基于變化觀念與平衡思想核心素養(yǎng)下的數(shù)字化實驗教學設計

呂旭東

摘要：以數(shù)字化實驗為手段，溫度為變量，在敞開體系與封閉體系中，探究碳酸氫鈉溶液pH的變化規(guī)律。從“變化觀念與平衡思想”的視角，幫助學生深度學習電離、水解等知識，以提升學生化學學科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：變化觀念與平衡思想;數(shù)字化實驗;碳酸氫鈉溶液;實驗探究

文章編號：1008-0546（2021）02-0089-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.022

近年來，隨著課程改革的力度不斷加大和認知水平的逐步提高，學生核心素養(yǎng)的培育成為教育工作者研究的熱點。“變化觀念與平衡思想”作為化學學科核心素養(yǎng)的五個維度之一，具有典型的學科特征和思維特征，在培育的過程中教師不僅應立足于知識性的教學，更應注重學生在學習過程中的能力培養(yǎng)、觀念建構(gòu)和思維提升。同時要求學生能在微觀角度認識物質(zhì)，動態(tài)方式分析變化和理論層面揭示本質(zhì)，逐步形成化學學科的思想和方法。

以培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)為本，筆者設計了“探究溫度對碳酸氫鈉溶液pH的影響”一節(jié)數(shù)字化實驗探究課，參加了2019年11月7日在蕪湖舉行的安徽省高中化學優(yōu)質(zhì)課評選活動，并獲一等獎。對課堂中如何培育學生“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)進行了探索和反思。

一、教學內(nèi)容和學情分析

1.教學內(nèi)容分析

人教版選修4《化學反應原理》第三章介紹了“水溶液中的離子平衡”，其主要內(nèi)容包括弱電解質(zhì)的電離平衡、鹽類的水解平衡和難溶電解質(zhì)的溶解平衡。從內(nèi)容特點來看，該章知識比較抽象、理論性強，難度較大;從功能地位來看，它承接了第二章化學平衡的相關(guān)知識，同時又為下一章的電化學學習奠定了基礎，更是學生形成微粒觀、平衡觀和變化觀的核心章節(jié)。基于此，本課例將利用傳統(tǒng)實驗和數(shù)字實驗相結(jié)合的手段，重構(gòu)教學內(nèi)容，引導學生進行探究式學習，旨在鞏固和提升第三章的內(nèi)容，落實“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)。

2.學情分析

學生已經(jīng)學習了水溶液中的離子平衡相關(guān)知識，對電離平衡、水解平衡、溶解平衡的建立和平衡移動有了一定的認識，學生也能熟練地掌握化學平衡常數(shù)相關(guān)的定量計算，但在處理實際問題時，對微觀粒子在水溶液中的變化規(guī)律還缺乏較為全面的理解。特別在深度學習水溶液中的離子平衡方面，學生由于缺乏綜合分析問題的能力，處理復雜問題時，常常舉手無措，不知如何應對。

二、教學流程

基于以上學情，教師精心設置情境，鼓勵學生提出問題，師生共同設計實驗方案并開展探究，在活動中形成知識，達成學科核心素養(yǎng)。教學流程如圖1所示。

三、教學過程分析

1.復習舊知，導入新課

[教師]回顧必修一教材中有關(guān)碳酸氫鈉固體的相關(guān)性質(zhì)，投放到大屏幕（見表1）。

[學生]觀看投影，回憶知識

設計意圖：通過回憶碳酸氫鈉固體的性質(zhì)，創(chuàng)設情境，明確思維方向，為探究碳酸氫鈉溶液是否分解做好鋪墊。

[教師]設問：碳酸氫鈉溶液會分解嗎？如果分解，在什么溫度下分解呢？

2.查閱資料，提出質(zhì)疑

[教師]查閱資料：碳酸氫鈉水溶液呈極弱堿性，在50℃開始分解放出CO2。常溫下，NaHCO3溶液會分解嗎？如果分解，有哪些方法可以證明呢？

[學生]小組討論，設計方案（見表2）。

設計意圖：激勵學生敢于質(zhì)疑，勇于探索的科學態(tài)度。引導學生從基于物質(zhì)特性的角度設計實驗方案，培養(yǎng)證據(jù)意識和宏觀辨識的能力。

3.設計實驗，合作探究

探究1：常溫下，飽和NaHCO3溶液是否分解

[學生]根據(jù)表2設計的方案，組裝實驗裝置，分組同時進行實驗。

[實驗一]氣球套在盛有飽和NaHCO3溶液的錐形瓶口，用磁力攪拌器不斷攪拌，如圖2所示。

[實驗二]用二氧化碳傳感器測封閉體系中飽和NaHCO3溶液上方CO2的含量，如圖3所示。

[實驗三]常溫下，利用pH傳感器測敞開體系飽和NaHC03溶液的pH變化，如圖4所示。

[學生]各組匯報實驗現(xiàn)象。

實驗一：短時間無明顯現(xiàn)象，一段時間后氣球鼓脹，如圖2;

實驗二：CO2的含量不斷增大，一段時間后保持不變，如圖5;

實驗三：溶液的pH不斷增大，如圖6。

實驗收獲：常溫下，飽和NaHCO3溶液就可以發(fā)生分解，打破了部分老師和學生原有的認知一NaHCO3溶液不易分解。

設計意圖：學生自主實驗探究，激發(fā)了學習化學的興趣，在實踐的過程中獲取了最直接的經(jīng)驗，學會合作、交流和表達。傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗同時進行，充分體現(xiàn)了數(shù)字化實驗在探究微觀變化方面的優(yōu)勢。

探究2：常溫下，封閉體系中飽和NaHCO3溶液的pH變化

[教師]設問：常溫下，在封閉體系中飽和NaHCO3溶液的pH將如何變化？

[學生]根據(jù)探究1中的圖5和圖6實驗曲線進行預測。

[實驗四]常溫下，用磁力加熱攪拌器不斷攪拌飽和NaHCO3溶液，利用傳感器測封閉體系中溶液的pH變化，實驗曲線如圖7所示。

實驗結(jié)果：常溫下，敞開體系中飽和NaHCO3溶液的pH不斷緩慢增大;封閉體系中溶液pH先增大，一段時間后保持不變。

[學生]主動提出問題：溶液pH的變化是否和液面上方CO2的含量存在關(guān)系呢？

[實驗五]常溫下，用磁力加熱攪拌器對盛有飽和NaHCO3溶液的三口燒瓶進行攪拌，同時用傳感器測封閉條件下溶面上方CO2的含量和溶液pH的變化，如圖8所示。

實驗收獲：NaHCO3溶液分解為可逆反應，隨著液面上方CO2含量的增大，會抑制NaHCO3溶液的分解。建議碳酸氫鈉溶液最好密封保存。

設計意圖：本環(huán)節(jié)從學生現(xiàn)有的認知水平出發(fā)，精心設置問題，并鼓勵學生自己提出問題，由淺入深，層層遞進。學生先預測實驗現(xiàn)象，再進行實驗探究，最后通過對比數(shù)字化實驗曲線，得出實驗結(jié)論，提升了實驗求證，推理論證的能力。

探究3：升溫下，敞開體系飽和NaHCO3溶液的pH變化情況

[教師]以上研究了常溫下飽和NaHCO3溶液的pH變化情況，如果升溫，溶液pH將如何變化呢？

[學生]各小組討論后猜想：溶液pH增大，或減小，或不變。

[實驗六]用磁力加熱攪拌器加熱并攪拌燒杯中的飽和NaHCO3溶液，同時利用傳感器測溶液的溫度和pH的變化，實驗結(jié)果如圖9所示。

注：受pH傳感器適用條件的限制，溫度升高到約80℃開始降溫。

[學生]分析圖9得出pH變化特點：升溫過程中，溶液的pH先基本不變（略有降低），后增大明顯;降溫過程中，pH仍緩慢增大。

[師生]把曲線分成a、b、c三段進行分析（見表3）。

分析原因：a段溫度升高，NaHCO3溶液分解導致溶液堿性增強，即c（OH-）增大，但同時溶劑水的電離程度也增大，Kw增大，由于兩者增大的幅度相近，故pH基本不變.b段因為在該溫度范圍內(nèi)，NaHCO3溶液分解產(chǎn)生的CO2迅速逸出，加速了分解反應的平衡正向移動;c段在降溫的過程中，NaHCO3溶液持續(xù)的分解，所以pH仍緩慢增大。

實驗收獲：升溫過程中，體系中不僅僅是HCO3-簡單的發(fā)生電離和水解變化，同時溶劑水以及液相和氣相之間都出現(xiàn)了平衡的移動，溶液pH的變化是綜合作用的結(jié)果。

設計意圖：分析加熱飽和碳酸氫鈉溶液pH的變化情況，增強了學生歸納整理數(shù)據(jù)的能力，有助于提升學生思維的有序性、系統(tǒng)性。由于體系中存在多種平衡相互影響，增加了問題的復雜性，學生需要從微觀粒子的相互作用視角分析物質(zhì)的電離、水解和分解，從而增強了變化的觀念。

4.微觀分析，深度思考

[教師]反應①產(chǎn)生的H+和反應②產(chǎn)生的OH-相結(jié)合生成水，從而進一步促進了HCO3-的電離和水解。因此，反應⑤實質(zhì)上是HCO3-的電離和水解共同作用的結(jié)果。反應⑤的平衡常數(shù)遠大于HCO3-的電離和水解常數(shù)，當外界條件（如壓強、溫度）發(fā)生變化時，用反應⑤解釋溶液pH的變化更令人信服。

設計意圖：要求學生寫出體系中存在的平衡反應式，以符號和數(shù)據(jù)進行表征，由定性到定量，提升了學生分析問題，解決問題的能力，實現(xiàn)了高階思維的發(fā)展。

四、課后反思

1.在探究碳酸氫鈉溶液pH的變化時，采用了數(shù)字化實驗。與傳統(tǒng)實驗相比，數(shù)字化實驗呈現(xiàn)出來的實時的、動態(tài)的、可視化的曲線充分激發(fā)了學生實驗探究的興趣和學習的熱情，課堂上，教師只是引導者和組織者，讓學生真正成為了探究活動中的踐行者和體驗者。另外，數(shù)字化實驗由于操作簡便、快速，并可精確測查數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，所以提高了實驗探究的效率，保證了課堂內(nèi)容的完整性及實驗數(shù)據(jù)的可靠性。2017年版課程標準提出了“注重發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的作用，積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學實驗的深度融合”。隨著課程改革的不斷深入，數(shù)字化實驗在中學化學日常教學中將會有更廣泛的應用。

2.本節(jié)課的教學以碳酸氫鈉溶液為載體，以實驗探究為手段，深度學習水溶液中的離子平衡，以提升學生“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)（具體見圖10）。在整個教學過程中，融合了符號表征、曲線表征和數(shù)據(jù)表征等多重表征，引導學生由宏觀到微觀、由定性到定量、由變化到平衡的認識過程，實現(xiàn)了知識、能力和素養(yǎng)的協(xié)同發(fā)展。

3.基于核心素養(yǎng)培育為目標的課堂教學，應是一個主動協(xié)作的課堂、一個高效運轉(zhuǎn)的課堂、一個具有探究精神的課堂，在活動中不斷實現(xiàn)知識的內(nèi)化和觀念的形成。當然，學生核心素養(yǎng)的培育并非一朝一夕就能實現(xiàn)的，需要教師緊跟教育改革的步伐，及時更新教育教學理念，認真研讀教材甚至創(chuàng)造性地使用教材，在日常教學中不斷促進和強化。