問道優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”素養(yǎng)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

刁卓 錢揚(yáng)義 王立新 唐文秀

摘要： 借助手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段，分別設(shè)計(jì)CO2、 SO2與H2O反應(yīng)相關(guān)的四個(gè)實(shí)驗(yàn)。利用四重表征分析比較CO2、 SO2與H2O反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過程，從宏微結(jié)合的視角發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，豐富了手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例，為教師進(jìn)行教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞： 手持技術(shù); 宏觀辨識(shí)與微觀探析; pH傳感器; 四重表征

文章編號(hào)： 1005-6629（2022）05-0062-06

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題的提出

“宏觀辨識(shí)與微觀探析”是五大化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，要求學(xué)生能夠通過觀察宏觀現(xiàn)象，結(jié)合微觀視角對(duì)已有知識(shí)進(jìn)行辨識(shí)、探析，運(yùn)用符號(hào)表征物質(zhì)及其變化等。美國(guó)頒布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中亦要求學(xué)生能夠從分子和亞原子水平對(duì)宏觀的化學(xué)物質(zhì)和過程做出解釋和預(yù)測(cè)[1]。

元素化合物知識(shí)的學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生該素養(yǎng)的重要載體。CO2、 SO2是兩種重要的酸性氧化物，與H2O反應(yīng)是兩種物質(zhì)的重要性質(zhì)之一，教材中也編排了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。如人教版初中化學(xué)教材利用四朵染有紫色石蕊試液的干燥紙花探究CO2與H2O反應(yīng)[2];人教版高中化學(xué)必修第二冊(cè)則是利用實(shí)驗(yàn)探究SO2與水反應(yīng)[3]。初中教材中實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作繁冗，操作步驟復(fù)雜，易讓學(xué)生混淆;高中教材的實(shí)驗(yàn)則存在SO2氣體泄漏的問題。

上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生僅能從宏觀層面了解CO2、 SO2與H2O發(fā)生反應(yīng)，但不能從微觀層面理解發(fā)生反應(yīng)的本質(zhì)。而且，學(xué)生僅僅知道CO2、 SO2與H2O反應(yīng)均生成了酸這一共性，但不清楚二者與H2O反應(yīng)的差異性究竟體現(xiàn)于何處，如二者在水中溶解度的不同、與水反應(yīng)生成酸的酸性不同、化合價(jià)均呈現(xiàn)正四價(jià)的S元素和C元素還原性不同等等。

為此，我們借助手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和圖1所示的教學(xué)模型，分別設(shè)計(jì)CO2、 SO2與H2O反應(yīng)相關(guān)的四組實(shí)驗(yàn)，旨在達(dá)到如下目的： （1）借助手持技術(shù)展示CO2、 SO2與H2O反應(yīng)過程的微觀本質(zhì);（2）借助手持技術(shù)幫助學(xué)生理解CO2、 SO2與H2O反應(yīng)的異同點(diǎn);（3）借助手持技術(shù)幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)化合價(jià)均呈現(xiàn)正四價(jià)的S元素和C元素還原性的差異。

2 促進(jìn)問題解決的手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

方案設(shè)計(jì)如表1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)用品

實(shí)驗(yàn)儀器： 平板電腦（安裝Multilab軟件）、數(shù)據(jù)采集器、pH傳感器、溫度傳感器、分液漏斗、圓底燒瓶、乳膠管、膠塞、磁力攪拌器、磁子、錐形瓶（100mL）、燒杯（250mL）、容量瓶（500mL）、膠頭滴管、鐵架臺(tái)、不同規(guī)格彎管若干、酒精燈、三腳架、石棉網(wǎng)、普通漏斗、量筒等

實(shí)驗(yàn)試劑： Na2CO3（AR）、濃H2SO4（AR）、 Na2SO3（AR）、 NaOH（AR）、紫色石蕊指示劑（AR）

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

除了手持技術(shù)相關(guān)配套儀器外，實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)考慮以下幾個(gè)方面： （1）實(shí)驗(yàn)中SO2為有毒氣體，故在實(shí)驗(yàn)2、實(shí)驗(yàn)3實(shí)驗(yàn)裝置中，特設(shè)計(jì)尾氣吸收裝置以保證實(shí)驗(yàn)的綠色化;（2）實(shí)驗(yàn)中空氣中的氧氣為干擾變量，故實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)3實(shí)驗(yàn)裝置采用了密閉裝置，又因?yàn)殡S著參與反應(yīng)的氣體不斷通入，排出裝置中原本的空氣，所以在一定程度上排除了空氣中氧氣的干擾;（3）實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹皇菍?duì)比探究CO2和SO2與水的反應(yīng)，故CO2系列實(shí)驗(yàn)和SO2系列實(shí)驗(yàn)采用相似的實(shí)驗(yàn)裝置。基本裝置如圖2、圖3所示。

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

2.4.1 實(shí)驗(yàn)1操作步驟

（1） 校正pH傳感器;

（2） 按照?qǐng)D2組裝儀器，并檢查裝置氣密性;

（3） 將適量Na2CO3固體加入圓底燒瓶中，使其均勻鋪滿錐形瓶底部，并用量筒量取40mL H2SO4（1mol/L）溶液于分液漏斗中，作為氣體發(fā)生裝置;

（4） 取NaOH（10%）溶液150mL于大燒杯（250mL）中，作為尾氣吸收裝置;

（5） 取80mL的去離子水于錐形瓶（100mL）中，并滴入紫色石蕊指示劑。安裝好pH傳感器，加入磁子并開啟磁力攪拌器;

（6） 開啟數(shù)據(jù)采集器，設(shè)置采集器采樣頻率為1次/s，時(shí)間為“連續(xù)”，運(yùn)行軟件。待讀數(shù)穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)動(dòng)分液漏斗活塞，控制H2SO4（1mol/L）溶液的流速，使氣體均勻地通入集氣瓶中;

（7） 觀察現(xiàn)象并及時(shí)記錄反應(yīng)過程中pH變化。當(dāng)體系pH穩(wěn)定后，結(jié)束實(shí)驗(yàn)并保存相關(guān)圖形與數(shù)據(jù);

（8） 保留錐形瓶中溶液，記錄為溶液1。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)2操作步驟

（1） 按照?qǐng)D3組裝儀器，固定好溫度傳感器和pH傳感器并將其插入溶液1中;

（2） 開啟數(shù)據(jù)采集器，設(shè)置采集器采樣頻率為1次/s，時(shí)間為“連續(xù)”，運(yùn)行軟件。待讀數(shù)穩(wěn)定后，點(diǎn)燃酒精燈，對(duì)溶液1進(jìn)行加熱;

（3） 觀察現(xiàn)象并及時(shí)記錄反應(yīng)過程中pH和溫度的變化。當(dāng)該體系pH和溫度穩(wěn)定之后，結(jié)束實(shí)驗(yàn)并保存相關(guān)圖形與數(shù)據(jù)。

2.4.3 實(shí)驗(yàn)3操作步驟

按照實(shí)驗(yàn)1操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)藥品進(jìn)行更換，將分液漏斗中液體換成濃硫酸，將圓底燒瓶?jī)?nèi)固體換成Na2SO3，其他操作步驟不變。最后得到溶液記錄為溶液2。

2.4.4 實(shí)驗(yàn)4的操作步驟

按照實(shí)驗(yàn)2操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)3所得溶液2進(jìn)行加熱，其他操作步驟不變。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為保證實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性和準(zhǔn)確性，本文實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行了三次以上的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)中選擇其中一條曲線對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。筆者將曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin8.0軟件作圖，整合為較直觀的曲線表征，并結(jié)合宏觀現(xiàn)象（宏觀表征）、主要方程式（符號(hào)表征）、溶液中主要微觀粒子（微觀表征）三個(gè)方面，利用四重表征理論[4～8]進(jìn)行分析（該實(shí)驗(yàn)中，石蕊作為指示劑參與反應(yīng)，目的在于表征宏觀現(xiàn)象，故不對(duì)其涉及的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行微觀和符號(hào)表征）。

3.1 CO2與H2O反應(yīng)實(shí)驗(yàn)分析

圖4、圖5分別為實(shí)驗(yàn)1 CO2與H2O反應(yīng)和實(shí)驗(yàn)2加熱CO2與H2O反應(yīng)后溶液的pH隨時(shí)間變化曲線，利用四重表征理論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，詳見表2、表3。

3.2 SO2與H2O反應(yīng)實(shí)驗(yàn)分析

4加熱SO2與H2O反應(yīng)后溶液的pH隨時(shí)間變化曲線，利用四重表征理論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，詳見表4、表5。

3.3 CO2、 SO2與H2O反應(yīng)對(duì)比分析

3.3.1 實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)3曲線對(duì)比分析

如圖8所示，分析數(shù)據(jù)有以下異同點(diǎn)： （1）曲線均呈下降趨勢(shì)： CO2和H2O反應(yīng)生成H2CO3，SO2與H2O反應(yīng)生成H2SO3，溶液中H+濃度均增加，pH下降，曲線均下降;（2）曲線①在曲線②上方： CO2和H2O反應(yīng)生成的H2CO3為弱酸，SO2與H2O反應(yīng)生成的H2SO3為中強(qiáng)酸，H2SO3的電離常數(shù)（25℃， K1=1.3×10-2）遠(yuǎn)大于H2CO3的電離常數(shù)（25℃， K1=4.30×10-7），所以H2SO3的酸性相對(duì)H2CO3較強(qiáng)，CO2溶解度[1.26g/L（水，30℃， 101kPa）]小于SO2溶解度[78g/L（水，30℃， 101kPa）]，相同體積的水中，溶解于水中SO2比CO2多，SO2與H2O反應(yīng)生成的H2SO3較多，CO2與H2O反應(yīng)生成的H2CO3相對(duì)較少[9，10]，故曲線①在曲線②上方;（3）曲線①下降相對(duì)較慢，曲線②急速下降： H2SO3的電離常數(shù)大于H2CO3的電離常數(shù)，在相同時(shí)間內(nèi)，H2SO3電離出的H+濃度大于H2CO3電離出的H+濃度，所以曲線②下降速度較快。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)2與實(shí)驗(yàn)4曲線對(duì)比分析

如圖9所示，CO2與H2O反應(yīng)溶液中H2CO3隨著溫度升高，受熱分解成CO2和H2O，導(dǎo)致溶液H+濃度降低，pH升高，曲線③上升;SO2與H2O反應(yīng)生成的H2SO3暴露在空氣中，被氧化成H2SO4，溶液中H+濃度升高，pH降低，曲線④下降。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

（1） 本文借助手持技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)3，通過實(shí)驗(yàn)的宏觀現(xiàn)象，測(cè)量溶液中微觀粒子H+濃度的變化，利用pH曲線的變化直觀呈現(xiàn)CO2、 SO2與H2O反應(yīng)的微觀過程。教師應(yīng)用四重表征理論引導(dǎo)學(xué)生探究CO2、 SO2與H2O反應(yīng)的微觀本質(zhì)，從宏微結(jié)合的視角構(gòu)建學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的學(xué)科核心素養(yǎng)。

（2） 通過對(duì)實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)3中的曲線變化對(duì)比分析CO2、 SO2與H2O反應(yīng)的異同點(diǎn)。CO2與H2O反應(yīng)和SO2與H2O反應(yīng)均使溶液的pH降低。pH曲線下降，說明兩者反應(yīng)均生成了酸。但二者反應(yīng)pH曲線變化趨勢(shì)上存在差異，由于CO2、 SO2的溶解度不同、與水反應(yīng)生成H2CO3、 H2SO3的電離常數(shù)不同而導(dǎo)致酸性不同。

（3） 通過實(shí)驗(yàn)2、實(shí)驗(yàn)4的結(jié)果，分析溫度對(duì)CO2、 SO2與H2O反應(yīng)溶液成分的影響及反應(yīng)原理。加熱CO2與H2O反應(yīng)時(shí)溶液pH升高，而加熱SO2與H2O反應(yīng)時(shí)溶液pH降低，分析可知二者溶液均暴露在空氣中加熱，CO2與H2O反應(yīng)生成的H2CO3難以被氧化，但不穩(wěn)定性受熱易分解;而SO2與H2O反應(yīng)生成的H2SO3中S元素具有還原性，亞硫酸被O2氧化生成H2SO4， H2SO4較穩(wěn)定，受熱不易分解。說明H2SO3中S元素的還原性大于H2CO3中C元素的還原性。

5 教學(xué)建議

5.1 實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)

（1） 在進(jìn)行CO2、 SO2與H2O反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，要保證裝置的氣密性，并且要在通風(fēng)條件下進(jìn)行。

（2） 為得到較為純凈的CO2和SO2氣體，又要考慮實(shí)驗(yàn)裝置的簡(jiǎn)易性，本實(shí)驗(yàn)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，特選擇了Na2SO3和濃H2SO4反應(yīng)制備SO2、 Na2CO3和稀H2SO4反應(yīng)制備CO2。

（3） 為保證實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的可靠性，通入CO2和SO2氣體的氣流要平緩、連續(xù)且速度一致，導(dǎo)管應(yīng)盡可能插入水溶液底部，同時(shí)裝置要置于磁力攪拌器上進(jìn)行攪拌，以增大CO2、 SO2與H2O的接觸面積。

5.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)建議

本研究中的實(shí)驗(yàn)可用于不同學(xué)段的教學(xué)。例如，CO2與H2O反應(yīng)及加熱其溶液的實(shí)驗(yàn)可用于初三階段的二氧化碳性質(zhì)的教學(xué)，教師在教學(xué)時(shí)需要補(bǔ)充與pH相關(guān)的知識(shí)，僅從溶液的pH改變這點(diǎn)切入教學(xué)，不對(duì)曲線變化趨勢(shì)原因進(jìn)行深入分析;SO2與H2O反應(yīng)及加熱其溶液的實(shí)驗(yàn)則用于高一階段二氧化硫性質(zhì)的教學(xué)，教師根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知程度，選擇合適的實(shí)驗(yàn)分析角度進(jìn)行課堂教學(xué)。本研究的四個(gè)實(shí)驗(yàn)更適用于已學(xué)習(xí)化學(xué)選修4相關(guān)知識(shí)的學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)和科學(xué)探究活動(dòng)，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，可以收集手持技術(shù)產(chǎn)生的曲線證據(jù)，并利用已學(xué)的知識(shí)對(duì)曲線得到的證據(jù)進(jìn)行分析推理，避免對(duì)知識(shí)的死記硬背，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與證據(jù)推理的能力。與此同時(shí)，學(xué)生通過觀察反應(yīng)的宏觀現(xiàn)象，分析曲線變化，探析反應(yīng)的微觀本質(zhì)，發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

5.3 改進(jìn)方向

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，可在進(jìn)行SO2與H2O反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)通入惰性氣體，以排除氧氣的干擾;在研究對(duì)象方面，可利用手持技術(shù)對(duì)比探究SO2、 CO2的其他性質(zhì)，深化二者的學(xué)習(xí)。

利用手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行四重表征分析的問題解決模式為學(xué)生深入學(xué)習(xí)元素化合物的相關(guān)知識(shí)以及發(fā)展“宏觀辨識(shí)與微觀探析”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]Talanquer V.， Sevian H.. Chemistry in Past and New Science Frameworks and Standards： Gains， Losses， and Missed Opportunities [J]. Journal of chemical education， 2014， 91（1）： 24～29.

[2]王晶， 鄭長(zhǎng)龍. 義務(wù)教育教科書·化學(xué)九年級(jí)上冊(cè)[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 118.

[3]王晶， 畢華林. 普通高中教科書·化學(xué)必修第二冊(cè)[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019： 3.

[4]王立新， 錢揚(yáng)義， 李言萍， 陳博殷， 梁宏宇. 手持技術(shù)支持下概念學(xué)習(xí)的“多重轉(zhuǎn)化、比較建構(gòu)”認(rèn)知模型——以“溫室效應(yīng)”概念學(xué)習(xí)為例[J]. 電化教育研究， 2017， 38（10）： 100.

[5]錢揚(yáng)義， 葉靜怡， 鄧峰， 等. 手持技術(shù)在化學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用與建模研究[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2009.

[6]錢揚(yáng)義， 杜永鋒， 李佳， 等. 掌上實(shí)驗(yàn)室（Labin Hand）的特點(diǎn)及其功能[J]. 電化教育研究， 2003， （10）： 59～62.

[7]錢揚(yáng)義， 陳建斌. 在“數(shù)字化掌上實(shí)驗(yàn)室”中做科學(xué)[J]. 中國(guó)電化教育， 2004， （5）： 45～48.

[8]林建芬， 盛曉婧， 錢揚(yáng)義. 化學(xué)“四重表征”教學(xué)模式的理論建構(gòu)與實(shí)踐研究——從15年手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究的回顧談起[J]. 化學(xué)教育， 2015， 36（7）： 1～6.

[9]王玉芝. 實(shí)用大學(xué)化學(xué)手冊(cè)[M]. 長(zhǎng)沙： 湖南科學(xué)技術(shù)出版社， 2015： 610.

[10]實(shí)用化學(xué)手冊(cè)編寫組. 實(shí)用化學(xué)手冊(cè)[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2001： 415.