核心素養下數字化實驗在化學教學中的應用

李愛玲

化學是一門以實驗為基礎的學科。化學教學更是離不開化學實驗。可以說如果離開化學實驗，化學教學就成了“無源之水，無本之木”。化學實驗在為教師進行化學教學提供真實的情境問題的同時，也為學生學習化學概念和化學反應原理等理論知識提供了事實依據。學生進行實驗方案設計、實驗觀察時，還可以培養學生的思考能力和觀察能力，滲透了“宏觀辨識與微觀探析”核心素養，發展了“科學探究與創新意識”核心素養，提高了“科學態度與社會責任”核心素養。

從古到今，人類探索未知世界的方法與手段總是不斷在進步。縱觀化學實驗教學的歷史發展：早期由于實驗條件的限制，化學實驗教學以老師講實驗為主，輔以少量演示實驗;中期隨著教育理念的發展和實驗條件的完善，化學教師對教材實驗進行了改造和創新，同時每學期的化學實驗教學都安排有一定數量的學生分組實驗;隨著現代信息技術的發展，實驗視頻、計算機模擬實驗處處可見，這些信息技術手段的使用，將實驗微觀過程可視化、三維化、立體化。

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020）年》指出：信息技術對教育發展具有革命性影響，必須高度重視。如何切實加強信息技術與學科教學的融合，現在已越來越引起教育行政部門和廣大中小學的普遍關注，已成為教育信息化的一個重要目標。目前許多一線教師已參與到其中，但教師對信息技術與學科融合還存在以下問題：認識理解不到位（認為使用多媒體課件、播放視頻、微課錄播等就是融合）;對它的開展存在懶于改變、畏懼困難的心理;自身掌握的技術操作欠缺等。因此對信息技術與學科融合研究較多的、成果顯著的偏向于經濟發達地區、資源豐富的學校，而不發達地區和農村學校受設備、技術等條件的影響研究較少。

基于以上認識，筆者（所處學校為農村中學）將數字化手持技術應用于實際教學的案例與大家分享。

一、應用pH數字化實驗探究濃度對鹽類水解的影響

1. 教材實驗分析

以蘇教版《化學反應原理》專題三第三單元“影響鹽類水解的因素”為例。濃度對鹽類水解的影響，教材提供的實驗方案：在小燒杯中加入5ml 0.1mol·L-1的氯化鐵溶液，測pH;加水稀釋到50ml，再測該溶液的pH。該實驗方案根據氯化鐵溶液稀釋10倍，推測溶液pH變化為1，但實際測得溶液pH變化小于1，由此說明氯化鐵溶液存在水解平衡，加水稀釋促進氯化鐵溶液的水解。由于測稀釋前后溶液的pH，不能直觀地呈現加水稀釋氯化鐵溶液pH先瞬間增大再逐漸減小的過程，學生在學習該知識點時總是靠死記硬背結論（如越稀越水解）。

利用pH數字傳感器，可將加水稀釋溶液的pH先瞬間增大再逐漸減小的過程以曲線的形式呈現出來。

2. pH數字傳感器實驗過程

實驗儀器：磁力攪拌器、磁子、pH傳感器、數據采集器、計算機及相應配套軟件、燒杯。

實驗藥品：0.1mol·L-1的氯化鐵溶液、蒸餾水

實驗步驟：

（1） 將pH傳感器、數據采集器和計算機三者相連。

（2） 將磁子放入裝有20ml 0.1mol·L-1的氯化鐵溶液的小燒杯中，燒杯放在磁力攪拌器上攪拌，將pH傳感器探頭浸沒于溶液中。打開計算機中DISL軟件，選擇“曲線顯示”，待數據穩定后，按“開始”進行數據采集。

（3） 把20ml蒸餾水一次性快速加入氯化鐵溶液中（在磁子上方快速加入蒸餾水），繼續采集數據，待數據穩定后，按“停止”停止數據采集。

（4） 對圖像的X軸和Y軸進行平移和縮放處理。

濃度對氯化鐵溶液水解的影響如圖1所示。

從圖1可知0.1mol·L-1氯化鐵溶液pH約為1.8;加水的一瞬間，pH迅速變大，達到2.2，接著pH又逐漸減小到1.98。從數據變化，可以推知，0.1mol·L-1的氯化鐵溶液在加水稀釋的一瞬間，水解平衡還沒發生移動，因此溶液中氫離子濃度迅速減小，pH變大，但由于氯化鐵濃度減小，平衡向水解方向移動，使得pH又變小。根據勒夏特列原理，平衡移動只能減弱濃度降低的變化而不能抵消。利用數字化手持技術，將鹽溶液水解平衡移動的微觀行為通過宏觀圖像呈現出來，學生直觀地“看”到了平衡的移動，對水解平衡移動不再感到抽象和難以理解。

化學反應原理教學中，很多知識點可以利用數字化手持技術將抽象的平衡移動問題以直觀的形式呈現給學生。如濃度對醋酸電離平衡的影響、壓強對化學平衡的影響、溫度對氯化銨水解的影響等。

二、應用數字化實驗探究離子反應

1. 教材實驗回顧

《離子反應》是高中教學的一個重點，學生要依據宏觀現象在頭腦中建立起微粒之間的微觀反應，這對學生來說是一個挑戰。蘇教版教材是回顧初中碳酸鈉溶液分別與氯化鈣溶液、澄清石灰水反應，都有白色沉淀生成。通過電解質在水中的電離以及“寫、拆、刪、減”，由此得出這兩個反應的實質是鈣離子與碳酸根結合生成碳酸鈣沉淀。該方法的不足之處在于無法判斷溶液中的其它兩種離子是不是結合成了肉眼看不見的物質。

2. 綜合不同版本教材實驗新方案

針對以上不足，綜合其它教材該實驗的方案：用一定量的氫氧化鋇溶液（滴加酚酞）進行導電性實驗，發現燈泡較亮;向其中逐滴滴加硫酸溶液，發現燈泡亮度先逐漸變暗，后又逐漸變亮，溶液顏色變淺，出現白色沉淀。該方案通過燈泡亮度變化衡量溶液離子的濃度大小，燈泡變暗，說明離子濃度減小。溶液顏色變淺，說明氫氧根與氫離子反應H++OH- ==H2O，導致氫氧根濃度減少。白色沉淀生成，說明鋇離子和硫酸根反應Ba2++SO42-==BaSO4↓。該實驗較直觀地呈現了離子之間的反應。但如何用一個方程式表示這兩組反應呢？學生會有以下兩種答案：Ba2++SO42-+2H++2OH-==BaSO4↓+2H2O、Ba2++SO42-+H++OH-==BaSO4↓+H2O。

3. 利用數字化實驗進行化學實驗導入

高中化學教師在帶領學生進行實驗探究時，往往無法直接引領學生對于化學實驗產生正確的認識與理解。如果化學教師直接帶領學生進行數字化實驗，學生同樣會難以適應這一形式新穎但陌生的化學實驗。此時，教師就要以循序漸進的形式，引導學生逐步接受數字化實驗，在日常的授課過程中，就為學生導入“數字化”思想。在此基礎上，學生既掌握了利用數字化形式來解決化學問題的能力，同時又能夠適應數字化實驗，實現高效學習。

在開展教學活動時，高中化學教師就可以借助數字化實驗，對學生進行化學知識的導入以及實驗教學。以《離子反應》這一部分化學實驗教學作為案例，高中化學教師在對學生進行實驗授課之前，就已經能夠充分了解到：學生難以通過自身的想象力，在腦海之中建立起對于離子實驗的準確認識與正確理解，在學習《離子實驗》這一部分化學知識以及實驗操作的過程中，會遇到諸多困難。而這個時候，高中化學教師就可以引入“數字化實驗”這一概念以及實驗形式，帶領學生進行實驗操作、知識探討與學習，實現對于化學知識的準確掌握。比如，在開展實際授課活動時，化學教師可以從“數字化”這一個概念入手，來進行“數字化實驗”講解。以碳酸鈉溶液與氯化鈣溶液的混合為例，高中化學教師可以先帶領學生進行如下數字化實驗分析：“同學們，一個碳酸鈣分子和一個氯化鈉分子，可以分別拆分為幾個離子呢？這些離子可以相互組合，發生化學反應、變成其他的物質嗎？能夠變成哪些物質呢？”通過這種形式，學生將會初步樹立起數字化實驗的概念，從“數字”的角度來對實驗進行思考與探究，確保學生能夠正確掌握將要學習的化學實驗。

4. 利用數字化實驗確定離子間數量關系

而針對學生在探討氫氧化鋇溶液與硫酸溶液的反應過程中，所出現的兩種不同的分歧，教師仍然無法帶領學生通過建立數字化思想來加以解決。利用傳統實驗手段無法解決的問題，我們現在依靠手持技術的電導率傳感器和pH傳感器可以輕松解決。電導率傳感器和pH傳感器可以同時測出，氫氧化鋇溶液逐滴滴加硫酸溶液時，pH和電導率的數值變化圖線。分析實驗圖線可以發現在混合溶液pH=7時，混合溶液電導率的數值也近似為零。混合溶液pH=7說明H++OH- ==H2O反應完成;混合溶液電導率數值近似為零，則說明Ba2++SO42-==BaSO4↓反應也同時完成。再分析各種離子間的數量關系：Ba（OH）2==Ba2++2OH-，有1molBa2+同時有2molOH-;H2SO4==2H++SO42-，有2molH+同時有1molSO42-。因此氫氧化鋇和硫酸反應的正確離子方程式只能是Ba2++SO42-+2H++2OH-==BaSO4↓+2H2O。該實驗方案，通過數字直觀呈現了離子之間的反應以及離子間的數量關系，幫助學生建構了“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養。

帶領學生借助手持技術的電導率傳感器和pH傳感器來解決化學問題的過程，實質上就是對學生進行數學化實驗演示的過程，也是幫助學生建立數字化實驗思想、了解數字化實驗方式、掌握數字化實驗技能的過程。通過教師在課堂之中的數字化實驗演示，學生不僅能夠更加直觀、極為準確地判斷出化學反應的具體情況，同時更掌握了一種現代化實驗方法，學會了以更加便捷的形式來探討化學問題，實現知識探究與學習。因此，數字化實驗在化學教學之中的應用，不僅能夠解決傳統形式教學下教師無法為學生進行細致化實驗講解、準確性實驗剖析、生動性實驗演示的缺點，更開拓了學生的視野，豐富了學生的思想，既讓學生掌握了化學知識、直觀觀察了化學實驗過程與實驗現象，同時又培養了學生的核心素質，帶領學生以現代化的角度來進行實驗探究，有助于學生的長遠發展。

三、結言

核心素養下，化學實驗科學融合信息技術，利用手持技術將實驗結果以數值、表格、圖片或圖表直觀表示出來，改變學生認為化學抽象、難學的認識，培養學生學習化學的興趣。教材中的傳統實驗看起來有許多的不足和缺陷，但正是這些“留白”更能引發學生的思考，促使他們進行探究，在解決問題中培養了學生的學科素養。同時傳統化學實驗是基于人體器官（如眼、耳、鼻、手等）通過看、聽、嗅、摸進行的實驗，學生能感受豐富多樣的實驗現象以及多姿多彩的變化規律。因此我們應該在傳統實驗的基礎上，合理有效地使用信息技術，這樣我們的化學學科才會散發出更大的魅力。

*本文系2020年南安市基礎教育教學改革專項課題《信息技術與化學實驗教學融合的實踐研究》（NJYZ2020-50）的研究成果。