基于手持技術的高中化學實驗改進
——以“碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸的反應”為例

福建省晉江市僑聲中學 施俊芳

一、數字化實驗在高中化學實驗中應用的意義

實驗是化學的重要特征之一。從2017 版新課標的內容及附錄可看出，每個模塊都有規定的必做實驗，對實驗部分的要求，無論是數量還是要求都有一定質的提升。由于實驗探究的不確定性，很多教師受空間時間和硬件的限制，減少了探究實驗的過程，把化學實驗單純地看作是為化學理論教學服務，是驗證化學概念、化學規律等知識的工具。手持技術的基本特點是“轉定性為定量，化抽象為直觀”，在實驗手段上，更加體現了其多元化與現代化，從某種程度上更有利于培養學生的化學思維及素養。大數據時代下，信息技術與學科教學廣泛融合，出現了數字化實驗，教師在教學過程中可以借鑒，有效實現實驗教學的重難點突破。

二、實驗設計過程

（一）案例背景分析

筆者用的教材是蘇教版，化學必修1“碳酸鈉的性質與應用”內容中，教材設置科學探究，對比碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質，希望學生通過實驗探究掌握兩者的性質比較，以提高學生實驗能力，培養學生的創新意識。教材中碳酸鈉與碳酸氫鈉與鹽酸反應是一個定性實驗，筆者通過層層遞進，將其設計為定量實驗。學生已經掌握區分物質的分類，了解物質反應發生的條件和現象，掌握pH 與溶液酸堿性的定性關系，有一定的判斷能力、觀察能力、思維能力和通過實驗學習知識的能力，好奇心強、求知欲強，探究欲望異常強烈。

（二）實驗改進內容

1.密閉體系，用壓強傳感器測量壓強變化判斷產生氣體的快慢。

2.用pH 傳感器和酸式滴定管探究碳酸鈉溶液與鹽酸反應本質。

（三）教學目標

1.通過探究性實驗，宏微比較碳酸鈉和碳酸氫鈉與鹽酸反應的快慢。2.實驗中，通過對比的方法，分析現象的原因和實驗本質。3.通過實驗，提高學生實驗推理和科學探究的化學素養。

（四）實驗器材

筆記本電腦、朗威DISLab 數據采集器、壓強傳感器、pH傳感器、滴定計數器、具支試管（含配套活塞）、試管架、針筒注射器、磁力攪拌器、燒杯、酸式滴定管，0.1mol/L 鹽酸、碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液。

（五）實驗教學過程

1.創設情境，做好鋪墊

初中學過“蘇式兩兄弟”碳酸氫鈉和碳酸鈉，在物質的分類中，這兩種物質都屬于鹽類，但是為何碳酸鈉俗稱純堿？利用手持技術和學生一起測量兩種溶液的pH，完成實驗一：各取0.1mol/L 碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液2ml 于試管中，分別滴加3 滴酚酞溶液，觀察溶液顏色變化；另各取10mL0.1mol/L 的碳酸氫鈉和碳酸鈉溶液，采用pH 傳感器測定兩種溶液的pH。

碳酸鈉溶液和碳酸氫鈉溶液都變紅，呈堿性，且相同濃度碳酸鈉pH 更高，并記錄實驗數據。碳酸鈉pH 為11.32，碳酸氫鈉pH 為8.24。利用對比的方法，用圖像和數據分析，加深印象，為后續探究實驗做好鋪墊。

2.切入主題，引發思考

兩者皆屬于鹽，依據物質的分類，鹽可以與酸、堿、鹽發生化學反應。根據強酸制弱酸的原理，碳酸鈉和碳酸氫鈉均可以與鹽酸反應產生二氧化碳。展示實物，提問：泡沫滅火器使用的原料之一是碳酸鈉還是碳酸氫鈉？學生觀察后發現是碳酸氫鈉。泡沫滅火器原理是產生二氧化碳達到滅火，從速率角度引導學生思考：為何泡沫滅火器選用碳酸氫鈉而不用碳酸鈉？學生猜想：碳酸鈉與酸反應慢；碳酸氫鈉與酸反應快。師生互動討論，利用兩種溶液與過量的鹽酸反應均會產生氣體，氣體產生的速率快慢會影響壓強改變的快慢，同時考慮到控制單一變量法，設計了實驗二：在密閉體系內，取三根具支試管，分別裝入2ml 的蒸餾水（空白對照）、0.1mol/L 的碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液，再用三根針筒注射器分別取5mL0.1mol/L 鹽酸，同時向具支試管的橡皮塞快速注入具支試管，利用壓強傳感器測量反應的壓強變化并記錄，用數據采集器分別繪制不同的三條曲線。通過圖像可以直觀看到，碳酸氫鈉溶液與鹽酸反應的曲線斜率更大，說明單位時間內碳酸氫鈉與鹽酸反應產生二氧化碳的氣體速率更大，反應更快，碳酸鈉更慢一些。得出結論后，讓學生寫出反應的相關方程式。相關方程式：Na2CO3+2HCl=2NaCl+CO2↑+H2O，NaHCO3+HCl=NaCl+CO2↑+H2O。

該環節由分類觀引入，將教學程序化，顯得不突兀，能讓學生在猜想—證據—推理中，找到正確的科學探究思維方式，兼顧基礎知識的落實，用化學方程式來表征變化過程。

3.拓展提升，定量分析

根據方程式，碳酸鈉溶液與鹽酸反應所需要的鹽酸量更多，是否與速率慢有關聯？能否從鹽酸量增加的過程設計相關實驗來說明此問題？師生探討得出實驗三：取10mL0.1mol/L 的碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液，用0.1mol/L 的鹽酸逐滴滴加，啟動磁力攪拌功能，用pH 傳感器測量溶液的pH 變化，記錄氣泡產生的時刻pH 和消耗鹽酸的體積。

通過圖像觀察，可知：首先，0.1mol/L 碳酸鈉溶液和同濃度的鹽酸反應在pH=8 左右才出現氣泡，之前并無氣泡產生，此時折算體積為9mL 左右（8.95mL），則碳酸鈉溶液和鹽酸用量接近1﹕1。其次，上面一個實驗測得0.1mol/L 碳酸氫鈉溶液pH=8.24，同時往碳酸氫鈉溶液中滴加鹽酸立即產生氣泡，繪制的曲線與碳酸鈉溶液和鹽酸反應的后半部分曲線基本吻合。結合以上兩點，我們可以得出一個結論，碳酸鈉與鹽酸反應是分步進行，即Na2CO3+HCl=NaHCO3+NaCl，NaHCO3+HCl=NaCl+CO2↑+H2O。

上面實驗探究，同時證明碳酸氫鈉與鹽酸反應的速率更快。也可以明白為何泡沫滅火器要選擇碳酸氫鈉為原料，如此產生二氧化碳的速率會更快。

該環節中，通過觀察現象和數據分析的科學手段，數形結合，讓學生清楚碳酸鈉與鹽酸的分步反應，不僅重視重要實驗的探究活動，更重視實驗探究背后的高級思維活動，提升學生的實驗素養，同時提高學生的化學學科能力。

三、利用數字化儀器改進本實驗的反思

（一）實驗可視化，化解教學難點

利用手持技術改進碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應的性質對比的實驗，可以直觀地通過數據、圖像來解釋抽象的化學知識，教師不需要使用大量的語言講解。將實驗結果可視化，把碳酸鈉與鹽酸的反應本質一一揭開，便于學生理解。智能的儀器、科學的數據、直觀的現象，有利于逐步提高學生對知識層次的認識和對化學實驗本質的科學探究。

（二）四重表征，提高教學效率

從學生層面，學生在學習過程中通過探究實驗、與小組的交流、與教師的交流，有積極的思考。宏觀的實驗現象、微觀的粒子行為分析、化學方程式的書寫以及有關圖表的呈現，用四重表征解釋該難點，學生獲取信息的能力以及化學實驗素養皆得到很大的提升，化學實驗教學效果良好。

該實驗中，碳酸鈉與鹽酸反應開始出現氣泡時，體積并不是嚴格意義上的1﹕1，pH 不是8.24，這與攪拌和生成碳酸等其他因素有關，我們應該尊重實驗事實，也可以引導學生課外或后續知識儲備增加后再進行探究。另外一方面，該知識建構過程中，對學生的素養要求較高，因此小部分學生對于分步進行這個思維障礙點理解稍費勁，課后可以搭配練習以達到較好的效果。