數(shù)字化實驗培養(yǎng)高中學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的實例研究

董煥瑜

數(shù)字化實驗系統(tǒng)是由系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)采集器、各種各樣的傳感器組成。將化學(xué)反應(yīng)和現(xiàn)象的本質(zhì)轉(zhuǎn)化為可監(jiān)測的信號，再以圖表的形式呈現(xiàn)在計算機屏幕上，從而幫助人們更深入地研究化學(xué)現(xiàn)象和反應(yīng)的本質(zhì)和規(guī)律，具有先進性、便捷性、實時性、準(zhǔn)確性、綜合性以及直觀性等顯著特點。

下面以“鹽類水解實驗的探究”（ 一共六部分）來研究數(shù)字化實驗對培養(yǎng)高中學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)作用。

鹽類水解實驗的探究

一、實驗?zāi)康?/p>

1.掌握PH傳感器、銨根離子傳感器的實時檢測功能，并借助數(shù)據(jù)采集器和計算機直接生成數(shù)據(jù)曲線，檢測溶液中PH以及銨根離子的變化。

2.認(rèn)識鹽的水解及影響水解平衡的外因。

二、實驗背景

《選修4》第三章第三節(jié)鹽類的水解剛學(xué)習(xí)，通過PH試紙，只能粗略地看到溶液的PH，但是無法看到溶液PH的變化過程。為了更直觀地感受PH的變化，現(xiàn)在基于數(shù)字化實驗的數(shù)字化實驗，可以通過PH傳感器檢測到很多通過傳統(tǒng)實驗無法看到的現(xiàn)象。

三、實驗原理

氯化銨屬于強酸弱堿鹽，銨根離子水解，使溶液呈酸性。通過觀察數(shù)據(jù)變化曲線，加強對于鹽類水解及外界因素對鹽類水解影響的理解。

四、實驗儀器、藥品

（1）實驗儀器：采集器、軟件系統(tǒng)、PH傳感器，100mL小燒杯。

（2）實驗藥品：氯化銨晶體，1mol/L 濃硫酸，1mol/L 氫氧化鈉溶液，酒精燈。

五、實驗步驟

1.連接數(shù)據(jù)采集器，PH傳感器。

2.往燒杯中加入50ml蒸餾水，打開電腦軟件，用PH傳感器測量此時的PH，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，向燒杯中加入少量氯化銨晶體，通過觀看PH傳感器PH變化，記錄數(shù)據(jù)。再用銨根離子傳感器測量此時的銨根離子濃度，記錄數(shù)據(jù)。

3.加熱溶液，觀察PH變化以及銨根離子濃度變化，記錄數(shù)據(jù)。冷卻至室溫。

4.向燒杯中逐滴加入1mol/L 硫酸，形成數(shù)據(jù)曲線。

5.向燒杯中逐滴加入1mol/L 氫氧化鈉溶液，形成數(shù)據(jù)曲線數(shù)。

6.據(jù)穩(wěn)定后停止采集。

六、交流討論

在“鹽類水解實驗的探究”數(shù)字化實驗中，很好地體現(xiàn)了數(shù)字化學(xué)實驗對培養(yǎng)高中學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的作用。

1、培養(yǎng)“宏觀辨識”與“微觀探析”的辯證能力

化學(xué)是一門研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化的學(xué)科，在“鹽類水解實驗的探究”數(shù)字化實驗中，學(xué)生觀察到了氯化銨溶解、顯示屏上PH變化曲線以及銨根離子濃度變化曲線，培養(yǎng)學(xué)生的宏觀辨識能力。通過改變溫度以及溶液的酸堿性觀察到PH變化及銨根離子濃度變化，可以讓學(xué)生分析、歸納、總結(jié)出規(guī)律，很好地培養(yǎng)學(xué)生的微觀探析能力。

2、培養(yǎng)“変化觀念”與“平衡思想”的學(xué)科素養(yǎng)

在“鹽類水解實驗的探究”數(shù)字化實驗中，觀察PH變化曲線以及銨根離子濃度變化曲線，讓學(xué)生認(rèn)識、理解物質(zhì)的是運動和變化的。深刻理解了“物質(zhì)在一定條件下能穩(wěn)定存在，處于平衡狀態(tài)，當(dāng)外界條件（溫度、酸堿性）發(fā)生改變時，平衡會發(fā)生變化，并形成新的平衡”。

3、培養(yǎng)“證據(jù)推理”與“模型認(rèn)知”的學(xué)科素養(yǎng)

微觀粒子很小很小，用肉眼無法看到，更無法觀察到微粒濃度的變化。數(shù)據(jù)化實驗中用到先進的傳感器、數(shù)據(jù)收集器、顯示屏，能提供“證據(jù)”，為培養(yǎng)學(xué)生 的“證據(jù)推理”學(xué)科素養(yǎng)提供很大的幫助。在“鹽類水解實驗的探究”數(shù)字化實驗中，與傳統(tǒng)實驗比較，這些傳感器可以準(zhǔn)確地得到測量出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在顯示器上形成的數(shù)據(jù)曲線變化圖卻又是很好的模型，增強學(xué)生對平衡曲線變化模型的認(rèn)知，形成了平衡曲線變化模型觀。

4、培養(yǎng)“科學(xué)探究”與“創(chuàng)新意識”相輔相成的學(xué)科素養(yǎng)

數(shù)字化實驗各種各樣的傳感器，可以收集到傳統(tǒng)實驗無法收集的數(shù)據(jù)，為第四步“進行實驗與搜集數(shù)據(jù)”提供具體的、可見的、動態(tài)的數(shù)據(jù)。相對于傳統(tǒng)實驗，數(shù)字化實驗的引入，使學(xué)生感受到傳感器在化學(xué)實驗中的方便性、靈活性，體會到新技術(shù)對實驗起到了強大作用，為以后的科學(xué)探究奠定基礎(chǔ)。

5、培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)精神”與“社會責(zé)任”的學(xué)科素養(yǎng)

在“鹽類水解實驗的探究”數(shù)字化實驗中，學(xué)生很興奮，專注度很大。觀察PH變化曲線以及銨根離子濃度變化曲線，學(xué)生認(rèn)識、理解到物質(zhì)是運動和變化的。還能培養(yǎng)學(xué)生的實證精神、理性精神、懷疑精神、創(chuàng)新精神、協(xié)作精神等幾個方面。現(xiàn)在，電視廣告中的信息真假難辨，還有一些對“化學(xué)”產(chǎn)生了誤導(dǎo)，偏見。教學(xué)中要培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任，能明辨是非，敢于揭露社會上的偽科學(xué)。

總而言之，數(shù)字化探究實驗的特殊性能已經(jīng)得到了教育界大多數(shù)專家的肯定。當(dāng)前全國已有13個省（市）出臺數(shù)字化探究實驗室配備標(biāo)準(zhǔn)（北京、天津、上海、山東、廣東、江蘇、浙江、福建、河北、山西、陜西、湖南、湖北）。在化學(xué)教學(xué)深化改革的過程中，數(shù)字化實驗的作用將不可估量。