基于數字化實驗 學習化學抽象原理

倪姍姍

摘要：在課堂中引入“數字化實驗”儀器，學生通過小組合作、設計方案、分組實驗、探究“化學腐蝕速率和原電池腐蝕速率的大小”。運用壓力傳感器和常用的儀器藥品設計出兩個簡單易行的實驗方案，在具支試管中測量鋅粒在化學腐蝕和原電池腐蝕中產生氣體的壓強，從壓強—時間的曲線變化，得出“原電池腐蝕速率大于化學腐蝕速率”這一結論，并通過概念遷移、數據處理，定量計算出兩者速率比。用簡單的實驗體現抽象的原理，培養學生科學探究和創新的能力，用壓強表征反應速率，培養學生知識遷移和應用的能力。

關鍵詞：數字化實驗；壓力傳感器；化學腐蝕；原電池腐蝕；腐蝕速率比較

文章編號：1008-0546（2023）07-0079-06 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.015

一、問題的提出

金屬的腐蝕是高中電化學知識的教學重難點，對于腐蝕速率的快慢，教材中提出“電化學腐蝕的速率大于化學腐蝕速率”[1，2]（以下簡稱結論1），同時給出電化學腐蝕比化學腐蝕速率“快得多”[2]（以下簡稱結論2）的結論。上述結論，教材中沒有文字解釋，也沒有實驗說明。在考查學生電化學知識時經常用到結論1，絕大多數的教參中都會出現這樣的習題。[3-5] 教師在教學中大多數會從理論上用語言抽象地描述，學生很難有深入的理解和認識，只能機械記憶。對于結論2，學生更是沒有直觀認識和實驗佐證。

查閱中國基礎教育文獻資源總庫，發現對“金屬腐蝕速率”的研究內容主要集中在3個方面：（一）金屬腐蝕速率的影響因素。從金屬的種類、溶液的類型、溶液的濃度等多方面研究不同因素對金屬腐蝕速率的影響。[6-8]（二）吸氧腐蝕和析氫腐蝕的對比研究，探究兩種腐蝕的條件。[9，10]（三）對比單液原電池和雙液原電池的工作效率。[11，12] 而用實驗來證明結論1較少，[13-15] 其共同點都是應用數字化實驗進行研究，實驗現象明顯，得出結論1，給教師很大的啟發。但都是教師設計的實驗，且沒有定量比較，而把金屬腐蝕速率比較的數字化實驗應用于課堂教學的分組實驗探究中暫未發現。

本研究在高二化學班的課堂教學中應用數字化實驗，學生通過小組合作探究化學腐蝕和原電池腐蝕速率的大小，進行實驗。設計兩個簡單易行的實驗方案，探討3個方面的問題：（1）解決傳統實驗中現象不明顯的問題； （2）通過壓力傳感器測量壓強—時間變化的曲線，通過比較曲線斜率的大小，判斷腐蝕速率的大小，得出結論1。（3）根據實驗所得數據，分析處理，計算在一定條件下原電池腐蝕與化學腐蝕的速率比。

二、教學理念和設計

1. 教學思想

本節課通過發現傳統實驗中不易顯現的現象，引入數字化實驗，以小組合作的形式，進行實驗探究。一方面觀察數據，得出定性的結論，另一方面處理數據，得出定量的結論。以數字化實驗探究為重點，同時與傳統實驗形成對比，將化學學科抽象原理（金屬腐蝕速率）與核心素養（證據推理和科學探究等）共同融入教學（見圖1）。幫助學生從直觀的感性（曲線）認識中分析反應本質、理解抽象原理。

2. 教學流程

教學流程見圖2。

三、教學問題解決實施

本節課以生活中金屬腐蝕圖片引入主題，引起學生對化學現象的思考，引發探究欲望。提出任務：如何用實驗研究“化學腐蝕速率和原電池腐蝕（析氫腐蝕）速率的大小”。

1. 傳統實驗的結論驗證

化學腐蝕和原電池腐蝕的傳統實驗的對比如表1。兩種腐蝕的實驗裝置示意圖見表1中圖3和圖4，通過觀察兩者產生H 2 氣泡的快慢，比較兩種腐蝕速率的大小。

2. 數字化實驗探究

在傳統的定性實驗中，通過肉眼較難觀察到實驗現象，需借助數字化手持技術進行定量化實驗研究。[16，17]

（1）探究實驗設計方案

①數字化實驗儀器的介紹

教師介紹數字化實驗的儀器，展示壓力傳感器、數據采集器，演示它們與電腦之間的連接和操作，以及軟件的使用等。學生了解到定量比較氣體的多少，不僅可以測量體積，還可以通過壓力傳感器測量恒容密閉容器中氣體的壓強。

②方案的設計

Ⅰ設計過程

見圖5。

Ⅱ實驗裝置

學生通過討論得出：具支試管為最佳的反應容器。裝置實物圖和示意圖見圖6。

Ⅲ儀器藥品

實驗儀器：具支試管、帶有滴管的單孔橡膠塞、橡膠管、壓力傳感器（Vernier的型號為GAS-BTA）、數據采集器（LABQ2），筆記本電腦（裝有LoggerPro3.8.7軟件）等。

實驗藥品：鋅粒（臺山市眾城化工廠，AR）、1 mol·L -1H 2 SO 4 溶液、1 mol·L -1 CuSO 4 溶液。

（2）實驗步驟、現象、結論

同學們通過討論首先得出了實驗方案1，再通過教師引導： “如何在一個實驗中呈現兩種腐蝕過程？”，得出實驗方案2。兩個實驗方案的示意圖見圖7和圖8，實驗過程見圖9和圖10，實驗結果的數據圖見圖11和圖12（在origin軟件中作圖），具體內容見表2。

（3）實驗過程出現的問題

學生在實驗過程中出現的問題主要有以下2個方面：（1）加入CuSO 4 溶液之后采集數據時間較長，導致容器中壓強過大，膠塞被氣壓沖開。（2）橡膠塞沒有塞緊，容器漏氣，導致容器內的壓強一直變化不大。在出現上述問題時，以小組討論為主，教師引導為輔，學生積極思考，共同解決問題。

3. 曲線數據的定量分析

（1）提出問題

在得出結論1之后，教師提出問題：在這個反應中，原電池腐蝕速率是化學腐蝕的幾倍？

（2）討論方案

（3）處理數據

以某一小組方案1的實驗數據為例（見表3），

（4）得出結論

在此實驗條件下原電池腐蝕速率約為化學腐蝕速率的4.76倍左右。（每個小組算出來的數值有所偏差，最后可以算出幾個小組的平均值。且不同的藥品和裝置，測量和計算的結果有所不同。）學生從直觀的數據得出，原電池的腐蝕速率比化學腐蝕速率“快得多”——教材中的結論2，其他條件下甚至比這個比值更大，不僅培養學生數據處理的能力，更能體會生活中金屬腐蝕的嚴重性，以及金屬防腐的重要性，激發學生將來致力于研究減緩金屬腐蝕速率的有效方法的興趣。

4. “四重表征”比較分析

在傳統“三重表征”基礎上發展形成的四重表征，[18，19] 即宏觀—微觀—曲線—符號。幫助學生多角度分析問題，理解反應本質，學習抽象原理。下文以方案2為例，從“宏觀—微觀—符號—曲線”4個方面進行分析（見表4）。

5. 課下問題的思考和拓展

本節課后留給同學們思考的問題： （1）原電池微觀的工作原理。根據現象和結論進一步從電子、離子等角度思考原電池的微觀工作原理。 （2）影響腐蝕速率的因素。由不同小組在操作不同、試劑不同等情況下得出的數據不同，思考影響腐蝕速率的具體因素。（3）拓展實驗：電化學腐蝕中還有電解池腐蝕，如何用實驗比較“電解池腐蝕的速率和化學腐蝕速率的大小”。帶著這些問題，進一步運用探究的方法，小組的形式，培養靈活運用知識的能力，提高解決未知問題的能力。

四、教學反思和建議

1. 教學反思

（1）利用簡單實驗探究抽象原理

用實驗室中常規、少量的藥品，簡單、易操作的儀器設計并進行數字化實驗，得出教材中抽象的結論，耗時短，現象明顯，重現性高。有效地幫助學生從直觀的現象理解抽象的原理，進而分析原因，理解本質。同時便于應用于課堂教學的學生分組實驗，對比過去手持技術的實驗絕大多數在課余興趣小組開展，取得了較大的突破，有利于數字化實驗在課堂教學中的推廣。

（2）運用數據處理體會定量研究

“重視信息技術的應用”應重視化學教材信息資源平臺的建設，為各種潛力的學生和教師提供多種多樣的學習資源。[20] 課程標準（2017年）的化學學科核心素養的水平劃分里，多次提到“定量”。本研究利用實驗所得數據，進而通過概念遷移、數據處理，得出定量結論2，學生學會運用化學符號和定量計算等手段深入學習化學知識。

（3）基于數字化實驗體驗探究過程

學生在設計數字化實驗的過程中，學習探究方法，培養探究能力，提高學科的科學素養。同時積極思考，并依據探究目的，設計并優化實驗方案，完成實驗，能對觀察記錄的實驗信息進行加工并獲得結論，能和同學交流和分享，尊重事實和證據，養成獨立思考、勇于質疑和勇于創新的精神。[20]

（4）通過小組合作培養合作意識

在此實驗操作時，壓緊橡膠塞，滴入硫酸銅溶液，采集數據，觀察儀器的接口是否有脫落的可能等，諸多工作都需要各成員配合協作，小組成員各抒己見，提出方案，共同解決問題。凸顯學生的主體地位，使得課堂教學變得富有活力，提升合作意識，提高自主學習能力。

2. 建議

（1）表征抽象概念的實驗開發

教材中較多的反應原理比較抽象，沒有實驗佐證。例如單液原電池和雙液原電池電流和電壓的對比、電解池腐蝕速率與原電池腐蝕速率的比較等，有待于研究者對教材中抽象原理進行物理量的表征，開發簡單可行的實驗，幫助學生從物質的微觀層面理解化學的組成、結構和性質，有助于深度學習抽象的原理知識。

（2）數字化實驗在教材中應用

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中，在“教材編寫建議”中明確提出“化學教材應適當增加數字化實驗、定量實驗和創新實踐活動等，體會、認識技術手段的創新對化學科學的重要價值”[20] 。手持技術實驗近幾年的案例開發逐漸增多，與中學教學聯系日趨緊密，課題研究越發深入，實驗過程和效果朝著簡潔高效的趨勢發展。在編寫教材時可以選擇一些數字化手持技術的實驗案例，供有條件的學校運用。

參考文獻

[1] 人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心. 普通高中教科書：化學選擇性必修1化學反應原理[M]. 北京：人民教育出版社，2020：108.

[2] 宋心琦. 普通高中課程標準實驗教科書：化學反應原理（選修）[M]. 北京：人民教育出版社，2009.

[3] 《高中同步輔導與檢測》編寫組. 金版學案高中同步輔導與檢測·化學·選擇性必修1：化學反應原理[M]. 廣州：廣東高等教育出版社，2021.

[4] 孫翔峰. 創新方案：新課標高考總復習·化學[M]. 合肥：安徽科學技術出版社，2018.

[5] 《高中化學總復習》編寫組. 三維設計·新課程·高中化學總復習[M]. 天津：天津教育出版社，2022.

[6] 謝婷婷. 手持技術的金屬電化學腐蝕影響因素的實驗探究[J]. 中學化學教學參考，2017（9）：57-58.

[7] 王春. 運用手持技術探究銅鋅原電池電流強度的影響因素[J]. 中學化學教學參考，2013（6）：49-50.

[8] 胡華國. 運用手持技術探究影響原電池效率的主要因素[J]. 化學教與學，2014（10）：79-80.

[9] 倪霞. 運用手持技術對鋼鐵的腐蝕進行四重表征教學小探[J]. 化學教與學，2018（2）：2-4.

[10]林建芬，錢揚義.運用數字化手持技術對金屬電化學腐蝕探究實驗的改進[J]. 中學化學教學參考，2015（1）；52-53.

[11]盛曉婧. 利用數字化手持技術探究原電池電流和溫度的變化[J]. 化學教育，2016（5）：61-66.

[12]王春. 運用手持技術探究單雙液原電池的能量轉化效率[J]. 教育與裝備研究，2017（10）：71-73.

[13]方云. 電化學腐蝕和化學腐蝕速率對比實驗研究[J]. 化學教與學，2017（12）：90-91.

[14]孫慧玲. 基于手持技術的金屬電化學腐蝕實驗改進[J].化學教學，2014（3）：52-54.

[15]陳博殷，錢揚義. 利用數字化手持技術探究“電解池陽極與原電池負極金屬腐蝕速率”的大小[J]. 化學教育，2016，37（21）：48-53.

[16]錢揚義. 手持技術在理科實驗中的應用研究[M]. 北京：高等教育出版社，2003.

[17] 錢揚義. 手持技術在研究性學習中的應用及其心理基礎[M]. 北京：科學出版社，2006.

[18] 林建芬，盛曉婧，錢揚義. 化學“四重表征”教學模式的理論建構與實踐研究——從15年數字化手持技術實驗研究的回顧談起[J]. 化學教育. 2015，36（7）1-6.

[19] 楊潔，錢揚義. “四重表征”在“化學反應速率”教學中的價值——由2007-2012年高考題得到的啟示[J]. 化學教學，2016，37（5）：61-66.

[20] 中華人民共和國教育部. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.