數字化實驗促進化學知識“可視化”學習的實踐和研究
—— 以“酸堿中和反應”為例

◎ 陳偉紅

一、利用數字化實驗促進化學知識“可視化”學習的意義

數字化實驗系統（Digital Information System，簡稱DIS）是由傳感器、數據采集器和配套軟件組成，能與計算機連接并進行定量采集和處理數據的實驗技術系統。[1]它能將化學反應現象轉化為可監測的信號, 從而幫助學生增強對化學現象和原理本質的認識。

本文的“可視化”并不是簡單地把數據變成圖表，而是以數據為工具，以可視化為手段，用直觀的方式促進學生對所學知識的理解和掌握。知識可視化過程是人腦把抽象知識形象化的過程，也是學生在學習中建立網絡聯結的過程，更是學生思維品質提升的過程。

在初中化學教學中，有一些難理解的科學概念和原理，通過傳統實驗不容易讓學生理解，借助于數字化傳感技術的直觀演示、準確的數據分析和圖表展示，可以達到快速突破教學難點、優化教學過程及提高教學效率的目的。尤其是牽涉到微觀粒子的知識，對學生來講都是難以理解的，借助于數字化實驗實時呈現的數據變化和圖像變化等可視的表征方式實現微觀“可視化”，有利于學生建立宏觀和微觀的聯系，進而幫助學生從微觀層面理解問題的本質。傳統的化學實驗中有一些反應的過程是無明顯現象的，學生由于觀察不到明顯現象，難以理解反應的過程和其中涉及的相關知識，如二氧化碳和氫氧化鈉的反應、飽和溶液的形成等。利用數字化實驗，通過測定體系中某一物理量的數據變化或變化曲線，借助可視的表征對象幫助學生將抽象、概括的，難以理解的知識轉化成形象、具體的，便于理解的知識。

二、教學過程設計

（一）教學設計思路

“中和反應”是初中化學中的一個重要概念，本課的教學是一節概念課的教學。本課在設計中重視學生對概念的構建過程，力求讓學生在教學過程中逐步體驗概念的內涵，最終水到渠成地完成核心概念的構建。

氫氧化鈉和鹽酸的反應是無明顯現象的反應，一般需要通過酸堿指示劑的顏色變化來證明反應的發生。為什么這個反應會放熱？為什么利用酸堿指示劑能證明反應的發生？宏觀上表現出的這些現象只有從微觀層面去分析才能找到解釋，通過從微觀角度分析認知反應的過程，幫助學生體驗化學“宏觀—微觀—符號”的三重表征。

通過分析反應的微觀過程，猜測熱量的變化與微觀反應過程的相關性，再通過實驗來收集證據驗證猜測。在分析解決問題的過程中體驗化學“實證”的學科思想和方法。收集“實證”的過程中通過“定性實驗”“定量實驗”讓學生感受多元化、多角度的實驗研究方法，尤其是通過引入數字化實驗將看不到的化學反應過程“可視化”，有利于學生對“微粒觀”的認識和理解。通過數字化實驗的結果以圖形方式呈現，并對圖形進一步分析，有利于學生對“定性實驗”的實證的分析和理解；通過數字化實驗的數據的采集，感受實驗研究工具的進步為化學研究帶來的便利，通過對數據的分析，提高學生的數據分析能力的同時更有利于理解問題的本質。

（二）教學內容分析

1.教材分析

“酸堿中和反應”是滬教版九年級化學第五章第二課時的教學內容，是一級主題“常見化合物”的重要內容，也是酸和堿的重要性質之一。教材編排中先學習酸堿中和反應，之后再學習酸和堿的性質，因此本課時的內容是后續內容學習的基礎和鋪墊。

2.學情分析

（1）知識儲備

在低年級的科學課、化學課第三章“溶液的酸堿性”中已經學習了酸溶液和堿溶液的酸堿性、酸堿指示劑、溶液酸堿度的表示方法等相關知識，為本節課討論酸和堿的反應做好知識儲備。

（2）能力儲備

學生在之前的化學學習和其他自然學科的學習中多次體驗了探究式學習方式，因此具備了一定的問題探究能力和小組合作學習的經驗，為本課教學活動的展開做好能力儲備。

（3）方法的儲備

在第二章“物質的量”“質量守恒定律”、第三章“溶解度”等概念課的學習中已經體驗過概念構建的過程和實證的思想，為本課的學習做好方法的儲備。

（三）教學目標的制定

1.知識與技能

（1）知道中和反應的概念；

（2）了解中和反應的特征；

（3）知道生活中簡單的中和反應的原理。

2.過程與方法

（1） 通過收集“反應放熱與微粒重組關系”的實證，體驗科學研究中實證的思想和方法；

（2）通過多角度收集實證，學習定性定量研究、對照實驗等方法，體驗實驗數據處理和分析的一般過程。

3.情感態度與價值觀

通過討論生活中的酸堿中和反應，感受“化學服務于生活”的學科價值。

（四）教學重難點的確立

中和反應是一個重要的基本概念，如何通過教學活動幫助學生體驗概念的內涵并最終建構概念是本課的重點。

由于教材中不提及離子，如何讓學生理解中和反應的內涵是本課的難點。教學設計中借助動畫的形式幫助學生理解復分解反應的微觀過程。從討論化學變化宏觀表現出的放熱的現象與微粒結合的主動性的相關性著手，通過收集、分析不同的實證，從而感知中和反應的本質是酸中的氫與堿中的氫氧根結合并放出熱量的過程。

（五）教學流程

（六）教學過程

1.實驗引入

利用實驗“彩虹管”（見圖1）的制作引入，通過實驗中紫甘藍汁不同的顏色變化形成視覺沖擊，激發學生的學習興趣。通過分析紫甘藍汁不同的顏色變化的原因，激發學生的“前認知”，為后續的教學環節的開展做好知識鋪墊。

圖1

2.分析原理，形成認知

通過討論“彩虹管”中間部位的紫色能否說明氫氧化鈉和鹽酸發生化學反應、如何利用彩虹管證明氫氧化鈉和鹽酸能發生化學反應并實驗驗證，幫助學生形成認知：氫氧化鈉和鹽酸能發生化學反應。再通過實驗氫氧化鈉溶液和鹽酸混合（見圖2），進一步幫助學生形成認知：化學反應中無明顯現象的反應往往需要借助于指示劑等輔助手段來說明反應是否發生。

圖2

3.探究反應過程，體驗概念內涵，建構概念

（1）在氫氧化鈉溶液和鹽酸混合的實驗中只有一個學生有機會感受到了這個反應過程是放熱的過程，而利用數字化實驗設備實時呈現氫氧化鈉溶液中滴入鹽酸時溫度的變化曲線（見圖3），讓全體學生感受到這個反應是放熱的反應，而且在鹽酸加到一定量時溫度達到最高，這為后續教學環節提出核心問題“反應中的熱量從哪里來？”提供了事實依據，也為后續教學環節中數字化實驗的進一步應用作了第一步鋪墊。

圖3

（2）通過動畫演示“交換舞伴”，幫助學生從微觀層面理解氫氧化鈉和鹽酸之間反應的微觀過程，也為學生在后續課時酸、堿、鹽的性質的學習中，理解復分解反應的微觀過程打好基礎。

（3）根據“交換舞伴”的動畫，學生推理出氫氧化鈉和鹽酸反應的產物，結合氫氧化鈉溶液中滴入鹽酸時放熱的現象，學生提出猜測反應中放出熱量與反應中哪對“舞伴”的主動結合有關。

（4）通過實驗收集證據來佐證猜測是否成立。

① 收集證據佐證放熱與氫氧化鈉中的鈉與鹽酸中的氯的結合是否有關。

運用替換、比較、歸納的實驗思想設計實驗方案，測定多組存在鈉與氯組合的體系中兩種溶液混合前后溫度的變化。根據混合前后溫度幾乎不變的實驗結果，結合課外測定的更多的實驗結果，得出結論：反應中的放熱與氫氧化鈉中的鈉與鹽酸中的氯的結合沒有直接的關系。

② 收集證據佐證放熱與鹽酸中的氫和氫氧化鈉中的氫氧根的結合是否有關。

“彩虹管”中的溶液倒入燒杯后變成紫色，從定性的角度說明鹽酸中的氫和氫氧化鈉中的氫氧根結合成水。我們也可以利用更精準的方法——測溶液的酸堿度pH來證明這一對“舞伴”的重組。教師利用數字化實驗呈現在氫氧化鈉溶液中滴入鹽酸時pH的變化曲線（見圖4）。通過觀察pH的變化曲線的動態過程，感受溶液體系中隨著鹽酸的加入，氫和氫氧根結合成水的量逐漸增多，體系內的氫氧根逐漸減少甚至消失，而氫的量在鹽酸加到一定量時出現在體系內并繼續增加，從而形成認知：在pH等于7附近時氫和氫氧根恰好完全結合。

圖4

結合學生之前觀察到的氫氧化鈉溶液中滴加鹽酸時的溫度變化曲線中的最高點，教師提出問題：溫度達到最高時滴加鹽酸的量與氫和氫氧根恰好完全結合時所加的鹽酸的量是否一致？于是，教師再次利用數字化實驗同時呈現氫氧化鈉溶液中滴加鹽酸的pH變化曲線和溫度變化曲線（見圖5），通過觀察兩根曲線的動態變化過程，學生不難發現當氫和氫氧根完全中和時溫度達到最高。這個實驗證據表明反應的放熱與氫和氫氧根的結合有直接關系。

圖5

根據“反應放熱與氫和氫氧根的結合有關”的結論，教師提出新的問題：當反應中生成的水的量改變時，放出的熱量是否變化？學生有認為變化，也有認為不變的，于是利用三組對比實驗（見圖6）：分別測定20mL氫氧化鈉溶液與20mL鹽酸混合生成水的量分別是0.02mol、0.03mol、0.04mol的體系的溫度變化。實驗結果顯示：生成的水越多，溫度升高越多；生成的水的物質的量之比和溫度升高的量之比相等。這個定量的實驗證據再次說明反應的放熱與氫和氫氧根的結合有直接關系。

（5）教師再次運用替換和歸納的方法，提出如果將氫氧化鈉換成氫氧化鋇或是將鹽酸換成硫酸，實驗結果依舊不變。通過討論這兩個新的反應的產物，比較這三個反應的相同點和不同點，推斷酸和堿這兩類物質反應的共同點和不同點，最終建構中和反應的概念，同時歸納這一類反應的特點和本質。

4.應用概念，解釋生活中的中和反應

教師通過分析治療胃酸過多的藥物的成分及反應原理，讓學生了解中和反應在生活中的應用。通過討論兩個演示實驗后的廢液的處理方法，反饋學生對中和反應的理解和掌握程度，同時也鍛煉學生學以致用的能力。

圖6

三、教學反思

（一）利用數字化實驗使無現象的反應“可視化”，有效化解教學難點

由于教材編寫中沒有出現“離子”這個概念，這為本課學生理解中和反應的本質和內涵增設了一定的難度。盡管利用傳統的定性實驗在氫氧化鈉溶液中滴加酚酞，再逐滴滴加鹽酸，溶液從紅色變為無色，學生能理解兩者發生了化學反應，大部分學生也能理解是氫氧化鈉中的氫氧根與鹽酸中的氫結合生成了水，但學生不會理解中和反應的放熱和這個結合過程有關。

本課借助于數字化實驗，將這個傳統的定性實驗引申到定量實驗，通過呈現氫氧化鈉溶液中逐滴滴加鹽酸時pH的實時數據并動態地呈現pH的變化曲線，將溶液中氫氧根不斷減少而鹽酸加到一定量時氫逐漸增加的這個肉眼無法觀察的微觀過程“可視化”，使學生輕而易舉地理解了兩者之間的反應是堿中的氫氧根和酸中的氫結合成水的過程。通過分析pH的變化曲線，學生不難理解在pH=7附近時兩種微粒恰好完全反應，這是從傳統的定性實驗無法獲得的認知。盡管通過習題，學生也能從pH的變化曲線的分析中得到相關的認知，但由于缺乏了對微觀過程可視化觀察的事實性知識和經驗支撐，學生的理解顯得空洞，在知識的應用上就會力不從心。

（二）合理巧妙使用數字化實驗，將“隱性”的知識內涵可視化，促進學生理解概念的內涵

本課的數字化實驗的教學功能不局限于將反應的微觀過程“可視化”，更立足于如何將中和反應的本質和內涵的相關知識“可視化”。通過數字化實驗中測定氫氧化鈉溶液中滴加鹽酸時溫度的實時數據并動態地呈現變化曲線，讓學生更直觀地認識到中和反應是放熱的反應，并且通過分析溫度變化曲線圖可知，鹽酸加到一定量時反應放出的熱量達到最大值。這為學生討論中和反應的本質和內涵奠定了事實性依據和基礎。接著再次借助數字化實驗收集證據，當體系內有鈉與氯的重組時，溫度幾乎不變，說明中和反應的放熱與鹽的生成沒有直接關系。同時測定酸和堿反應時的pH變化和溫度變化兩根曲線，學生可以從這兩根曲線的實時動態的呈現過程中發現當氫和氫氧根恰好完全結合時溶液的溫度達到最高，這對學生理解中和反應的本質和內涵提供了強有力的事實依據，這是傳統的定性實驗所不具有的功能。本課后續又利用數字化實驗測定相同的體系內生成不同的量的水時放出的熱量，通過可視化的實驗數據再次幫學生提供了一個有力的證據支撐中和反應的內涵和本質。

（三）利用數字化實驗，多角度、多層次地將知識“可視化”，體驗學科素養

傳統實驗往往只是對結果做定性分析, 側重于實驗過程的具體操作，常用儀器的使用規范、用途，實驗現象的細致觀察以及從現象分析結論。而數字化實驗主要是從具體實驗數據分析歸納實驗結論, 側重于實驗過程中的探究過程和思維能力的培養。本課中多次利用數字化實驗從不同層次、不同角度來理解中和反應，幫助學生體驗宏觀和微觀的有機結合、定性研究和定量研究方法的整合、實證思想的強化等化學學科的核心素養。

化學是一門以實驗為基礎的學科。但是傳統實驗所呈現的往往是單一的。而數字化實驗的引入， 則給我們的實驗教學帶來了新的生機，增加了探究性。它所呈現的是多維的， 數據和圖像可以同時動態地表現，極大地豐富了化學教學。在化學教學中, 我們應該將傳統實驗與數字化實驗有機地結合起來, “擇其善者而從之，其不善者而改之” ，才能更好地發揮數字化實驗的作用， 取得更好的教學效果。