基于化學學科核心素養提升的數字化實驗課堂教學

白靜珠 胡天保

摘要：結合教學實例，對數字化實驗在發展學生化學學科核心素養方面的優勢作了詳細分析，給出了運用數字化實驗技術培育學生化學核心素養的方法和途徑，并指出今后化學課堂開展數字化實驗需要努力的方向。

關鍵詞：化學學科核心素養;數字化實驗;課堂教學

文章編號：1008-0546（2020）04-0079-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.020

新課程改革和高考綜合改革緊鑼密鼓地進行著，作為一名高中化學教師一項緊迫的任務就是學習和研究《普通高中化學課程標準（2017年版）》。該課標提出一個重要的觀點就是培養學生的化學學科核心素養。化學學科核心素養是指學生通過化學學習而逐步形成的正確價值觀念，它是學生用其所學知識、方法、思想、觀念，解決真實復雜的問題情境而表現出來的關鍵能力和必備品格，是學生綜合素質的體現。化學學科核心素養包括5大維度，即“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究和創新意識”及“科學態度與社會責任”[1]。本文以蘇教版《化學反應原理》選修模塊專題3第一單元“弱電解質的電離平衡”的第3課時——“常見的弱電解質”為例，從化學核心素養的培養為基本出發點，談談在實際教學中筆者的具體做法。

一、教學過程設計

1.設計思路

在《普通高中化學課程標準（2017年版）》中，對“弱電解質的電離平衡”的內容要求為：認識弱電解質在水溶液中存在電離平衡，了解電離平衡常數的含義。認識水的電離，了解水的離子積常數。具體的學業要求為：（l）能用化學用語正確表示水溶液中的離子反應與平衡，能通過實驗證明水溶液中存在的離子平衡，能舉例說明離子反應與平衡在生產、生活中的應用。（2）能從電離、離子反應、化學平衡的角度分析溶液的性質，如酸堿性、導電性等。

筆者在設計“常見的弱電解質”這一節課時安排兩條線，一條線主講醋酸這種一般代表性的弱電解質，另一條線講水這一種特殊的弱電解質。學生在學習醋酸電離平衡的基礎上，建構了一般弱電解質電離平衡}人知模型，運用模型類比方法學習特殊的弱電解質水。將一般弱電解質電離平衡的核心概念和本質特征遷移到水，加深對核心知識點內涵的理解，發展學生學習化學的關鍵能力，促進學生化學核心素養的養成。

上一節課的主要內容是以醋酸為例介紹了弱電解質中存在電離平衡，引出了電離平衡常數這個概念，緊接之前，本節課主要來探究影響弱電解質電離平衡的因素。傳統教學中注重理論對影響因素的分析，比較枯燥，學生也較難理解。本節課設計的一個亮點就是借助數字化實驗技術探究影響電離平衡的外界因素，將實驗和理論相結合，將化學探究轉化為直觀的、可監測的符號，通過對實驗數據的分析得出所需結論。數字化實驗有利于學生將有限的時間投入到高階段思維的學習活動中，有效發展化學學科思維，提高科學探究能力。

在《普通高中化學課程標準（2017年版）》中，特別強調課程設計要增加創設真實的情境素材，突出核心知識的應用價值。因此筆者精心設計幾個生活問題情境，比如“被蜜蜂或黃蜂叮咬后，處理的方法卻不同，應如何用家庭常用的物質加以處理？”再如“自然界的水中含有一些電解質，那么在使用電器過程中應注意哪些事項？”增加這些真實情境，促使學生對學習化學產生濃厚的興趣，教會學生學以致用，利用化學核心知識解決生活實際問題。

2.學情分析

學生在學習本節課之前，已經學過化學平衡以及影響因素，而且對影響化學平衡的外界條件（濃度、壓強、溫度等）是非常清楚的，但水溶液中的平衡體系與化學平衡還是有所區別。從問卷前測的結果看，學生在“濃度對化學平衡的影響”知識點的理解上存在障礙，獨立設計實驗探究化學平衡移動的能力不強，個別同學甚至對影響化學平衡常數的因素模糊不清。從前測的結果能反映出學生的認知現狀，筆者認為，只有從學生的認知現狀作為出發點，認真設計教學環節突破知識難點，才能有助于教學目標的高效落實。本節課教學過程中特別需要突破兩點認知障礙，第一：溫度對電離平衡的影響和溫度與Kw的關系;第二：濃度對弱電解質電離平衡移動的影響和濃度對電離程度的影響兩者的區別。基于以上兩點，筆者通過一系列基于化學學科核心素養培養的活動，達到較好的學習效果。

3.學習目標

（1）運用數字化實驗技術對比探究非電解質（乙醇）、弱電解質（O.lmol/L醋酸）、水、強電解質（氯化鈉溶液）的電導率。通過弱電解質（O.lmol/L醋酸）的電離平衡，理解水是一種極弱的電解質，并能用化學用語正確表示水的電離方程式。（宏觀辨識與微觀探析、符號表征、證據推理）

（2）借助醋酸的電離平衡認知模型，形成分析思路，推導出水的離子積常數。（證據推理和模型認知）

（3）運用數字化實驗技術探究溫度對弱電解質電離平衡的影響，特別是常溫時（25℃），水的離子積常數是Kw=10_-14。（變化觀念和平衡思想）

（4）設計實驗探究濃度對弱電解質電離平衡的影響。（科學探究和創新意識、變化觀念和平衡思想）

（5）探究同離子效應對弱電解質電離平衡的影響。（科學探究和創新意識、證據推理和模型認知、變化觀念和平衡思想）

（6）應用化學核心知識解決真實情境問題。（科學態度與社會責任）

4.學習重難點

（1）理解水是一種極弱的電解質，借助醋酸的電離平衡認知模型，形成分析思路，推導出水的離子積常數。

（2）運用數字化實驗技術探究外界條件對弱電解質電離平衡的影響，并會用平衡思想解釋原因。

5.藥品和儀器

藥品：O.lmol/L醋酸、無水乙醇、蒸餾水、氯化鈉固體

儀器：電導率傳感器、pH傳感器、溫度傳感器、數據采集器、磁力攪拌棒、pH計等

6.教學環節

【教學環節一】設計數字化實驗證明水是一種極弱的電解質。與醋酸相似，水分子相互作用發生電離，存在電離平衡。

活動1：展示實驗所需儀器（圖1）及有關電導率的信息卡片。信息卡：電導率能表示物質的導電性能。電導率越大則導電性能越強，自由移動的離子濃度越大。

觀察并比較乙醇（圖2）、O.lmol/L醋酸（圖3）及水（圖4）三者的電導率數值，并向水中加入少量氯化鈉固體（圖5），觀察電導率的變化曲線。

活動2：寫出醋酸和水的電離方程式。

設計意圖：學生通過觀察數據，發現無水乙醇的電導率為OμS/cm，O.lmol/L醋酸的電導率約為100.0μS/cm，水的導電率約為6.OμS/cm，水中加入少量氯化鈉固體后電導率升值4700μS/cm，從而得出水是一種極弱的電解質。借助數字化技術實現微觀世界可視化，加深對知識點的理解，學生對醋酸和水的電離用方程式表征出來，促進形成宏觀、微觀、符號三重表征的化學科學思維方式。

【教學環節二】借助醋酸的電離平衡認知模型，形成分析思路，推導出水的離子積常數。

活動：在一般弱電解質電離平衡認知基礎上，寫出水的電離平衡常數表達式。

K=c（H₊）c（OH_-）/C（H²0）

分析表達式，因為水的電離程度很小，所以當水作為研究對象時，濃度視為定值。c（H₊）xc（OH_-）是一個新的常數，用K^w表示，稱為水的離子積常數。

設計意圖：模型認知是課程標準中的學科核心素養之一。借助弱電解質電離平衡模型，理解水的電離平衡，用符號表征水的電離平衡常數。經過師生共同分析推理，最終得出水的離子積常數。在此環節中采用一般到特殊，普遍到個別的辯證思想，符合學生的認識規律，能夠幫助學生發展邏輯推理能力。

【教學環節三】運用數字化技術探究溫度對弱電解質電離平衡的影響。

活動1：將溫度傳感器和pH傳感器的電極同時放入O.lmol/L醋酸，打開磁力攪拌器加熱功能，待一段時間后停止加熱，系統呈現變化曲線（圖6）;將兩電極洗凈擦干后放入純水中采取相同操作，溫度加熱至IOOoC停止加熱，系統呈現變化曲線（圖7）。

觀察O.lmol/L醋酸、純水的pH值隨溫度變化的趨勢。

活動2：以醋酸為例，運用平衡移動原理解釋說明溫度升高對弱電解質電離平衡的影響。

學生分析：醋酸溶液的pH值隨著溫度的升高呈現減小的趨勢，其酸性增強。說明醋酸的電離平衡受溫度的影響，溫度升高促進了醋酸的電離。由此推知弱電解質的電離是吸熱過程。

活動3：關注25℃以及10O℃時純水的pH值，總結水的離子積K^w與溫度的關系。

學生分析：25℃時，純水的pH為7;1OO℃時，純水的pH約為6。根據K^w=c（HK₊）×c（OH_-）可知，溫度升高，促進水的電離，pH減小，Kw增大，純水仍呈中性。25C，水的離子積常數是K^w=10_-14（此結論也適用于任何稀的水溶液）。

設計意圖：在原理教學時采用醋酸電離實例得到弱電解質電離一般規律性結論，再經過演繹法進行推理分析，得出水的電離平衡的特點。緊接著驗證性完成純水的pH值隨溫度變化實驗，關注25℃和100℃時純水的pH值這兩個特殊點。學生水到渠成得出純水溫度升高，pH減小，K^w增大。由于水電離時H₊和OH_-是等量電離出來，所以純水仍呈中性。本環節設計實驗得出結論更直觀，更具有說服力，從而加深對過程本質的認識。

【教學環節四】設計實驗探究濃度對弱電解質電離平衡的影響。

活動1：將pH傳感器的電極放入O.lmol/L醋酸，加水稀釋，系統呈現曲線（圖8）。

觀察O.lmol/L醋酸加水稀釋過程pH值隨時間變化的曲線，解釋溶液中各離子濃度的變化。

學生分析：O.lmol/L醋酸溶液隨著蒸餾水不斷加入，其pH值越來越大，酸性變弱，c（H₊）變小，c（CH³COO_-）變小，因為K^w不變，所以c（OH_-）變大。

活動2：提供O.lmol/L醋酸、O.lmol/L鹽酸、蒸餾水及pH計，探究濃度對醋酸電離平衡的影響（圖9，表1）。

學生實驗：用pH計分別測定O.lmol/L醋酸和O.lmol/L鹽酸的pH值，然后用移液管各取lO.OOmLO.lmol/L醋酸和O.lmol/L鹽酸，轉移至lOOmL容量瓶中，加水稀釋至刻度線，取出適量再測定它們的pH值。

學生分析：通過鹽酸和醋酸溶液分別稀釋10倍其pH變化，可看出鹽酸pH變化增加了1，若醋酸電離平衡不移動，稀釋10倍其pH應該增加到3.85，而測出值為3.24，pH的變化相比鹽酸較小，可以說明隨著醋酸的稀釋，促進了醋酸的電離[2]。

結論：弱電解質濃度越小，電離程度越大。

設計意圖：濃度對弱電解質電離平衡的影響是本節教學的一個難點，傳統教學中一般利用理論來解釋分析，因為是微觀粒子比較抽象，解釋起來費時費力。其中學生很難理解的是：為什么濃度越小，醋酸的pH越大，酸性減弱，其電離程度卻是增大的。本活動環節提供合適的藥品和試劑，讓學生小組討論設計出實驗方案，通過數字化實驗技術實時得出客觀數據，增強了宏觀體驗，并引導學生通過鹽酸和醋酸稀釋過程中pH數據的分析，逐步構建濃度對醋酸電離平衡的影響，從而促進學生宏觀辨識和微觀探析、科學探究和創新意識等核心素養的發展。

【教學環節五】探究同離子效應對弱電解質電離平衡的影響。

活動1：設計實驗，探究同離子效應對醋酸電離平衡的影響。

學生分析：根據電離方程式CH³COOH CH³COO_-+H₊，可以采用增加醋酸根離子濃度，測溶液pH的方法探究同離子效應對醋酸電離平衡的影響。

老師提供藥品是醋酸銨固體，告知醋酸銨固體溶于水呈中性。

學生實驗：用pH計測定O.lmol/L醋酸的pH值，向其中加入少量醋酸銨固體，充分攪拌，再用pH計測定pH值。

實驗數據：第一次所測得pH值為2.85，加入少量醋酸銨固體后所測得pH值為2.96。

學生分析：由于醋酸銨溶液呈中性，排除了自身

c（H₊）=10_-13mol/L.

由水電離出的H+濃度=10_-13mol/L，

由水電離出的OH_-濃度=10_-13mol/L。

綜上可知，相同濃度的酸或堿溶液對水的電離具有同等程度的抑制作用。

設計意圖：此環節巧妙地使用醋酸銨這種固體銨鹽，通過信息告知學生它的水溶液呈中性，啟迪學生設計實驗時，需發散思維，從多角度思考所用藥品是否對平衡產生其他影響。從上探究實驗中得出同離子效應對弱電解質電離平衡的影響，接著用水替換醋酸，進一步檢測學生對同離子效應的理解和掌握程度。然而課堂并沒有停留在知識的直接使用上，再次設計深度問題，請同學們思考相同濃度的酸和堿溶液對水的電離平衡的影響程度，深化對水的電離過程的認識。學生需綜合運用水的離子積常數，通過分析比較、知識遷移等高級思維活動，主動參與到知識建構中，從本質上促進了學生化學學科核心素養的發展。

【教學環節六】應用化學核心知識解決真實情境問題。

活動1：交流討論：被蜜蜂或黃蜂叮咬后，都會感覺非常疼痛，但處理的方法卻不同，這是因為蜜蜂分泌物中含有的是一種弱酸性物質，而黃蜂分泌物中含有的是一種弱堿性物質，請思考當被蜜蜂或黃蜂叮咬后應如何用家庭常用的物質加以處理？

活動2：交流討論：自然界的水中含有一些電解質，不是真正的純水，它的導電能力比較強，那么在使用電器過程中當注意哪些事項？

設計意圖：化學反應原理理論性強，在教學中容易陷入理論到理論的教學誤區，導致學生喪失學習化學的興趣。所以，在本節課的最后環節精心設計生活問題情境，通過學生交流討論，小組代表發言，與生活實際聯系起來，體現出核心素養教學中重視真實任務情境、強調知識應用的特點。

二、教學反思

本節課是一個借助數字化實驗技術，以學習活動連接核心知識點與具體知識點，通過精心設計的教學課程。使學生在觀察比較、模型建構、探究合作、討論分析的過程中建構化學基本觀念，發展了學生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”等方面的化學學科素養。事實上，單單一堂課是不可能承載化學核心素養方方面面的培養。但至少啟迪教師在課堂設計上要以幫助學生形成未來發展需要的關鍵能力和必備品格為出發點，追求能更多的體現化學核心價值觀。

隨著信息技術高速發展，數字化實驗技術被越來越廣泛地使用到教學活動中。數字化實驗以其直觀、精準、多樣的數據采集技術，彌補了傳統實驗在化學平衡這一塊的短板。特別是數字化技術實現了定性走向定量，感性認識到理性認識的飛躍，它已經在高中化學實驗中占據了不可或缺的地位[4]。我們的學生，作為新時代的主力軍，必須盡早掌握數字化實驗技能才能適應時代的浪潮。因此，我校化學組也正將把數學化實驗分階段、有計劃地納入教材體系，以此推動該項實驗技術的成熟發展。

參考文獻

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[3]楊伏勇.數字化實驗技術應用于《弱電解質電離平衡的影響因素》的教學研究[J].考試周報，2015（72）：139，122

[4] 陸大勇.在化學教學中優化整合傳統實驗與數字化實驗[J].化學教與學，2018（12）：3-5