數字化靈敏實驗助力化學概念的建構

張現霞

摘要：以“電解質與非電解質”的概念建構為例，探討數字化實驗和靈敏小實驗在化學概念建構過程中的設計、應用和價值。利用集成電路板式物質導電裝置創設人體能導電的真實情境，提出“人體為什么能導電”的驅動性問題，引導學生利用精密電導率儀從定性走向定量開展實驗探究，在數據處理和分析過程中建構電解質、非電解質等概念，從探究活動中學到知識、習得能力、發展素養。

關鍵詞：數字化靈敏化實驗；化學概念；電解質與非電解質

文章編號：1008-0546（2022）01-0091-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.022

*本文系上海市嘉定區教育科研一般課題“以實驗為核心的高中化學課堂學生活動的設計與實踐研究”（立項編號：JB20015）階段性成果。

一、問題的提出——“電解質與非電解質”概念建構的傳統教學設計

“電解質與非電解質”概念的建構是高一學生在初中物質分類的基礎上，從能否導電的角度對各類化合物的再分類、再概括的過程，是離子反應、電化學原理的基礎，是發展“宏觀辨識與微觀探析”素養的有效載體之一。

在傳統的教學設計中，一般采用燈泡串聯溶液的導電裝置（下文稱“燈泡式物質導電裝置”）對化合物溶液能否導電進行實驗，該實驗簡單、直觀，但往往因靈敏度不夠，無法在安全電壓下解釋“水是電解質”這一事實。據筆者調研，學生在以往的學習經歷中通過初中“電解水”的實驗知道“水能導電”，但初中“電解水”的實驗需向水中加入氫氧化鈉等物質增加導電能力，實際上學生缺乏“純水可以導電”的真實體驗。另外，傳統教學中探究“物質在熔化時的導電性”時一般也是通過燈泡式物質導電裝置完成，有時候受限于加熱操作不方便、演示實驗受眾面小等而采用視頻代替，這顯然不利于學生對“電解質與非電解質”概念的建構。

為提高溶液導電能力檢測的靈敏度，一系列含靈敏元件的儀器設備應運而生，如含有發光二極管的溶液導電儀、臺式或筆式電導率儀。溶液導電儀（圖1）能幫助學生直觀地判斷電解質和非電解質溶液，同時可根據發光二極管亮燈的個數鑒別強電解質和弱電解質溶液，但正是因為該裝置的設計初衷是同時鑒別強電解質、弱電解質和非電解質溶液，要求配制相同濃度的溶液進行實驗，故該裝置適用于驗證性實驗，在新授課的學生探究活動中并不適用。電導率儀能從定量的角度分析純水、酸溶液、堿溶液、鹽溶液電導率值，既能發展“證據推理與模型認知”的核心素養，又能帶領學生體驗數據處理的一般思路和方法。

當然，傳統教學中對“電解質與非電解質”概念關鍵詞“或”“和”“化合物”的辨析是非常必要的，它能幫助學生加深對概念的理解，但缺少有效實驗的概念辨析很容易演變成純粹的、靜態的文字游戲，這與“素養為本”的教學理念不符。

二、基于數字化實驗和靈敏小實驗建構“電解質與非電解質”概念的教學設計（見圖2）

1.集成電路板式物質導電裝置提高實驗靈敏度

傳統的燈泡式物質導電裝置靈敏度差，在安全電壓下無法創設“人體導電”的真實情境，也無法解釋“純水能導電”這一事實。含多個發光二極管的溶液導電儀操作繁瑣，要求溶液濃度相同，不利于探究活動的開展。為解決以上問題，筆者使用一個發光二極管，做成集成電路板式的物質導電裝置，并用該裝置進行人體導電實驗和純水的導電實驗（圖3、圖4）。

使用該裝置探究“物質在熔化時的導電性”也特別奏效，操作簡單，現象明顯，如圖5。實驗過程中很明顯地觀察到硝酸鉀固體熔化過程中發光二極管逐漸變亮，熔融硝酸鉀在冷卻凝固過程中發光二極管逐漸變暗，這能很好地幫助學生理解“物質導電的前提條件”。通過對比熔化狀態的硝酸鉀和熔化狀態下的蔗糖導電情況，學生很容易找到“離子化合物和共價化合物的實驗鑒別方法”。要向學生說明加熱熔化硝酸鉀需要注意的安全事項。在加熱熔化蔗糖時需要特別注意溫度，防止高溫下蔗糖炭化生成的水使發光二極管亮起來。同時，通過對硝酸鉀晶體和蔗糖晶體熔化的時間對比，帶給學生“離子晶體和分子晶體熔沸點比較”的真實體驗。該實驗的演示過程通過投屏增加受眾面，效果很好。

2.電導率儀從定性走向定量，向學生滲透數據處理與分析的一般方法

利用燈泡式物質導電裝置與集成電路板式物質導電裝置分別進行人體導電實驗和純水的導電實驗，通過對比，學生真切地體會到提高靈敏度對化學實驗的重要性，從而引入定量檢測物質導電能力的儀器——電導率儀（圖6），同時得出“水對人體導電有貢獻”的結論，并組織小組實驗用電導率儀測量純水的電導率，通過實驗發現：不同儀器檢測同一物質，實驗數據略有差異，這屬于實驗的系統誤差，引導學生形成“實驗中盡量使用同一臺儀器測量，以避免系統誤差”的實驗思想。

此時，教師引入一組人體細胞內液成分和細胞外液成分的資料，引發學生再思考“人體為什么能導電”，并提出新的假設：人體中的鹽對人體導電有貢獻。組織學生進行小組實驗，匯總實驗數據（見表1），在數據處理與分析中引導學生體會“空白實驗”的意義，在小組討論中形成電離的概念。

【小組實驗一】用電導率儀測量水的電導率，讀數穩定后記錄電導率值。

【小組實驗二】測量溶液的電導率：

用洗瓶中的水溶解本組提供的固體，形成至少2 cm高度的溶液，用電導率儀測溶液的電導率，讀數穩定后記錄電導率值。

【小組討論】

（1）與水相比，哪些物質的水溶液導電能力明顯增強？

（2）從物質類別上看，水溶液導電能力明顯增強的物質分別屬于哪類物質？

（3）物質水溶液的導電能力增強，可能的原因是什么？

結合小組實驗“物質在水溶液中的電導率”和演示實驗“物質在熔化時的導電性”，建構電解質和非電解質的概念，并在初中常見物質分類的基礎上進行“電解質和非電解質”角度的重新分類，在此過程中引導學生對“化合物”“或”“和”等字眼的辨析。最后通過一個趣味實驗，辨析“電解質本身在水溶液中電離產生離子”。

【小組實驗三】

步驟一：在空氣中向電導率儀探頭處吹CO2，觀察電導率儀讀數變化；

步驟二：用電導率儀測量水的電導率，用吸管向水中吹CO2，觀察電導率儀讀數變化。

“電解質與非電解質”概念建構完成后，再引導學生回答“人體為什么能導電”，鼓勵學生課后探究人體其他生理現象與電解質的關系。

3.定量實驗的延續性，為“強電解質與弱電解質”的學習做鋪墊

在小組實驗一中教師不對學生配制的溶液做濃度限定，同種溶液不同小組測定數值不同，導電能力不同，可以引發學生深入思考，引導學生課后設計實驗：探究不同電解質在水溶液中的導電能力差異。學生根據已有的“控制變量法”思想設計出“測量相同物質的量濃度的不同溶液的電導率”，進而為“強電解質與弱電解質”的學習做好鋪墊。

【小組實驗】用電導率儀分別測量0.1 mol/L鹽酸和0.1mol/L醋酸溶液的電導率，讀數穩定后記錄電導率值。

電導率儀能幫助學生突破“溶液的導電能力與離子濃度成正比”這一難點，實驗中的真實體驗和實驗數據的科學直觀比教師的理論分析更有說服力。另外，帶有溫度傳感器的電導率儀在探究“溫度對弱電解質電離平衡移動的影響”中也非常方便直觀。

三、總結與思考

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。從短期效果看，傳統講授式的概念建構和實驗探究體驗式的概念建構效果差異可能并不大，但從學生終生發展來看，后者更注重學習方法和思維能力的培養，也更符合“學生為本”“素養為本”的思想。正如美國課程專家埃里克森所說：提高學業標準更多地是要求思維能力的提升，而不是掌握更多的事實內容；學習的重心應該從記憶事實轉移到理解可遷移的核心概念和對更為根本的知識結構進行深層理解，培養和發展思維能力[1]。

隨著教育現代化進程的不斷推進，數字化實驗、靈敏化實驗在中學化學教學中的作用越來越突出[2]。本案例在“電解質與非電解質”概念的建構過程中，含發光二極管的集成電路板式物質導電小裝置簡單、方便，能在安全電壓下創設“人體能導電”的真實情境，其靈敏度足以說明“水是電解質”，且對物質熔化狀態下的導電實驗也特別奏效；電導率儀的使用使得數字化實驗落地，沒有復雜的實驗數據分析，但是蘊含數據處理思想，如空白實驗的設置等；另外以電導率儀為核心的數字化實驗可延續進行“強電解質與弱電解質”的概念構建、“弱電解質的電離平衡”探究等。不僅是在概念建構，在物質性質探究、分析模型建立等方面，數字化實驗、靈敏化實驗的應用也值得研究和挖掘。

參考文獻

[1]劉徽.用概念筑起通往未來之橋——讀《以概念為本的課程與教學：培養核心素養的絕佳實踐》[J].現代教學，2019（17）：77-79.

[2]裴傳友，馬善恒，楊芹.中學化學數字化實驗的發展與應用[J].化學教學，2020（2）：56-60.