基于數字化的“一例多證”案例研究

摘要：把CO2直接通入NaOH 溶液中，沒有實驗現象，CO2是否和NaOH 發生反應了呢？該如何證明二者之間發生反應了呢？作者通過“四個探究”活動，各個小組交流談論、設計實驗、總結結論。對“CO2和NaOH反應”進行了科學探究，透過現象看到本質，層層深入，不僅運用科學探究法合作學習，做到了跨學科學習，還步步為營，做到了從定性到定量的研究，培養了學生化學核心素養。

關鍵詞：CO2和NaOH；定性實驗；定量實驗

文章編號：1008-0546（2023）11-0082-04" 中圖分類號：G632.41" 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.11.017

新課標指出“常見酸、堿的化學性質”為學生必做實驗及實踐活動，［1］關于“NaOH 的化學性質”有兩個無現象的實驗：氫氧化鈉溶液和鹽酸反應；氫氧化鈉溶液和二氧化碳的反應。在學生實驗“氫氧化鈉溶液和鹽酸反應”的基礎上，學生已經掌握了驗證反應的“無中生有”（向滴入酚酞溶液后的NaOH溶液中逐滴滴入稀鹽酸）的方法，具備了一定的探究能力和實驗能力，因此在證明“CO2和 NaOH 反應”實驗探究過程中，要不斷引導學生積極主動地參與探究過程，進行大膽的猜想，根據猜想設計實驗方案來證明。在小組合作的探究過程中，提高實驗能力，增強合作精神，在探究中體驗學習的快樂。

一、問題的提出

人教版下冊第59頁的課后習題第3題“如何鑒別石灰水和氫氧化鈉溶液？”［2］同學們很容易想到用CO2來鑒別，若變渾濁，則為石灰水；若沒有變化，則為氫氧化鈉溶液。對于沒有實驗現象的“CO2和 NaOH 之間”，我們如何證明“二者之間是否反應”呢？

二、實驗研究的流程和方法

實驗教學在初中化學中占有重要的地位，2022版新課標又新增了“1.3化學實驗探究的思路與方法，［1］在這個實驗中正好得到了充分的體現。

1.科學研究的流程：

提出問題——猜想假設——設計實驗——進行實驗——收集證據——總結反思——分析評價——交流討論

2.實驗研究的方法：

三、實驗方案的設計（四個活動的探究）

【實驗原理】2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O；

Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑

【實驗器材】儀器：試管2支、吸管2支、滴管1個、燒杯1個、裝滿 CO2的塑料瓶3個、裝滿 CO2的圓底燒瓶1個、藥匙1把、注射器（普通）1個、電腦1臺、氣壓傳感器1個、數據采集器1個、磁力攪拌器（含磁子）1個、雙控膠塞1個、專用注射器1個。

藥品：NaOH 溶液（1 mol/L）、NaOH 酒精溶液（1 mol/L）、NaOH 固體、鹽酸（1∶2）1瓶。

其他：氣球1個；制取 CO2裝置（含藥品）一套、火柴1盒。

1.活動1：一例一證，證明反應物（CO2）的減少

證明反應物（CO2）的減少即通過 CO2同時溶于H2O和NaOH溶液的對比實驗，證明反應的發生；

【探究活動】向 NaOH 溶液吹入氣體，沒有現象，我們該如何設計實驗證明反應發生了？

【實驗步驟】甲向裝滿 CO2的塑料瓶中加入大約1/3的水，乙向裝滿 CO2的塑料瓶中加入大約1/3的 NaOH溶液，兩人同時振蕩，觀察現象。

【實驗現象】加水的塑料瓶變得略癟；加NaOH溶液的塑料瓶變得更癟。

【實驗結論】對比發現，CO2和NaOH發生了反應。

【實驗反思】若不是運用控制變量法，通過乙的實驗，能否證明發生了反應？

2.活動2：一例一證，證明生成物（Na2CO3）的產生

證明生成物（Na2CO3）的產生即通過 CO2溶于 NaOH 酒精溶液［3］后，溶液變渾濁，證明有生成物Na2CO3的產生，證明反應的發生。

【活動探究】

溫馨提示：20℃時，NaOH 和Na2CO3在水中和酒精中的溶解度（見表1）。

把活動1中的乙的實驗中的 NaOH 溶液換成NaOH酒精溶液，實驗會怎么樣呢？

討論、交流，設計實驗。

【實驗步驟】丙同學向裝滿 CO2的塑料瓶中加入大約1/3的 NaOH 的酒精溶液，振蕩，觀察現象。

【實驗現象】溶液變渾濁。

【實驗結論】CO2和 NaOH發生了反應。

【實驗追思】丙同學的實驗與活動1中的乙同學的實驗進行對比，有什么現象不同？能否證明反應的發生？丙同學的實驗與活動1中的甲同學的實驗進行對比，有什么現象不同？能否證明反應的發生？

3.活動3：一例多證的定性實驗

一例多證的定性實驗即通過 CO2與 NaOH 固體反應，［4］然后注入鹽酸，證明新物質的產生。［5］

【實驗研究】把活動2中的 NaOH 酒精溶液換成 NaOH 固體，實驗能否成功呢？生成物又該如何證明呢？同時粗略地計算加入的藥品（NaOH 固體和鹽酸）的量。

【實驗步驟】丙同學向裝滿 CO2的塑料瓶中加入大約2 g 的 NaOH 的固體，振蕩，待其充分反應，氣球變癟后注入10 mL鹽酸（1∶2）（見圖1）。

【實驗現象】振蕩后，塑料瓶內氣球變大，塑料瓶內壁上出現水霧；注入鹽酸后，瓶內產生大量氣泡，手摸塑料瓶外壁發燙，氣球變癟（在瓶內），接著又變大（沖出瓶外），最后又變癟（進入瓶中）。

【實驗分析】向裝滿 CO2的塑料瓶內加入 NaOH 固體，振蕩后氣球變大（瓶內），是因為 NaOH 的固體消耗了 CO2，使瓶內氣壓大大減小；塑料瓶內壁上出現水霧，說明反應過程中有 H2O 生成；手摸瓶子外壁發燙，說明反應放熱；注入鹽酸后，瓶內產生大量氣泡，說明 Na2CO3和鹽酸反應，生成了 CO2，同時實驗過程中會放熱，產生的大量 CO2和受熱膨脹迅速使瓶內癟氣球，沖出瓶外脹大，最后冷卻至室溫又變癟再次進入瓶中，理論上產生的 CO2的量與注入鹽酸前消耗的 CO2的量相當。

【實驗結論】氣球變大，說明 CO2的量減少，反應發生；圓底燒瓶內壁上出現水霧；反應放熱；以及注入鹽酸后，產生大量氣泡，使得瓶內氣體壓強又逐漸變大，直至使氣球再次完全變癟。這四個現象都能夠證明反應的發生。

【反思評價】這個實驗因為 CO2的減少導致裝置內氣壓變小，能否借助氣壓傳感器？有水霧產生，能否借助濕度傳感器？反應放熱，能否借助溫度傳感器？把“定性實驗”轉變為“定量實驗”來一探究竟呢？

4.活動4：一例多證的定量實驗

一例多證的定量實驗是通過 CO2與 NaOH 固體反應，接著注入鹽酸，證明新物質的產生（定量）。

【實驗設想】請同學們畫出氣壓傳感器、濕度傳感器和溫度傳感器，可能測出的曲線圖。

【實驗設計】借助氣壓傳感器來探究，把活動3中的塑料瓶換成圓底燒瓶，氣球換成氣壓傳感器，把圓底燒瓶放在磁力攪拌器上加入磁子攪拌（代替振蕩），會出現什么樣的曲線圖呢？注入鹽酸后，曲線圖又會怎樣變化呢？

教師和丁同學合作完成該實驗（實驗裝置圖和實驗結果得到的曲線圖，見圖2）：

【實驗步驟】檢查裝置氣密性，連接好裝置（已經放入磁子），收集滿一瓶 CO2，接著加入大約2 g 的 NaOH 固體，關閉壓強傳感器和導氣管上的活塞，蓋好雙孔膠塞，打開壓強傳感器上的活塞，打開 Logger Pro，開始記錄數據，接著打開磁力攪拌器，觀察壓強的變化，當壓強持續不再變化時候，用注射器抽取10 mL（1∶2）的鹽酸，連接好注射器和導管的接口，小心地打開活塞，使鹽酸成滴緩慢地流下，繼續觀察現象，待到不再產生氣泡的時候，關閉磁力攪拌器開關，再等待大約30秒時間，保存數據，整理儀器，實驗結束。

【實驗現象】圓底燒瓶內壁上出現水霧，壓強曲線逐漸變小，注入鹽酸后，氣體壓強又逐漸變大，直至恢復到室溫時的狀況。

【實驗分析和結論】裝置內氣體壓強的減小，說明反應物 CO2的減少；有水霧的出現，說明有新物質水生成；注入鹽酸，產生大量氣泡，裝置內氣體壓強又恢復至起始狀態，說明燒瓶內產生了 Na2CO3。這些都通過傳感器的數字化說明 CO2和 NaOH 發生了反應。

四、教學反思

1.創設情境，跨科滲透。通過實驗和實物展示提出問題，創設情景，引入新課，既可激發學生的學習興趣，又能體現知識源于實踐的道理?？鐚W科學習，引導學生通過小組合作實踐活動，引導學生運用美術知識繪圖、利用物理和數學知識計算藥品的質量和取用，做到“做中學”“用中學”“創中學”，促進學生科學觀念、科學思維、科學探究與實踐、科學態度與責任等化學核心素養的發展。

2.層層探究，揭露本質。以“四個探究活動”為主線，通過“活動1：CO2溶于 H2O 和溶于 NaOH 溶液的對比實驗；活動2：CO2溶于 NaOH 酒精溶液；活動3：CO2與 NaOH 固體反應，接著注入鹽酸，證明反應物的減少和新物質的產生（定性）；活動4：CO2與 NaOH 固體反應，接著注入鹽酸，證明反應物的減少和新物質的產生（定量）”，不斷地發現問題，使學生初步學會觀察、討論、合作交流，充分參與科學探究的整個流程，由“一例一證（定性）”逐漸過渡到“一例多證（定性）”，再由“定性的一例多證”，過渡到“定量的一例多證”，體現了科學探究由表及里、由淺入深、由現象到本質的探究過程。同時，樹立學生的自信心，激發他們自主探究的欲望，培養學生科學探究精神和合作學習意識。

3.熟悉流程，靈活創新。通過定性和定量實驗，“一例一證”和“一例多證”增強學生對化學實驗的好奇心和探究欲，鼓勵學生把實驗中類似的問題帶進課堂，知道化學與實驗緊密相聯，它源于生活，又高于生活。通過單個角度，一例一證，運用科學探究的流程和研究的方法，來證明反應的發生。又通過多個角度，設計定性和定量實驗，出現多個“證據”，培養了“科學探究和創新意識”的科學素養。［6］

4.師生合作，一舉多得。通過“一例多證”，實現了科學思維、科學探究與實踐、科學態度與責任高度契合，落實了化學學科的核心素養。通過學生角色轉化，達到知識系統化的目的?；顒?對加入藥品量的計算融合了數學、物理的知識，活動4曲線圖的預測繪制，融合了美術的繪圖和數學中的函數，這些設計，充分地體現了跨學科的融合學習；創造性地完成了一個綜合性定量實驗——通過一個數字化實驗多角度證明反應的發生，實現了“一例多證”的實驗創新。

參考資料

［1］中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022.

［2］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.義務教育初中化學教科書上下冊［M］.北京：人民教育出版社，2021.

［3］鄭貴芳.深度學習背景下的實驗探究課程設計：以“CO2與 NaOH 溶液反應的探究”為例［J］.化學教與學，2022（2）：46-48.

［4］李輝力，梁淑珍，張賢金. NaOH 固體與CO2氣體反應的理論分析與實踐研究［J］.福建基礎教育研究，2022（2）：124-125.

［5］薛東，戚曉軍.驗證 CO2與 NaOH 溶液的反應及反應產物的檢驗［J］.中學化學教學參考，2021（9）：85-86.

［6］朱紅霞.以經典探究為載體滲透化學學科素養：以“探究 CO2與NaOH 溶液反應”為例［J］.中學化學教學參考，2020（12）：25-27.