶液中具有漂白性粒子（任務(wù)一）① 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案（活動(dòng)1）。

【實(shí)驗(yàn)1】選出二氧化硫溶液與品紅溶液混合時(shí)的合適體積比。將不同體積比的兩溶液混合，用色度計(jì)檢測透射率的變化，測量漂白溶液所需時(shí)間和漂白效果。由于品紅溶液為紅色，因此檢測綠光和黃光的透射率，在反應(yīng)前后變化較大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 1mL 二氧化硫溶液與 2mL 品紅溶液混合時(shí)，漂白速率適中，漂白效果適當(dāng)。

【實(shí)驗(yàn)2】制備不同pH的二氧化硫溶液。

向 50mL 二氧化硫溶液中逐漸加人固體氫氧化鈉，用酸堿度傳感器實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)監(jiān)測溶液的pH變化。分別取出不同pH的二氧化硫溶液備用。使用固體氫氧化鈉是為了盡量不改變?nèi)芤褐泻蛭⒘５目倽舛取?/p>

【實(shí)驗(yàn)3】測量不同pH條件下二氧化硫溶液的漂白性。

打開色度計(jì)程序，準(zhǔn)確量取 2mL 品紅溶液放入檢測室，測量透射率，開始時(shí)較低，加入pH=1.5 的二氧化硫溶液，透射率逐漸增大，溶液顏色變淺，記錄漂白時(shí)間和最終透射率大小。接著與不同pH的二氧化硫溶液對(duì)比，觀察漂白效果。每組數(shù)據(jù)進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)兩次，取平均值。

此活動(dòng)通過啟發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)其獨(dú)立思考和解決問題的能力，提高實(shí)踐動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)探究技能。

② 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集（活動(dòng)2）。在此活動(dòng)中，學(xué)生學(xué)會(huì)采用新技術(shù)新方法，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

③ 數(shù)據(jù)分析及結(jié)論（活動(dòng)3）。

將數(shù)據(jù)擬合成圖表，可以清晰地發(fā)現(xiàn)：pH=1.5 的溶液與品紅溶液作用時(shí)，漂白所需時(shí)間較長；當(dāng) pHgt;5 時(shí)，漂白時(shí)間驟降。隨著pH繼續(xù)增大，透射率呈增大趨勢（如圖2）。

此活動(dòng)旨在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)用化學(xué)語言描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)展數(shù)據(jù)推理能力，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，提升科學(xué)的宏微觀思維，以及用理論知識(shí)解釋實(shí)際問題的能力。

“實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映了溶液中的什么微粒影響呢？”根據(jù)不同pH下二氧化硫溶液中含硫微粒的分布曲線（如圖3）可知：當(dāng) pH=1.5 時(shí)，溶液中以亞硫酸分子為主；當(dāng) pH=5 時(shí)，以亞硫酸氫根離子為主；當(dāng) pHgt;10 時(shí)，溶液中以亞硫酸根離子為主。

圖2不同pH的二氧化硫溶液與品紅溶液混合所需漂白時(shí)間與透射率變化圖

圖3不同pH下二氧化硫溶液中含硫微粒分布曲線

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論：當(dāng)亞硫酸分子含量較高時(shí)，漂白所需時(shí)間較長；當(dāng)亞硫酸氫根離子和亞硫酸根離子含量為主時(shí)，漂白所需時(shí)間大大減少，且隨亞硫酸根離子含量增加，漂白效果呈增強(qiáng)趨勢。

學(xué)生觀察上述現(xiàn)象，結(jié)合對(duì)微觀粒子分布的定量分析，可以深人理解并得出結(jié)論。此舉旨在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)宏觀現(xiàn)象的辨識(shí)能力與對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的探索分析能力。學(xué)生以這種方式學(xué)習(xí)，不僅可以從表面現(xiàn)象中獲得信息，還能夠深人挖掘背后的微觀本質(zhì)，從而提升思維邏輯和科學(xué)分析能力。這種宏觀與微觀結(jié)合的學(xué)習(xí)模式有助于學(xué)生全面發(fā)展，為他們未來的學(xué)習(xí)和探究奠定基礎(chǔ)。

④ 揭秘漂白原理（活動(dòng)4）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論證實(shí)了造紙廠使用亞硫酸鈉漂白的事實(shí)。但還沒有揭開其中的反應(yīng)機(jī)理。接下來，筆者引導(dǎo)學(xué)生查閱資料，學(xué)會(huì)用“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一觀念來解釋宏觀現(xiàn)象。

二氧化硫溶液使品紅溶液褪色的機(jī)理是亞硫酸氫根離子與品紅發(fā)生親核加成反應(yīng)，破壞了生色團(tuán)的共軛結(jié)構(gòu)。微粒進(jìn)攻品紅的能力強(qiáng)弱順序?yàn)椋簛喠蛩岣x子 gt; 亞硫酸氫根離子 gt; 亞硫酸分子，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。反應(yīng)生成的磺酸基（ -SO₃H ）是良好的離去基團(tuán)，加熱可使品紅恢復(fù)共軛結(jié)構(gòu)。因此，二氧化硫的漂白作用具有暫時(shí)性。

學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)自內(nèi)心地感悟科學(xué)思維獨(dú)特魅力，像科學(xué)家一樣思考、實(shí)驗(yàn)、獲取證據(jù)，分析解釋，發(fā)展了證據(jù)推理能力。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生扮演科學(xué)家的角色，思考問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、分析結(jié)果并得出結(jié)論。實(shí)驗(yàn)探究不僅能夠加深學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)和方法的理解，還能夠培養(yǎng)他們批判性思維和創(chuàng)新能力。這種全方位的實(shí)踐教學(xué)方法，旨在激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣，提高他們的學(xué)習(xí)動(dòng)力和自主探索的能力。

2.氯水中具有漂白性粒子的探究（任務(wù)二）

經(jīng)過對(duì)二氧化硫溶液中漂白性粒子的探究，建立了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，接著教師引?dǎo)學(xué)生自主探究氯水中漂白性的粒子，使學(xué)生自主體驗(yàn)科學(xué)探究的一般過程。教師應(yīng)用模型解決相似問題，培養(yǎng)學(xué)生自主探究、分析問題和解決問題的能力。教師以分組合作方式，提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)探究和數(shù)據(jù)分析，繪制不同pH的氯水與品紅溶液混合后的漂白時(shí)間與透射率變化圖，結(jié)合氯水中含氯微粒分布曲線可知：次氯酸含量越高，漂白效果越好；反之，漂白效果越差。

究其原因，次氯酸的漂白為氧化漂白，酸性越強(qiáng)，氧化性越強(qiáng)。當(dāng) pH=12 時(shí)，溶液中以次氯酸根為主，次氯酸根的氧化性較弱，只能氧化氨基，沒有破壞整體共軛結(jié)構(gòu)，因此溶液只是變黃。次氯酸氧化品紅結(jié)構(gòu)的機(jī)理有多種說法，常見的解釋為次氯酸將品紅分子中的一個(gè)碳碳雙鍵氧化為環(huán)氧化合物，再與水反應(yīng)生成兩個(gè)羥基。新生成的羥基和氯原子不是好的離去基團(tuán)，加熱不會(huì)恢復(fù)共軛結(jié)構(gòu)，所以次氯酸的漂白具有永久性。教師提供資料參考，鼓勵(lì)學(xué)生了解反應(yīng)實(shí)質(zhì)。

聯(lián)想到生活生產(chǎn)中使用的漂白液為次氯酸鹽，解釋原因：次氯酸鹽相對(duì)于次氯酸更穩(wěn)定，易于保存。但在漂洗衣物時(shí)，需浸泡一段時(shí)間，使次氯酸鹽與空氣中的二氧化碳作用轉(zhuǎn)化為次氯酸，以增強(qiáng)漂白效果。將化學(xué)理論與實(shí)際生活結(jié)合起來，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)的興趣，同時(shí)也增強(qiáng)他們將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際情境中的能力。這樣的教學(xué)方法有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力，為他們未來的學(xué)習(xí)和生活奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.遷移應(yīng)用（任務(wù)三）

① 對(duì)比兩溶液的性質(zhì)，提出新問題（活動(dòng)1）?！盀槭裁炊趸蛉芤翰荒芷资锶芤憾人梢阅兀空?qǐng)課后探究，揭秘漂白原理。”

學(xué)生課后探尋證據(jù)：對(duì)比不同有機(jī)色素的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，解釋二氧化硫漂白的選擇性和氯水漂白的廣泛性，進(jìn)一步遷移應(yīng)用認(rèn)知模型，實(shí)現(xiàn)從知識(shí)到能力的結(jié)構(gòu)化提升。某種結(jié)構(gòu)類型的石蕊溶液與二氧化硫溶液作用時(shí)，不能破壞共軛體系，只與亞氨基成鹽使溶液變紅。因此二氧化硫的漂白具有選擇性，不能使所有有機(jī)色素褪色。

次氯酸是利用強(qiáng)氧化性漂白，石蕊分子中的酚羥基、六元環(huán)結(jié)構(gòu)中的雙鍵都可以被氧化，破壞生色團(tuán)結(jié)構(gòu)。有機(jī)色素之所以顯色，正是雙鍵形成的共軛結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，因此都能被次氯酸氧化，其漂白具有廣泛性。教師引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系有機(jī)化學(xué)中官能團(tuán)的性質(zhì)，去解釋相關(guān)現(xiàn)象，讓他們對(duì)比歸納兩種漂白劑漂白原理的不同，提升了主動(dòng)思考、提出問題的能力。

② 走進(jìn)生活，感悟化學(xué)魅力（活動(dòng)2）。

無論是二氧化硫溶液還是氯水作漂白劑都有它們的局限性：二氧化硫的漂白具有暫時(shí)性和選擇性，而次氯酸的強(qiáng)氧化漂白容易破壞物質(zhì)整體結(jié)構(gòu)，且會(huì)生成有毒氯化物。為此，學(xué)生走進(jìn)超市，發(fā)現(xiàn)很多新型漂白劑正在服務(wù)生活。整個(gè)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)從社會(huì)中來到生活中去，使學(xué)生感受到化學(xué)使生活更美好。探究過程中，學(xué)生領(lǐng)悟到不同漂白劑的普遍性和局限性，學(xué)會(huì)用辯證思維方式去看待問題。將學(xué)科知識(shí)應(yīng)用于生活實(shí)踐，不僅能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)的興趣，而且能讓學(xué)生意識(shí)到科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)社會(huì)和生活的重要性。

三、定量探究：數(shù)據(jù)采集、處理與漂白效果分析

制作實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)量表（見表1），從過程性評(píng)價(jià)和結(jié)果性評(píng)價(jià)兩個(gè)維度設(shè)置評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：

表1“探究二氧化硫溶液和氯水中漂白性粒子”實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)體系

完全能做到得2分，部分能做到得1分，完全做不到0分；自評(píng)占 30% 權(quán)重，互評(píng)占 30% 權(quán)重，師評(píng)占 40% 權(quán)重。按此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究過程進(jìn)行全方位、多維度、可視化評(píng)價(jià)，既關(guān)注實(shí)驗(yàn)結(jié)果，又注重實(shí)驗(yàn)過程。促使學(xué)生通過自我反思，明確實(shí)驗(yàn)收獲以及完善方向。教師對(duì)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在探究中的共性問題和認(rèn)知待發(fā)展區(qū)域，便于后續(xù)教學(xué)。

四、實(shí)踐反思

本實(shí)驗(yàn)探究從發(fā)現(xiàn)認(rèn)知沖突開始，接著提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，引人酸堿度傳感器和色度計(jì)做實(shí)驗(yàn)，使控制變量更加精準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有了定量化描述。教師針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行證據(jù)推理，將模型進(jìn)行遷移應(yīng)用，根據(jù)評(píng)價(jià)量表進(jìn)行評(píng)測，促使學(xué)生反思過程，明確方向。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，教師適時(shí)點(diǎn)撥，充分發(fā)揮學(xué)生的自主能動(dòng)性。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究，不斷發(fā)現(xiàn)問題，再探索方法，解決問題，完善知識(shí)和能力體系，進(jìn)而形成宏微觀、定量觀、模型認(rèn)知、證據(jù)推理等核心觀念，在類比遷移應(yīng)用過程中感悟嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的科學(xué)精神。在探究實(shí)驗(yàn)中，教師引導(dǎo)學(xué)生利用手持技術(shù)設(shè)備進(jìn)行漂白劑中漂白性粒子的定量探究，為學(xué)生提供了深入了解化學(xué)反應(yīng)原理的機(jī)會(huì)，使觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀科學(xué)，有助于促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)和興趣的進(jìn)一步深化。

今后，我們將進(jìn)一步促進(jìn)信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合，更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升實(shí)驗(yàn)操作能力和科學(xué)素養(yǎng)，從而推動(dòng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。讓我們繼續(xù)借助科技的力量，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來更多創(chuàng)新和進(jìn)步。

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[2]王晶，鄭長龍.普通高中教科書化學(xué)必修第二冊(cè)[M]北京：人民教育出版社，2019.

（作者李妍系天津市實(shí)驗(yàn)中學(xué)教師；姜國慶系天津市實(shí)驗(yàn)中學(xué)特級(jí)教師、正高級(jí)教師；滕湘文系天津市實(shí)驗(yàn)中學(xué)副高級(jí)教師；畢婧系天津市實(shí)驗(yàn)中學(xué)教師）

責(zé)任編輯：祝元志