手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)促進(jìn)化學(xué)課堂深度教學(xué)

周婷婷

一、教學(xué)內(nèi)容及現(xiàn)狀分析

本節(jié)課選自2019人教版選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》（2020年5月第1版）第三章“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”第二節(jié)“水的電離和溶液的pH”的第１課時(shí)。新課標(biāo)對(duì)水的電離和溶液的pH的要求為：認(rèn)識(shí)水的電離，了解水的離子積常數(shù)，認(rèn)識(shí)溶液的酸堿性及pH，掌握檢測(cè)溶液的方法。從教材看，水的電離平衡前承弱電解質(zhì)的電離，后接鹽類的水解，是水溶液中的離子平衡概念群建構(gòu)不可或缺的一環(huán)，在教學(xué)中可發(fā)展宏觀辨識(shí)與微觀探析、變化觀念與平衡思想等幾個(gè)核心素養(yǎng)。在中國(guó)知網(wǎng)以“水的電離平衡”為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，檢索到2016—2023年公開發(fā)表的教學(xué)設(shè)計(jì)類論文很少，且教學(xué)設(shè)計(jì)均側(cè)重理論講解以及對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練，缺乏讓學(xué)生自己建構(gòu)的過程。

二、學(xué)情分析及常見“迷思”

由于對(duì)微觀粒子的認(rèn)知還存在局限性，學(xué)生在“水的電離”學(xué)習(xí)中容易產(chǎn)生以下“迷思”。

1.對(duì)水的電離過程以及電離程度不清晰。水屬于極弱電解質(zhì)，水分子間的相互作用導(dǎo)致水的電離，是自耦電離，這與所學(xué)弱電解質(zhì)電離本質(zhì)有差別。

2.對(duì)pH值與溶液酸堿性的關(guān)系不清晰。受到生活經(jīng)驗(yàn)和既往知識(shí)的影響，形成記憶性盲點(diǎn)，認(rèn)為酸性就是pH小于7，中性pH等于7，堿性pH大于7。

3.對(duì)水的離子積常數(shù)Kw的適用范圍不清晰。水的離子積常數(shù)Kw在所有的水溶液中都適用，部分學(xué)生認(rèn)為Kw只能在純水或中性溶液中才可以應(yīng)用，酸堿溶液由于溶質(zhì)自身會(huì)電離出H+或OH-，則不可以用該常數(shù)計(jì)算。

4.對(duì)水的電離平衡的影響因素不清晰。水中加鈉或者加CO2對(duì)水的電離有何影響，學(xué)生無從下手進(jìn)行分析。

5.對(duì)水溶液中微觀粒子的相互作用不清晰。水作為重要的溶劑，水溶液中微粒的相互作用在化學(xué)學(xué)習(xí)中貫穿始終。對(duì)水的研究不能只研究水本身，而應(yīng)該擴(kuò)展至水溶液中微粒的相互作用。學(xué)生僅僅知道概念不足以解決問題。

三、教學(xué)思想和策略

水的電離是微觀的，不容易被觀察，導(dǎo)致部分學(xué)生的學(xué)習(xí)浮于淺層，僅能從淺層次上理解、接受知識(shí)，較容易產(chǎn)生迷思概念。所以構(gòu)建以理解為基礎(chǔ)，以問題驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向，以討論思考為途徑，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)任務(wù)中開動(dòng)腦筋，解決問題，逐步培養(yǎng)學(xué)生的高階思維、實(shí)踐能力和正確價(jià)值觀，完成符號(hào)學(xué)習(xí)階段、邏輯形式階段和意義領(lǐng)域階段的深度教學(xué)課堂勢(shì)在必行。

深度教學(xué)強(qiáng)調(diào)通過對(duì)知識(shí)完整、深刻的處理，促進(jìn)學(xué)生理解知識(shí)的內(nèi)涵，自動(dòng)建構(gòu)個(gè)性化的知識(shí)系統(tǒng)和意義系統(tǒng)。手持技術(shù)是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和配套的軟件組成的定量采集和處理數(shù)據(jù)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)能與計(jì)算機(jī)連接，然后完成各種后期處理。手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)可以把常規(guī)實(shí)驗(yàn)難以呈現(xiàn)的水的電離情況以圖像形式表征，將微觀化學(xué)變化可視化，教師可以通過手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)內(nèi)容的深度理解，從而提升其核心素養(yǎng)。

基于以上分析，本節(jié)課設(shè)計(jì)了以下手持實(shí)驗(yàn)：

1.手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定水的電導(dǎo)率。

2.手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同溫度下水的pH。

3.手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定蒸餾水中加入0.1000mol/L NaOH溶液的pH。

4.手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定蒸餾水中加入1.0000g Na2CO3固體粉末溶液的pH。

四、教學(xué)目標(biāo)

1.利用手持實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證水的微弱電離，建立水是弱電解質(zhì)的概念。

2.利用手持實(shí)驗(yàn)探究不同溫度下水的pH，理解水的離子積常數(shù)以及pH。

3.利用手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)歸納純水中加入酸堿時(shí)的pH，建構(gòu)水的電離模型。

4.利用手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)探究水中加入碳酸鈉的pH，深度理解水溶液中微粒的相互作用。

五、教學(xué)流程

1.對(duì)比蒸餾水的燈泡導(dǎo)電實(shí)驗(yàn)和手持實(shí)驗(yàn)測(cè)水的電導(dǎo)率得出的結(jié)論，激發(fā)學(xué)生深度思考，提出水是極弱電解質(zhì)。

2.通過與弱電解質(zhì)的電離平衡常數(shù)類比，發(fā)展水的離子積常數(shù)概念，運(yùn)用手持技術(shù)測(cè)不同溫度下水的pH，得出水的離子積常數(shù)與溫度相關(guān)的結(jié)論，并計(jì)算常溫下和100℃水的離子積常數(shù)。

3.通過手持實(shí)驗(yàn)測(cè)純水中加堿的pH變化，總結(jié)酸堿對(duì)水電離平衡的影響并繪制c（H＋）和c（OH－）的關(guān)系圖。

4.運(yùn)用水的電離平衡分析模型解釋生活中的問題。

六、教學(xué)實(shí)錄

●環(huán)節(jié)一：理解水的電離

問題1：水可以導(dǎo)電嗎？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？

學(xué)生：可以，連接小燈泡和蒸餾水，看燈泡是否亮起。

手持實(shí)驗(yàn)1：連接小燈泡和蒸餾水，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮。得出結(jié)論：水不導(dǎo)電。

教師：是否水真的不導(dǎo)電呢？

演示實(shí)驗(yàn)1：手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)蒸餾水的電導(dǎo)率：水的電導(dǎo)率為0.023 ｍs / cｍ。

深度思考：兩個(gè)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論不同，燈泡需要的電流較大，水微弱的導(dǎo)電能力不足以點(diǎn)亮燈泡。水是一種極弱的電解質(zhì)。

問題2：思考水的電離與前面學(xué)習(xí)的弱電解質(zhì)的電離實(shí)質(zhì)是否完全一樣。

深度思考：在水分子的作用下，弱電解質(zhì)會(huì)發(fā)生不同程度的電離，這表明，在水分子與各種電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)粒子之間存在著較強(qiáng)的相互作用。在相對(duì)分子質(zhì)量接近的化合物中，水是熔、沸點(diǎn)較高的物質(zhì)，水分子間也存在較強(qiáng)的相互作用。水分子彼此間的作用導(dǎo)致水分子發(fā)生微弱電離。

教師：水的相互作用導(dǎo)致水發(fā)生微弱電離，水的電離是一種自耦電離，請(qǐng)大家寫出水的電離方程式。

學(xué)生：H2O＋H2O？葑H3O-＋OH－，簡(jiǎn)寫為H2O？葑H++OH－。

（設(shè)計(jì)意圖：基于學(xué)生已有認(rèn)知，提問如何驗(yàn)證電解質(zhì)的導(dǎo)電能力，學(xué)生提出的燈泡實(shí)驗(yàn)與教師進(jìn)行手持實(shí)驗(yàn)電導(dǎo)率的測(cè)定形成思維沖突，激發(fā)學(xué)生的深度思考，進(jìn)一步從微觀角度比較水的電離與一般弱電解質(zhì)電離的不同點(diǎn)，既對(duì)前面所學(xué)知識(shí)進(jìn)行鞏固，又發(fā)展新概念認(rèn)知）

●環(huán)節(jié)二：Kw概念的建立

問題1：水屬于弱電解質(zhì)，請(qǐng)書寫出水的電離平衡常數(shù)。

教師：水屬于弱電解質(zhì)，所以可以把水的濃度看成一個(gè)定值，水的電離平衡常數(shù)簡(jiǎn)化為Kw=c（H+）c（OH－），稱為水的離子積常數(shù)。

問題2：水的離子積常數(shù)與什么相關(guān)？計(jì)算常溫下和100℃水的離子積常數(shù)。

生：Kw也屬于平衡常數(shù)，應(yīng)該與溫度相關(guān)。

手持實(shí)驗(yàn)2：測(cè)25℃水的pH為7.2，測(cè)100℃水的pH為6.2。根據(jù)離子積常數(shù)表達(dá)式可得常溫下水的離子積常數(shù)約為10－14，100℃水的離子積常數(shù)約為10－12。

教師總結(jié)：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了水的電離與溫度相關(guān)。溫度越高，水的電離程度越大，Kw越大。

問題3：純水的pH值是否一定是7？

深度思考：pH=-lgc（H+），只與氫離子濃度相關(guān)，不同溫度下水的電離程度不同，所以水電離出的氫離子的濃度也不同，只有在標(biāo)明溫度的情況下，才可以把pH值作為判斷酸堿性的依據(jù)。

（設(shè)計(jì)意圖：通過類比書寫出水的離子積常數(shù)表達(dá)式，并利用手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得100℃水的pH值為6.2，與學(xué)生認(rèn)為的純水pH值為7形成思維沖突，進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生理解并領(lǐng)悟pH值的意義和作用）

●環(huán)節(jié)三：水電離的影響因素

教師：可否推測(cè)水的電離受哪些因素影響？

生1：根據(jù)水的電離方程式，純水中加入酸堿可以影響水的電離。

教師追問：如何影響？

生1：提升氫離子和氫氧根濃度會(huì)抑制水的電離，導(dǎo)致水的電離平衡逆向移動(dòng)。

生2反駁：加入氫離子可以與水電離出的氫氧根結(jié)合，導(dǎo)致水電離的氫離子濃度減小，導(dǎo)致水的電離平衡正移。

手持實(shí)驗(yàn)3：向90 mL蒸餾水中滴入0.1000mol/L稀NaOH溶液10 mL，測(cè)其pH。

問題1：水中加入堿，會(huì)影響Kw嗎？

生：取曲線穩(wěn)定后的pH值，c（H+）≈10－12，通過加入量計(jì)算c（OH-）=10－2，Kw≈10－14，與純水測(cè)得的Kw一致，證明Kw只與溫度有關(guān)。

教師：向水中加入強(qiáng)堿，此時(shí)溶液中的OH－主要有兩個(gè)來源：水的電離和氫氧化鈉的完全電離，請(qǐng)比較加入堿前后水的電離程度。

深度思考：依據(jù)c（H+）H2O=c（OH－）H2O任取加入強(qiáng)堿后的兩點(diǎn)：

pH為9時(shí)，c（OH－）H2O=c（H+）H2O=10－9 mol/L＜10－7 mol/L；

pH為11時(shí)，c（OH－）H2O=c（H+）H2O=10－11 mol/L＜10－7 mol/L，所以可知強(qiáng)堿抑制水的電離。

教師追問：有些同學(xué)認(rèn)為OH－會(huì)結(jié)合水電離的H+，導(dǎo)致平衡正移，這種想法為什么不對(duì)？

深度思考：水是極弱電解質(zhì)，電離的H+極少，即使有結(jié)合減少也對(duì)平衡影響微弱，所以水中加入酸堿對(duì)水的電離都為抑制。

問題4：水溶液中加入鈉或者通入SO2對(duì)水的電離有什么影響？

生：加入鈉會(huì)與水中的氫離子進(jìn)行反應(yīng)，c（H+）持續(xù)減少，水的電離平衡正移，所以對(duì)水的電離是促進(jìn)的。加入CO2與水反應(yīng)生成酸，電離出H+，提升了c（H+），所以對(duì)水的電離是抑制作用。

問題5：根據(jù)以上所學(xué)，填充以下表格并繪制c（H＋）和c（OH－）的關(guān)系圖。

問題6：利用c（H＋）和c（OH－）的關(guān)系圖總結(jié)溶液酸堿性的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

生：中性溶液：c（H＋）=c（OH－），酸性溶液：c（H＋）＞

c（OH－），堿性溶液：c（H＋）＜c（OH－）。

（設(shè)計(jì)意圖：通過手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)向?qū)W生直觀展現(xiàn)水中加入堿對(duì)水電離平衡的影響，進(jìn)一步提升學(xué)生的讀圖和分析能力，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)）

●環(huán)節(jié)四：利用模型解決實(shí)際問題

問題1：純堿Na2CO3是工業(yè)生產(chǎn)的重要原料，為什么這種鹽的水溶液可以去油污？

生：純堿溶液顯堿性，油污在堿性條件下水解。

教師追問：為什么鹽的水溶液可以顯堿性，堿性來源于何處呢？

手持實(shí)驗(yàn)4：向100 mL蒸餾水中加入1.0000 g Na2CO3固體粉末。

生：未加入Na2CO3固體時(shí)，c（H+）H2O=c（OH－）H2O=10－7 mol/L；加入且達(dá)到平衡時(shí)，c（OH－）H2O=10－3 mol/L＞10－7 mol/L，證實(shí)強(qiáng)堿弱酸鹽促進(jìn)水的電離。

深度思考：由所學(xué)知識(shí)可知CO32－與H+不能大量共存，所以：CO32－+H+？葑HCO3－，HCO3－+H+？葑H2CO3，消耗水電離出的H+，使水的電離平衡右移，促進(jìn)水的電離。

（設(shè)計(jì)意圖：通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本清楚堿性來源于水，基于環(huán)節(jié)三建立的分析模型，學(xué)生可以通過手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)的輔助得出正確的結(jié)論，也為下節(jié)課鹽類的水解打好了基礎(chǔ)）

七、結(jié)語

水的電離涉及的知識(shí)理論性強(qiáng)，微觀變化多，純講授難以讓學(xué)生完全領(lǐng)悟并運(yùn)用知識(shí)。手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，其操作簡(jiǎn)單、方便，并讓微觀粒子可視化、圖像化，不光讓學(xué)生能夠直觀感知微粒的行為，還能增強(qiáng)其讀圖能力、分析能力。能夠讓學(xué)生在分析的過程中達(dá)到自我知識(shí)的建構(gòu)，加深對(duì)化學(xué)原理的理解，從而實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

編輯：曾彥慧

注：本文系廣州市教育科學(xué)規(guī)劃（Guangzhou education scientific research project）2022年度課題“基于手持技術(shù)的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：202214287）的研究成果。