數字化實驗與化學教學的融合
——以探究乙醇與鈉反應的定量實驗為例

楊曉潔 程 萍

（1南京師范大學教師教育學院 江蘇南京 210097；2安徽蚌埠第九中學 安徽蚌埠 233000）

數字化實驗與化學教學的融合
——以探究乙醇與鈉反應的定量實驗為例

楊曉潔1.2程 萍1

（1南京師范大學教師教育學院 江蘇南京 210097；2安徽蚌埠第九中學 安徽蚌埠 233000）

隨著計算機技術和傳感技術的發展，數字化實驗已經成為化學課堂有力的教學助手。文章以乙醇與鈉的反應為例，將定性實驗與數字化定量探究實驗結合，采用轉化率處理數據，讓學生在心理上形成學習化學獨特的四重表征，并培養學生的證據意識和推理能力。

乙醇；鈉；數字化；轉化率；表征

隨著課程改革的不斷深入，轉變教學理念，改變教學模式，培養學生的化學核心素養，適應現代化教學的需求是高中化學課堂教學一直關注的問題。化學是一門以實驗為基礎的學科，因此在高中化學課堂教學中，不僅要重視實驗教學，更要重視實驗的課堂教學。教學實驗與技術的發展和進步是密切相關的，隨著計算機技術和傳感技術的發展，數字化手持技術已經成為化學課堂有力的教學助手。如何充分發揮數字化實驗的技術優勢，將其成為提高學生化學核心素養有利的工具，是一個值得深思與探討的問題。本文主要闡述在課堂教學中從乙醇與鈉反應的定性實驗，乙醇的球棍模型引發疑問探究乙醇的真實結構，進而合理使用數字化手持技術“探究乙醇與鈉反應的定量實驗”，并采用轉化率處理數據。

一、乙醇與鈉反應的數字化實驗

1.實驗儀器和藥品

依據任紅艷等人［1］（2010）所設計的“利用手持技術改進測定乙醇分子結構實驗”，結合本校的實際情況，此次教學實驗，所使用到的儀器和藥品有鐵架臺（帶鐵圈）、石棉網、1 mL注射器、250 mL圓底燒瓶、酒精燈、無水乙醇（已蒸餾）、金屬鈉、氣壓傳感器、采集器、電腦。

圖1 實驗儀器和藥品

圖2 實驗裝置圖

2.實驗步驟

（1）在注射器中充入0.2mL無水乙醇，按圖中所示組好裝置，在潔凈干燥的圓底燒瓶中加入約0.3g金屬鈉，塞上裝有注射器和氣壓傳感器的塞子。

（2）點擊“開始”采集數據，通過注射器向250 mL圓底燒瓶中一次性注入0.2mL無水乙醇。

（3）當反應進行緩慢時（反應產生的蠟狀乙醇鈉會包裹在鈉塊表面，阻止反應的繼續進行），用酒精燈加熱大約15s，以溶解包裹在鈉塊表面的乙醇鈉，反應繼續進行。

（4）待反應停止，燒瓶完全冷卻以后，點擊“停止”，結束數據的采集。

（5）重復實驗若干次，取三次或四次曲線求氫氣產生的氣壓平均值。

（6）已知乙醇的密度為ρ=0.7894 g/mL，用水測法測燒瓶的體積，通過理想氣體狀態方程式：PV=nRT（式中P是壓力；V是體積；n是氣體物質的量；T是熱力學溫度，它和攝氏溫度t的關系為T=t+273，R=8.31J·mol-1·K-1），計算得到反應產生氫氣的物質的量，再求得乙醇與鈉之間的物質的量之比，進而確定乙醇的結構。

二、基于數字化實驗的乙醇與鈉反應的課堂教學設計

1.教學內容分析

乙醇是魯科版必修二第三章第三節的教學內容，在教材中對于這部分內容是這樣呈現的：

【實驗一】向試管里注入約2mL無水乙醇，再放入一小塊金屬鈉，觀察發生的現象，檢驗生成的氣體。

乙醇能與金屬鈉反應生成乙醇鈉并放出氫氣。

可以看出，在魯科版的教材中對于這部分內容描述是比較粗略的，相關知識點也是直接呈現的方式。但筆者認為乙醇是學生在學習有機化合物階段所接觸到的第一種含氧衍生物，在課堂中針對乙醇的結構進行深入的探究，將對學生學習有機化合物“結構決定性質”這一學科核心思想產生深刻的影響。

2.學情分析

高中階段學生的思維主要表現為從形式邏輯思維逐步向辯證邏輯思維發展過渡，已經能夠進行理論思維。隨著理論思維的發展，高中生對化學實驗中的各種現象的因果關系解釋越來越感興趣。高中階段的化學實驗，多以定性實驗為主，定量實驗不多，因此學生定量的觀念和意識較為缺乏。而數字化實驗突破了感性觀察和只注重定性分析的局限性，直觀地呈現化學實驗數據的變化，從而幫助學生更深入地理解化學反應的本質和規律。本校配備了中學教學能使用到的各種傳感器，在以前的化學課堂和課外活動的教學過程中，學生使用過二氧化碳傳感器、pH傳感器、電導率傳感器等，因此學生對數字化實驗并不陌生。學生的心理現狀和學習經驗為本節課的推進起了支撐作用。

3.教學目標

知識與技能：

（2）加深理解有機化合物“結構決定性質”的核心思想。

過程與方法：

（1）學生親自進行實驗的設計，認識數字化實驗的特點。

（2）通過數字化實驗結果的分析，在“宏觀—微觀—符號—曲線”之間建立聯系。

情感態度與價值觀：

（1）在實驗設計和數據處理中，體會化學實驗的科學性，激發探究熱情。

（2）在探究過程中培養一絲不茍、實事求是的科學態度。

4.教學過程

賽努奇人物畫收藏趣味傾向的形成與賽努奇本人以及整個歐洲所具有的西方文化基因與背景密切相關，他們對中國繪畫所體現的中國文化、歷史內容更感興趣，收藏的趣味正是以“他者”的眼光來觀照中國文化的結果。繪畫在西方漢學家與收藏家的眼中更多的是歷史文化的窗口，滿足他們對異域異質文化的向往與探求之心。就賽努奇所藏人物畫所反映的趣味來看，其所體現的情節性和東方文化的內涵，正是西方以同構的方式來了解和認識中國文化的表現。

（1）教學流程圖

圖3 教學流程圖

依據實驗一的宏觀描述，引發問題探究乙醇的真實結構，依據實驗二的曲線表征處理數據得到乙醇和氫氣之間的比例，推理得到乙醇的微觀結構及反應機理，進而使用化學語言表征反應過程，從而在學生心理上形成學習化學獨特的四重表征。

（2）教學的具體過程如下：

圖4 教學過程中四重表征形成過程

（1）情景引入，分組實驗

從試劑瓶中取出一試管的無色透明液體，讓學生猜測是什么，通過觀察有同學說是水，有的同學猜測是乙醇。教師說：“乙醇似水，是否與水性質相似？”。而學生對于水的化學性質中，印象最深的要數水與鈉的反應。學生分組親自動手對這個實驗進行操作。具體過程如下：向青霉素瓶中加入少量無水乙醇。再取一小塊鈉放入青霉素瓶中，將尖嘴玻璃管的大頭朝下插入乙醇中，并使之罩住鈉塊。鈉塊與乙醇反應產生的氣體從玻璃管上口排出。不用驗純（尖嘴管內的少量空氣可很快被生成的氫氣排出），直接在尖嘴玻璃管的上口點燃氣體。此時可用干燥潔凈的小燒杯罩在火焰上方，結合使用澄清石灰水，以檢驗燃燒產物為水，從而確定生成的氣體是氫氣。

圖5 乙醇與鈉反應的定性實驗

（2）拼裝模型，引發質疑

通過此定性實驗，學生發現乙醇和水都能與鈉反應產生氫氣，但乙醇的反應比水的反應明顯要緩慢得多，這是什么原因呢？同學們知道結構是決定性質的，通過乙醇的分子式，利用老師事先給準備好的球棍模型，小組內的同學們拼裝起乙醇可能的結構，并按照所拼裝的結構推測反應過程，書寫相應的化學方程式。

在進行匯報的時候，小組間的同學們起了很大的爭執，不同的小組拼裝出來的結構不同，所得到方程式也不同。

猜想一：乙醇是兩個甲基通過氧原子連接的結構，在反應的過程中斷裂的是C-H鍵，1分子的乙醇可以產生3分子的氫氣，乙醇與氫氣之間的物質的量之比為1：3。化學方程式如下：

圖A

猜想二：乙醇是一個乙基和一個羥基所組成，在反應的過程中斷裂的是O-H鍵，2分子的乙醇可以產生1分子的氫氣，乙醇與氫氣之間的物質的量之比為2：1。化學方程式如下：

圖B

猜想三：乙醇是一個乙基和一個羥基所組成，與猜想二不同的是在反應的過程中斷裂的是C-H鍵，2分子的乙醇可以產生5分子的氫氣，乙醇與氫氣之間的物質的量之比為2∶5。化學方程式如下：

那么，乙醇的結構究竟是怎樣的，在反應的過程中斷裂的是哪些化學鍵，而乙醇與鈉的反應為什么比水的緩慢？

為了解決這些問題，讓學生設計實驗方案。同學們認為可以利用傳統儀器通過排水法測定乙醇與鈉反應所產生氫氣體積來確定乙醇的結構。學生展示小組內的實驗設計圖。教師給予評價。

展示在以前的課本和習題中利用傳統儀器設計的實驗裝置（詳見圖甲、圖乙）。

圖乙

在對其原理進行了簡單的說明后，同學們感覺到，排水法裝置操作復雜，實驗誤差大。那么，可否使用手持技術來解決這個問題呢？

（3）討論實驗方案，選擇實驗儀器

展示學校所配備的手持技術實驗傳感器，同學們一致選擇了氣壓傳感器，認為氣壓傳感器可以測定在密閉容器中反應所產生氫氣的壓強，此時再給學生提供理想氣體狀態方程，明確氫氣的壓強和其物質的量之間的關系。

（4）進行實驗操作，得到曲線，計算結果得出乙醇與氫氣的物質的量之比。

圖6 測定乙醇分子結構實驗壓強變化曲線

表1 測定乙醇分子結構實驗數據處理表

乙醇定量0.2mL，密度為ρ=0.7894 g/mL，室內溫度為15℃，學生用水測法測燒瓶的體積V=360mL，取四次合理的實驗數據計算出氫氣產生壓強的平均值為9.385kPa，在課堂中，依據實驗數據計算出來乙醇與氫氣之間的物質的量之比約為2.43。在任紅艷老師等［1］所做的實驗中，計算出來的數據是2.05，本人做了多次實驗，發現利用本校所使用的手持技術傳感器，很難達到這個精確度。對于上述實驗數據，很多學生出現錯誤判斷，無法把結論和乙醇的真實結構聯系起來，但是采用以下計算損失率的方式很好地解決了這個問題，學生輕松地得出了乙醇的結構和反應原理。

乙醇用量是0.00343mol，學生通過實驗數據得到氫氣物質的量為0.00141mol，如果反應按照第一個化學反應進行理論數據為n（H2）=0.01029mol，損失率為86.3%；如果按照第二個反應過程進行理論數據為n（H2）=0.001715mol，損失率為17.78%；如果按照第三個反應過程進行理論數據為n（H2）=0.008575mol，損失率為83.56%。學生親眼看到了這個反應的進行，大部分乙醇被鈉消耗，就算是因為加熱和放熱，乙醇易揮發等因素，損失率也不可能達到83%以上，因此很容易得出損失率在17.78%是合理的，進而判斷出乙醇的構型和反應過程所斷裂的化學鍵。

（5）交流實驗結果，從宏觀描述到微觀辨析

此時所有的問題都迎刃而解，同學們爭先恐后地回答小組討論的結果。

學生1：依據實驗數據可以推出1 mol乙醇分子里有1 mol氫原子可以被取代，因此可以確定乙醇與鈉反應斷裂的是O—H，而不是C—H鍵，乙醇的結構為（Ⅰ）,而不是（Ⅱ），而乙醇之所以能像水一樣和鈉反應是因為它和水的結構類似都存在羥基。

學生2：乙醇與鈉的反應比水緩慢是由結構所決定的，乙醇的羥基直接連接的是烷基，正因為烷基的存在，導致氫氧鍵活性減弱。

最后讓學生分析，我們使用數字化儀器，為什么還會產生實驗誤差？

學生3：由于乙醇與鈉的反應是一個放熱反應，而乙醇容易揮發，因此誤差不可避免。為了減少誤差，我們必須等到反應結束，燒瓶完全冷卻以后再分析數據。

三、本教學設計的特點與教學反思

1.對本數字化實驗的反思

本節課在課堂中使用數字化儀器仍然出現了誤差較大的問題，其主要原因是因為本來反應使用的乙醇量就很少（只有0.2mL），而此反應是放熱反應，且在反應的過程中有加熱操作，反應所得到的乙醇鈉會消耗附著一定的乙醇（互溶），所以乙醇的損失是不可忽略的，因此，雖然傳感器的靈敏度高，最后得到的數據也是有誤差的。由此，給予我們的啟示是，真實的定量實驗對反應條件的控制要求極高，而且一定會出現誤差，如何合理減小誤差本身就是實驗探究的一個重要部分。

利用壓強傳感器進行乙醇和鈉反應的定量實驗對學生來說是一個很好的體驗，明顯提高了學生的積極性，由于氣壓傳感器能實時準確地展現壓強的變化，給學生一種感受現代化技術的強烈沖擊，而且通過實驗定量分析有機物的教學過程，顛覆了一向填鴨式的教學方式，因此學生也表現出了極大的興趣，并思考相應的問題。比如在課堂中我們只做了一組實驗，其它數據都是老師課前做實驗所得的數據，在沒有計算出合理的結果時，就有學生有這樣的疑問，是不是因為老師做實驗時和本節課上課時的溫度是不同的，導致實驗誤差，這說明此實驗的進行觸發了學生新的思考。學生通過整個教學課堂初步體驗科學家探索物質世界的過程，通過操作、思考、討論、分析誤差等活動拓展學生的視野，增強學生分析問題的能力，特別有利于學生進行探索式學習。

2.利用數字化實驗幫助學生形成四重表征

數字化實驗通過先進的實驗設備實時、直觀性地展現在化學變化的過程中有關數據的變化，可以完成從定性到定量雙重的實驗指標。在實驗探究過程中，學生通過對一系列宏觀現象以及數字化實驗數據的分析，在“宏觀—微觀—符號—曲線”之間建立聯系，在心理上形成了化學學習的獨特的四重表征。

3.將定性實驗與定量實驗結合，培養學生的證據意識和推理能力

化學的定性實驗是研究物質包含哪些成分和性質，化學的定量實驗是測定物質所含各種成分的數量，從定性到定量，反映的是從現象到本質的規律，是科學發展的必然。可以說，沒有對化學實驗的定量研究就沒有化學科學的產生與發展，因此重視和加強定量意識的教學很有必要。本節課從定性實驗到定量實驗的探究，不僅能提高學生的定量意識，而且能加強學生獲取證據、基于證據推理的意識和能力。在探究過程中，鼓勵學生從問題和假設出發，確定探究目的、設計探究方案，通過觀察、實驗收集證據，并基于事實和證據來推測、確定乙醇的結構，讓學生充分認識證據在探究中的重要性。

4.實驗教學的設計與創新，促進教師自身的專業化成長

實驗是化學的靈魂，而實驗的核心是設計最合理的實驗方案。不僅學生需要在探究中成長，教師更要促進自身的專業化成長。教師應充分利用身邊的教學資源，從傳統實驗儀器、微型實驗儀器、手持技術儀器中尋找合適的儀器和操作，讓化學實驗教學更簡約、更易操作、現象更明顯、課堂教學更高效。而在設計、改進實驗教學的過程中，如何引導學生利用實驗現象和數據得出正確結論，引導學生采用不同的方式去解決問題，老師也經歷了深思熟慮的過程，提升了自身探究科學本質的能力。

［1］ 任紅艷，洪湘瓊.利用手持技術改進測定乙醇分子結構實驗［J］.化學教育，2010（4）：71

［2］ 凌崇忠，劉觀贊.乙醇與鈉反應實驗的簡易安全設計［J］.化學教育,2010（7）:66

［3］ 馬宏佳，汪學英主編.化學教學論［M］，南京：南京大學出版社，2014（7）：168

1008-0546（2017）10-0080-05

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10.3969/j.issn.1008-0546.2017.10.026